CN104660459A - 基于fpga实现万兆以太网在线业务扫描的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于FPGA实现万兆以太网在线业务扫描的系统及方法，所述系统包括：万兆以太网测试模块，由FPGA可编程逻辑器件实现；解析模块，用于将接收的数据包解析出帧类型和ID类型信息，并进行传输；配置和统计模块，用于通过PCI接口模块与CPU进行通信，并输出配置扫描类型、扫描的ID类型信息、以及扫描使能信号；校验模块，用于启动所述万兆以太网测试模块进行在线业务扫描作业。本发明的优点是：能够实现实时地从网络中的数据包中自动获取或手动获取ID信息及相关统计值。扫描的统计数据在万兆以太网测试模块上可显示在线业务扫描信息，具有自动扫描与手动扫描两种模式，实现在线检测多达64条流的流量状况。
Description
技术领域
本发明属于通信测试领域，涉及一种基于FPGA实现万兆以太网在线业务扫描的系统及方法。
背景技术
随着计算机网络技术的飞速发展和规模的不断扩大，连接网络的互联设备也获得了广泛的应用。网络的核心是网络互联设备，互联设备的性能情况直接影响着网络的规模，网络的可靠性和网络的稳定性。所以准确、客观的对网络互联设备的性能测试显得十分重要。由于网络的复杂性、多样性和异构性，对于网络报文的内容进行实时性的分类检测越来越必要。
万兆以太网技术在人们不断追求高带宽和高质量的网络服务中应运而生了,它不仅完美地继承了低速，速率为10Mb/s 100Mb/s 1Gb/s以太网技术的众多优点；而且能够提供10Gb/s的超大带宽。此外，它把传统以太网的传输距离增加到40km的同时，还实现了局域网(LocalAreaNetwork，简称LAN)与城域网(MetropolitanAreaNetwork，简称MAN)，以及广域网(WideAreaNetwork，简称WAN)之间的无缝连接，大大地拓展了以太网技术的应用空间。
现有技术中，对万兆以太网流量的检测一般是通过对所有数据包的统计进行的，即将接收到的数据包按照以太网协议类型(例如IP协议，TCP协议，UDP协议)进行统计来进行扫描，其显著缺点是：不能实现实时地从网络中的数据包中自动获取或手动获取ID信息及相关统计值。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种基于FPGA实现万兆以太网在线业务扫描的方法，其能够实现实时地从网络中的数据包中自动获取或手 动获取ID信息及相关统计值。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于FPGA实现万兆以太网在线业务扫描的系统，其特征在于，包括：
万兆以太网测试模块，由FPGA可编程逻辑器件实现，包括发送部分逻辑与接收部分逻辑，所述发送部分逻辑用于万兆以太网数据的产生与发送，所述接收部分逻辑用于万兆以太网数据接收与分析；
解析模块，用于将所述接收部分逻辑接收的数据包解析出帧类型和ID类型信息，并进行传输；
配置和统计模块，用于通过PCI接口模块与CPU进行通信，并输出配置扫描类型、扫描的ID类型信息、以及扫描使能信号；
校验模块，用于接收所述配置扫描类型、扫描的ID类型信息、以及扫描使能信号，并将所述解析模块传输的帧类型和ID类型信息进行校验，如果符合校验匹配条件，则启动所述万兆以太网测试模块进行在线业务扫描作业。
本发明的另一目的在于提供一种基于FPGA实现万兆以太网在线业务扫描的方法，其特征在于，包括：
万兆以太网测试模块，由FPGA可编程逻辑器件实现，包括发送部分逻辑与接收部分逻辑，发送部分逻辑产生与发送万兆以太网数据，接收部分逻辑接收与分析万兆以太网数据；
解析模块，将所述接收部分逻辑接收的数据包解析出帧类型和ID类型信息，并进行传输；
配置和统计模块，通过PCI接口模块与CPU进行通信，并输出配置扫描类型、扫描的ID类型信息、以及扫描使能信号；
校验模块，接收所述配置扫描类型、扫描的ID类型信息、以及扫描使能信号，并将所述解析模块传输的帧类型和ID类型信息进行校验，如果符合校验匹配条件，则启动所述万兆以太网测试模块进行在线业务扫描作业。
本发明的有益效果为：
第一，结构简单，包括：万兆以太网测试模块，解析模块，将所述接收部分逻辑接收的数据包解析出帧类型和ID类型信息，并进行传输；配置和统计模块，输出配置扫描类型、扫描的ID类型信息、以及扫描使能信号； 校验模块启动所述万兆以太网测试模块进行在线业务扫描作业，能够从网络中的数据包中自动获取或手动获取ID信息及相关统计值，支持在线业务扫描，在网络测试过程中可以使用扫描业务，实时观测扫描数据。
第二，应用广泛，扫描的统计数据在万兆以太网测试模块上可显示在线业务扫描的编号No、ID、个数、Fcs、IP error、带宽和利用率，并且具有自动扫描与手动扫描两种模式，实现在线检测不同的ID信息多达64条流的流量状况。扫描类型包括：目的MAC、源MAC、一层Vlan、二层Vlan、目的IP、源IP、MPLS1标签和MPLS2标签。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是本发明的基于FPGA实现万兆以太网在线业务扫描的系统的实施例结构示意图；
图2是本发明的万兆以太网测试模块的实施例结构示意图；
图3是本发明的基于FPGA实现万兆以太网在线业务扫描的方法的第一实施例流程图；
图4是本发明的基于FPGA实现万兆以太网在线业务扫描的方法的第二实施例流程图。
具体实施方式
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本 申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
实施例1
请参照图1，本发明的基于FPGA实现万兆以太网在线业务扫描的系统，包括：万兆以太网测试模块，由FPGA可编程逻辑器件实现，包括发送部分逻辑与接收部分逻辑，所述发送部分逻辑用于万兆以太网数据的产生与发送，所述接收部分逻辑用于万兆以太网数据接收与分析；解析模块，用于将所述接收部分逻辑接收的数据包解析出帧类型和ID类型信息，并进行传输；配置和统计模块，用于通过PCI接口模块与CPU进行通信，并输出配置扫描类型、扫描的ID类型信息、以及扫描使能信号；校验模块，用于接收所述配置扫描类型、扫描的ID类型信息、以及扫描使能信号，并将所述解析模块传输的帧类型和ID类型信息进行校验，如果符合校验匹配条件，则启动所述万兆以太网测试模块进行在线业务扫描作业。
优选地，所述ID类型信息包括：目的MAC、源MAC、VLAN1ID、VLAN2ID、目的IP、源IP、MPLS1标签和MPLS2标签。
优选地，所述配置和统计模块包括：FCS错误统计存储器，用于存储统计帧校验错误信息；数据包位数统计存储器，用于存储统计扫描到的数据包的位数；数据包字节数统计存储器，用于存储统计扫描到的数据包的字节数；IP校验和错误统计存储器，用于存储统计IP包校验和错误信息；ID存储器，用于存储扫描到的ID信息。
优选地，所述校验模块包括比较器。
优选地，以太网数据在传输过程中是由以下部分组成的：7byte(前导)+1byte(定界符)+以太网数据帧+12byte(IPG)。
优选地，以太网数据帧格式为：6byte(目的MAC地址)+6byte(源MAC地址)+2byte(类型字段)+数据字段+4byte(FCS校验字段)。其中帧类型字段标识其后的数据类型。
优选地，链路层协议报文格式如下：
Ethernet II，类型字段为：0X0800(IP帧)，0X0806(ARP请求/应答帧)，0X8035(PARP请求/应答帧)，0X8137(Novell IPX)，0X809b(Apple Talk)，0x8847(MPLS帧)。
定义Ethernet帧格式如下：
| 6Bytes | 6Bytes | 2Bytes | 46-1500Bytes | 4Bytes |
| 目的MAC地址 | 源MAC地址 | 类型/长度 | 数据 | FCS |
VLAN数据帧结构
Type：长度为2字节，取值为0x8100，表示此帧的类型为802.1Q Tag帧。
PRI：长度为3比特，可取0～7之间的值，表示帧的优先级，值越大优先级越高。该优先级主要为QoS差分服务提供参考依据(COS)。
CFI字段标识MAC地址在不同的传输介质中是否以标准格式进行封装，长度为1bit，取值为0表示MAC地址以标准格式进行封装，为1表示以非标准格式封装，缺省取值为0
VLAN Identifier(VID):长度12bits，可配置的VLAN ID取值范围为1～4094。通常vlan 0和vlan 4095预留，vlan1为缺省vlan，一般用于网管。
优选地，QinQ帧结构
优选地，IP层协议为：
优选地，TCP协议为：
优选地，UDP协议为：
优选地，MPLS多协议标签交换，通常标签位于链路层帧头和网络层报文之间，称为帧模式，在以太网中类型为0x8847(单播)和0x8848(组播)表示承载的是MPLS报文(0800是IP报文)。栈底标识通过0或者1标明下一个头部是MPLS还是IP的头部。MPLS标签栈：
| 帧首部 | MPLS1 | MPLS2 | MPLS3 | IP首部 | 数据域 |
MPLS标签结构
| 20bits | 3bits | 1bit | 8bits |
| 标签 | 实验域 | 栈底标识 | 生存时间 |
请参照图2，万兆以太网测试模块基于FPGA实现一个10G以太网接口，发送部分逻辑实现10G以太网数据的产生与发送功能，接收部分逻辑实现10G以太网数据接收与分析功能，FPGA集成10G以太网MAC和XAUI Core，XAUI core主要用于实现以太网协议数据传输的物理层协议；MAC主要用于实现以太网协议数据传输的数据链路层协议；CPU通过FPGA的PCI接口模块，对FPGA进行配置，读取报文分析结果。CPU使用I2C总线，用于读写FPGA外接10G光模块内部寄存器。MGT高速以太网收发器，实现数据的串并转换；10G以太网PHY芯片实现XAUI接口与10G以太网光模块(SFP)之间的接口转换。光模块用于光电转换，发送端把电信号转换成光信号，通过光纤传送后，接收端再把光信号转换成电信号。
优选地，FPGA芯片主要包括：可编程输入输出单元、基本可编程逻辑单元、时钟管理单元、嵌入块式RAM、布线单元、内嵌的底层功能单元和内嵌专用硬件模块。
优选地，FPGA利用小型查找表(16×1RAM)来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了即可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。
优选地，FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现 的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及个模块之间或模块与I/O间的连接方式，并最终决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程。
优选地，所述可编程输入输出单元是与外界电路的接口部分，用于完成不同电气特性下对输入/输出信号的驱动与匹配要求，通过软件的灵活配置，可适配不同的电气标准与I/O物理特性，可以调整驱动电流的大小。
优选地，外部输入信号可以通过可编程输入输出单元输入到FPGA的内部，也可以直接输入FPGA内部。
优选地，基本可编程逻辑单元包含一个可配置开关矩阵，此矩阵由4或6个输入、一些选型电路(多路复用器等)和触发器组成。
优选地，开关矩阵是高度灵活的，可以对其进行配置以便处理组合逻辑、移位寄存器或RAM。
优选地，每个基本可编程逻辑单元不仅可以用于实现组合逻辑、时序逻辑，还可以配置为分布式RAM和分布式ROM。
优选地，基本可编程逻辑单元由两个4输入的函数、进位逻辑、算术逻辑、存储逻辑和函数复用器组成。
优选地，算术逻辑包括一个异或门和一个与门，一个异或门可以实现2bit全加操作，进位逻辑由进位信号和函数复用器组成，用于实现快速的算术加减法操作；4输入函数发生器用于实现4输入LUT、分布式RAM或16比特移位寄存器。
优选地，所述进位逻辑包括两条快速进位链，用于提高基本可编程逻辑单元的处理速度。
优选地，时钟管理单元用于数字时钟管理和相位环路锁定。相位环路锁定能够提供精确的时钟综合，且能够降低抖动，并实现过滤功能。
优选地，嵌入块式RAM可被配置为单端口RAM、双端口RAM、内容地址存储器以及FIFO等存储结构。
优选地，内容地址存储器在其内部的每个存储单元中都有一个比较逻辑，写入CAM中的数据会和内部的每一个数据进行比较，并返回与端口数据相同的所有数据的地址。
优选地，布线单元连通FPGA内部的所有单元，根据工艺、长度、宽度和分布位置的不同而划分为4类不同的类别。第一类是全局布线模块，用于芯片内部全局时钟和全局复位/置位的布线；第二类是长线模块，用以完成芯片Bank间的高速信号和第二全局时钟信号的布线；第三类是短线模块，用于完成基本逻辑单元之间的逻辑互连和布线；第四类是分布式的布线模块，用于专有时钟、复位等控制信号线。
优选地，内嵌的底层功能单元包括：DLL(Delay Locked Loop)，PLL(Phase Locked Loop)，DSP。用于完成时钟高精度、低抖动的倍频和分频，以及占空比调整和移相等功能。
优选地，本实施例采用的配置模式为将FPGA连接CPU，由CPU对FPGA编程。
优选地，还可采用一片FPGA加一片EPROM的配置模式。
优选地，还可采用一片PROM编程多片FPGA的配置模式。
优选地，还可采用串行PROM编程FPGA的配置模式。
实施例2
请参照图3，本实施例的基于FPGA实现万兆以太网在线业务扫描的方法，包括：万兆以太网测试模块，由FPGA可编程逻辑器件实现，包括发送部分逻辑与接收部分逻辑，发送部分逻辑产生与发送万兆以太网数据，接收部分逻辑接收与分析万兆以太网数据；解析模块，将所述接收部分逻辑接收的数据包解析出帧类型和ID类型信息，并进行传输；配置和统计模块，通过PCI接口模块与CPU进行通信，并输出配置扫描类型、扫描的ID类型信息、以及扫描使能信号；校验模块，接收所述配置扫描类型、扫描的ID类型信息、以及扫描使能信号，并将所述解析模块传输的帧类型和ID类型信息进行校验，如果符合校验匹配条件，则启动所述万兆以太网测试模块进行在线业务扫描作业。
优选地，所述扫描类型为自动扫描。
优选地，所述校验符合匹配条件的步骤包括采用比较器来进行校验。优选地，校验模块比较接收的帧类型是否满足配置的扫描类型，当满足时启动比较器，将传过来的ID送到比较器的比较输入端口上，判断比较器的输出 信号是否匹配指示信号；当匹配指示信号为“0”时说明当前ID在比较器中没有匹配数据，将当前ID写入比较器，当匹配指示信号信号为“1”时说明当前ID在比较器中有匹配的数据，不用再将此ID写入比较器，在匹配的过程里，同时统计不同ID的个数、相同ID的包数、ID所在包的bit数、ID所在包的FCS错误的包数、ID所在包为IP包并且IP校验和错误的包数，将这些统计数据和ID存储到配置和统计模块中。
优选地，所述ID的种类数目小于等于64。
实施例3
请参照图4，本实施例的基于FPGA实现万兆以太网在线业务扫描的方法，包括：解析模块将万兆以太网测试模块接收部分逻辑接收的数据包解析出帧类型和ID类型信息，并进行传输；配置和统计模块通过PCI接口模块与CPU进行通信，并输出配置扫描类型、扫描的ID类型信息、以及扫描使能信号；校验模块接收所述配置扫描类型、扫描的ID类型信息、以及扫描使能信号，并将所述解析模块传输的帧类型和ID类型信息进行校验，如果校验符合匹配条件，则启动所述万兆以太网测试模块进行在线业务扫描作业。
优选地，所述扫描类型为手动扫描。
优选地，所述校验符合匹配条件的步骤包括采用比较器来进行校验。
优选地，当配置为手动扫描类型时，校验模块比较接收的帧类型是否满足配置的扫描类型，满足时再启动比较器，将需要检测的ID写入比较器中，比较器比较从解析模块中获得的ID和软件配置的ID，匹配时统计匹配ID的包数、所在包的bit数、所在包的FCS错误的包数、所在包为IP包并且IP校验和错误的包数，并将这些统计数据和ID存储到配置和统计模块中。
优选地，所述ID的种类数目小于等于64。
本发明的有益效果为：
第一，结构简单，包括：万兆以太网测试模块，解析模块，将所述接收部分逻辑接收的数据包解析出帧类型和ID类型信息，并进行传输；配置和统计模块，输出配置扫描类型、扫描的ID类型信息、以及扫描使能信号；校验模块启动所述万兆以太网测试模块进行在线业务扫描作业，能够从网络中的数据包中自动获取或手动获取ID信息及相关统计值，支持在线业务扫 描，在网络测试过程中可以使用扫描业务，实时观测扫描数据。
第二，应用广泛，扫描的统计数据在万兆以太网测试模块上可显示在线业务扫描的编号No、ID、个数、Fcs、IP error、带宽和利用率，并且具有自动扫描与手动扫描两种模式，实现在线检测不同的ID信息多达64条流的流量状况。扫描类型包括：目的MAC、源MAC、一层Vlan、二层Vlan、目的IP、源IP、MPLS1标签和MPLS2标签。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于FPGA实现万兆以太网在线业务扫描的系统，其特征在于，包括：
万兆以太网测试模块，由FPGA可编程逻辑器件实现，包括发送部分逻辑与接收部分逻辑，所述发送部分逻辑用于万兆以太网数据的产生与发送，所述接收部分逻辑用于万兆以太网数据接收与分析；
解析模块，用于将所述接收部分逻辑接收的数据包解析出帧类型和ID类型信息，并进行传输；
配置和统计模块，用于通过PCI接口模块与CPU进行通信，并输出配置扫描类型、扫描的ID类型信息、以及扫描使能信号；
校验模块，用于接收所述配置扫描类型、扫描的ID类型信息、以及扫描使能信号，并将所述解析模块传输的帧类型和ID类型信息进行校验，如果符合校验匹配条件，则启动所述万兆以太网测试模块进行在线业务扫描作业。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA实现万兆以太网在线业务扫描的系统，其特征在于，所述ID类型信息包括：目的MAC、源MAC、VLAN1 ID、VLAN2 ID、目的IP、源IP、MPLS1标签和MPLS2标签。
3.根据权利要求2所述的基于FPGA实现万兆以太网在线业务扫描的系统，其特征在于，所述配置和统计模块包括：
FCS错误统计存储器，用于存储统计帧校验错误信息；
数据包位数统计存储器，用于存储统计扫描到的数据包的位数；
数据包字节数统计存储器，用于存储统计扫描到的数据包的字节数；
IP校验和错误统计存储器，用于存储统计IP包校验和错误信息；
ID存储器，用于存储扫描到的ID信息。
4.根据权利要求3所述的基于FPGA实现万兆以太网在线业务扫描的系统，其特征在于，所述校验模块包括比较器。
5.一种基于FPGA实现万兆以太网在线业务扫描的方法，其特征在于，包括：
万兆以太网测试模块，由FPGA可编程逻辑器件实现，包括发送部分逻辑与接收部分逻辑，发送部分逻辑产生与发送万兆以太网数据，接收部分逻辑接收与分析万兆以太网数据；
解析模块，将所述接收部分逻辑接收的数据包解析出帧类型和ID类型信息，并进行传输；
配置和统计模块，通过PCI接口模块与CPU进行通信，并输出配置扫描类型、扫描的ID类型信息、以及扫描使能信号；
校验模块，接收所述配置扫描类型、扫描的ID类型信息、以及扫描使能信号，并将所述解析模块传输的帧类型和ID类型信息进行校验，如果符合校验匹配条件，则启动所述万兆以太网测试模块进行在线业务扫描作业。
6.根据权利要求5所述的基于FPGA实现万兆以太网在线业务扫描的方法，其特征在于，所述扫描类型包括自动扫描，或手动扫描。
7.根据权利要求6所述的基于FPGA实现万兆以太网在线业务扫描的方法，其特征在于，所述校验符合匹配条件的步骤包括采用比较器来进行校验。
8.根据权利要求7所述的基于FPGA实现万兆以太网在线业务扫描的方法，其特征在于，当配置为自动扫描类型时，校验模块比较接收的帧类型是否满足配置的扫描类型，当满足时启动比较器，将传过来的ID送到比较器的比较器的输入端口上，判断比较器的输出信号是否匹配指示信号；
当匹配指示信号为“0”时说明当前ID在比较器中没有匹配数据，将当前ID写入比较器，当匹配指示信号信号为“1”时说明当前ID在比较器中有匹配的数据，不用再将此ID写入比较器，在匹配的过程里，同时统计不同ID的个数、相同ID的包数、ID所在包的bit数、ID所在包的FCS错误的包数、ID所在包为IP包并且IP校验和错误的包数，将这些统计数据和ID存储到所述配置和统计模块中。
9.根据权利要求7所述的基于FPGA实现万兆以太网在线业务扫描的方法，其特征在于，当配置为手动扫描类型时，校验模块比较接收的帧类型是否满足配置的扫描类型，满足时再启动比较器，将需要检测的ID写入比较器中，比较器比较从解析模块中获得的ID，匹配时统计匹配ID的包数、所在包的bit数、所在包的FCS错误的包数、所在包为IP包并且IP校验和错误的包数，并将这些统计数据和ID存储到所述配置和统计模块中。
10.根据权利要求8或9所述的基于FPGA实现万兆以太网在线业务扫描的方法，其特征在于，所述ID的种类数目小于等于64。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150527 |