CN106209691B - 一种具备独立mac源地址的网络端口镜像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具备独立MAC源地址的网络端口镜像方法,通过一个连接嵌入式MCU芯片的数据源网络端口控制器和多路镜像模块,实现将MCU的一路网络输出报文同步镜像输出到多个独立的网络端口,设计简单,容易实现,且各路镜像模块具备独立MAC地址且相互独立,输出延时固定无抖动,并具有以下特点,1)系统对网络协议透明;2)占用硬件资源开销非常小,简单易实现;3)各路镜像模块由纯硬件实现,采用直通镜像转发;4)各路镜像模块相互独立且具备独立MAC地址;5)各路镜像模块同步转发,输出延时固定无抖动,具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种具备独立MAC源地址的网络端口镜像方法,属于以太网通信技术领域。
背景技术
由于Ethernet(以太网)应用的广泛性和技术的先进性,在工业应用中也具有传统现场总线所无法比拟的优越性,正在逐步取代传统的现场总线技术,使其成为当今工业控制首选网络。随着应用复杂性增加,对智能电子设备网络端口的数量也在增加,且往往需要各网络端口在链路层完全独立,以往简单的报文镜像往往使用同一报文源地址,这将导致网络交换设备的混乱。然而,就目前主流嵌入式MCU来说,片上的MAC控制器不超过3个,因此,其具有3个或3个以上独立网口的处理器非常少,对大量负责数据采集的智能电子设备来说,有时需要将同一份数据实时复制到多个网络端口来实现数据共享,给嵌入式MCU带来非常大的处理压力,这类应用迫切需要快速网络端口报文镜像应用功能。目前,网络端口报文镜像主要有以下两种方法,
(1)方案一,基于软件的端口镜像,由软件将同一份数据分组写入多个以太网控制器并启动控制发送网络分组;
(2)方案二,基于硬件的端口镜像,使用专用硬件或将多个以太网物理层器件的发送输入端连接到一起,由同一个专门的以太网控制器负责报文发送,并同时控制物理层编码发送。
上述的两种方案在一定程度上实现的网络数据包镜像,但应用场所不同,适用范围窄,均存在不同的缺陷,具体如下,(1)方案一主要依赖MCU软件实现报文镜像,在高速应用对MCU性能要求很高,且无法实现多个端口同步发送要求;(2)方案二,虽然采用硬件镜像能够提高转发速度和各端口的同步性,但不能实现各网络端口输出的报文具备独立的源MAC地址。
发明内容
本发明目的是为了克服现有的硬件镜像不能实现各网络端口输出的报文具备独立的源MAC地址的问题。本发明通过一个连接嵌入式MCU芯片的数据源网络端口控制器和多路镜像模块及相应的网络物理层接口完成,实现将MCU的一路网络输出报文同步镜像输出到多个独立的网络端口,设计简单,容易硬件实现,且各路镜像模块具备独立MAC地址且相互独立,输出延时固定无抖动。
为了达到上述目的,本发明所采用的技术方案是:
一种具备独立MAC源地址的网络端口镜像方法,其特征在于:包括以下步骤,
步骤(A),构建硬件端口镜像电路,所述硬件端口镜像电路包括一个数据源网络端口控制器、多路镜像模块和以太网物理层的硬件电路,其中,多路镜像模块均包括MII接收逻辑单元、源MAC地址替换及帧校验逻辑单元和双时钟FIFO单元,通过双时钟FIFO单元实现收、发两侧数据的跨时钟域转换,所述数据源网络端口控制器,用于连接到嵌入式MCU芯片,并在嵌入式MCU芯片控制下产生网络发送数据流,所述以太网物理层的硬件电路用于将双时钟FIFO单元产生的镜像数据流进行以太网物理层编码并发送至网络;
步骤(B),数据源网络端口控制器在收到嵌入式MCU芯片的发送报文分组后,产生网络发送数据流,并根据嵌入式MCU芯片指示的网络分组长度产生数据段指示信号TX_DAT,该信号在发送网络发送数据流中数据字段开始时置有效,并持续到分组的数据字段结束;
步骤(C),多路镜像模块,首先根据MII接收逻辑单元内的MII接口协议缓冲数据,并在各自的接收信号RX_DAT上升沿复位接收计数器,高电平开始计数,所述接收信号RX_DAT 与对应源端口的数据段指示信号TX_DAT相匹配,当接收计数器计数值达到源地址字段时,控制前一数据选择器使用该镜像模块的MAC地址替换数据流中的源MAC地址;
步骤(D),多路镜像模块中帧校验逻辑在接收信号RX_DAT上升沿时,开始计算数据分组的以太网校验,当接收信号RX_DAT的下降沿到达时,控制后一数据选择器输出报文分组校验码;
步骤(E),多路镜像模块中后一数据选择器连接双时钟FIFO单元,所述双时钟FIFO单元的输入时钟使用各路镜像模块的工作时钟RXCLK双时钟FIFO单元的数据写请求使用信号RXDV,将双时钟FIFO单元的输出时钟连接到对应侧的以太网物理层的硬件电路的发送时钟TXCLK上,所述双时钟FIFO单元的输出连接到对应侧的以太网物理层的硬件电路的数据输入端,所述双时钟FIFO单元使用FIFO空信号取反后,作为双时钟FIFO单元的读请求信号和对应侧的以太网物理层的硬件电路的发送使能信号TXEN;
步骤(F),通过嵌入式MCU芯片的总线接口,配置各路镜像模块的MAC地址,实现网络管理。
前述的具备独立MAC源地址的网络端口镜像方法,其特征在于:多路镜像模块的输出数据分组具备独立的源MAC地址,各路镜像模块具备独立的源MAC地址寄存器,并由嵌入式MCU芯片配置,各路镜像模块用对应的源MAC地址寄存器的值自动替换数据流中的源MAC地址,并重新计算帧校验。
前述的具备独立MAC源地址的网络端口镜像方法,其特征在于:所述数据源网络端口控制器、多路镜像模块之间通过信号对TX_DAT、RX_DAT标记镜像分组的数据字段,各路镜像模块输出端口的报文输出延迟一致,且输出延迟固定为双时钟FIFO单元的缓冲时钟数目,所述双时钟FIFO单元的缓冲时钟数目取决于嵌入式MCU芯片侧时钟和网络物理层时钟偏差,为2-3个网络时钟。
前述的具备独立MAC源地址的网络端口镜像方法,其特征在于:多路镜像模块工作在网络底层,不用存储数据,MAC地址的替换和帧校验计算,根据线速实时进行。
本发明的有益效果是:通过一个连接嵌入式MCU芯片的数据源网络端口控制器和多路镜像模块,实现将MCU的一路网络输出报文同步镜像输出到多个独立的网络端口,设计简单,容易实现,且各路镜像模块具备独立MAC地址且相互独立,输出延时固定无抖动,并具有以下特点,1)系统对网络协议透明;2)镜像模块工作在底层,占用硬件资源开销非常小,简单易实现;3)各路镜像模块由纯硬件实现,采用直通镜像转发;4)各路镜像模块相互独立且具备独立MAC地址;5) 各路镜像模块同步转发,输出延时固定无抖动。
附图说明
图1是本发明构建的硬件端口镜像电路的系统框图。
图2是本发明的数据源网络端口控制器的系统框图。
图3是本发明的数据源网络端口控制器的数据流信号的示意图。
图4是本发明根据MII接口协议要求顺序输出校验码的示意图。
图5是本发明的双时钟FIFO单元、以太网物理层的硬件电路之间的连接示意图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图,对本发明做进一步说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明的具备独立MAC源地址的网络端口镜像方法,基于FPGA的硬件实现方法,构建了一个数据源网络端口控制器和多路镜像模块,多路镜像模块将来自数据源网络端口控制器的网络报文在接收信号RX_DAT的指示下进行报文中MAC地址替换和帧校验计算,之后利用双时钟FIFO单元实现收、发两侧数据的跨时钟域转换,实现直通镜像转发,包括以下步骤,
步骤(A),构建硬件端口镜像电路(可在FPGA可编程逻辑芯片中构建),如图1所示,所述硬件端口镜像电路包括一个数据源网络端口控制器、多路镜像模块和以太网物理层的硬件电路,其中,多路镜像模块均包括MII接收逻辑单元、源MAC地址替换及帧校验逻辑单元和双时钟FIFO单元,通过双时钟FIFO单元实现收、发两侧数据的跨时钟域转换,所述数据源网络端口控制器,用于连接到嵌入式MCU芯片,并在嵌入式MCU芯片控制下产生网络发送数据流,所述以太网物理层的硬件电路用于将双时钟FIFO单元产生的镜像数据流进行以太网物理层编码并发送至网络;
步骤(B),数据源网络端口控制器在收到嵌入式MCU芯片的发送报文分组后,产生网络发送数据流,并根据嵌入式MCU芯片指示的网络分组长度产生数据段指示信号TX_DAT,该信号在发送网络发送数据流中数据字段开始时置有效,并持续到分组结束(不包含帧校验),如图2所示,数据源网络端口控制器,包括总线接口单元、发送报文缓冲队列、发送描述符队列、发送状态机和MII数据流生成逻辑单元,嵌入式MCU芯片通过总线接口单元先向发送报文缓冲队列中填入待发送的数据分组,然后构造发送描述符(发送描述符至少应包括数据分组的位置和数据分组长度信息)加入发送描述符队列。数据源网络端口控制器中的发送状态机一直监视发送描述符队列,一旦有新的数据分组被写入即行启动MII数据流生成逻辑单元,而MII数据流生成逻辑单元启动后首先置TX_EN使能信号有效并按MII接口协议发送7字节的前导码和1字节的帧起始符,随后读取发送报文缓冲并发送数据,同时在数据字段开始时置数据段指示信号TX_DAT有效,数据字段结束后置TX_DAT信号无效,整个数据源网络端口控制器的数据流信号示意图,如图3所示;
步骤(C),多路镜像模块,首先根据MII接收逻辑单元内的MII接口协议缓冲数据,并在各自的数据段接收指示信号RX_DAT上升沿开始计数,所述数据段接收指示信号RX_DAT与对应源端口的数据段指示信号TX_DAT相匹配,当计数值达到源地址字段时,控制前一数据选择器使用该镜像模块的MAC地址替换数据流中的源MAC地址;
步骤(D),多路镜像模块中帧校验逻辑在接收信号RX_DAT上升沿时,开始计算数据分组的以太网校验,当接收信号RX_DAT的下降沿到达时,控制后一数据选择器输出报文分组校验码,如图1所示,帧校验计算模块获取步骤(C)的数据选择器(MUX)的输出作为校验输入,并在数据段结束后根据MII接口协议要求顺序输出校验码,如图4所示;
步骤(E),多路镜像模块中后一数据选择器连接双时钟FIFO单元,如图5所示,所述双时钟FIFO单元的输入时钟使用各路镜像模块的工作时钟RXCLK双时钟FIFO单元的数据写请求使用信号RXDV,将双时钟FIFO单元的输出时钟连接到对应侧的以太网物理层的硬件电路的发送时钟TXCLK上,所述双时钟FIFO单元的输出连接到对应侧的以太网物理层的硬件电路的数据输入端,所述双时钟FIFO单元使用FIFO空信号取反后,作为双时钟FIFO单元的读请求信号和对应侧的以太网物理层的硬件电路的发送使能信号TXEN;
步骤(F),通过嵌入式MCU芯片的总线接口,配置各路镜像模块的MAC地址,实现网络管理。
其中,多路镜像模块的输出数据分组具备独立的源MAC地址,各路镜像模块具备独立的源MAC地址寄存器,并由嵌入式MCU芯片配置,各路镜像模块用对应的源MAC地址寄存器的值自动替换数据流中的源MAC地址,并重新计算帧校验,多路镜像模块镜不用存储数据,MAC地址的替换和帧校验计算,根据线速实时进行,一边解析数据一边计算帧校验。
所述数据源网络端口控制器、多路镜像模块之间通过信号对TX_DAT、RX_DAT标记来镜像分组的数据字段,保证各镜像模块的帧校验计算和转发线速进行,使得各路镜像模块输出端口的报文输出延迟一致,且输出延迟固定为双时钟FIFO单元的缓冲时钟数目,所述双时钟FIFO的缓冲时钟数目取决于MCU侧时钟和网络物理层时钟偏差,为2-3个网络时钟。
其中,双时钟FIFO单元用来实现各路镜像模块和以太网物理层硬件单元之间的跨时钟域转换,对100Mbps的网络端口来说双时钟FIFO的缓冲延迟配置取决于MCU侧时钟和网络物理层时钟偏差,为2-3个网络时钟,对选用晶体稳定度高的应用可选择2个时钟延迟,而选用的晶体稳定度稍差的应用可将延迟设为3个网络时钟,在选用支持单时钟物理层的应用场合,可以将双时钟FIFO配置成旁路模式以减小FPGA硬件的资源开销。
综上所述,本发明的具备独立MAC源地址的网络端口镜像方法,通过一个连接嵌入式MCU芯片的数据源网络端口控制器和多路镜像模块,实现将MCU的一路网络输出报文同步镜像输出到多个独立的网络端口,设计简单,容易实现,且各路镜像模块具备独立MAC地址且相互独立,输出延时固定无抖动,并具有以下特点,1)系统对网络协议透明;2)占用硬件资源开销非常小,简单易实现;3)各路镜像模块由纯硬件实现,采用直通镜像转发;4)各路镜像模块相互独立且具备独立MAC地址;5) 各路镜像模块同步转发,输出延时固定无抖动。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (4)
1.一种具备独立MAC源地址的网络端口镜像方法,其特征在于:包括以下步骤,
步骤(A),构建硬件端口镜像电路,所述硬件端口镜像电路包括一个数据源网络端口控制器、多路镜像模块和以太网物理层的硬件电路,其中,多路镜像模块均包括MII接收逻辑单元、源MAC地址替换及帧校验逻辑单元和双时钟FIFO单元,通过双时钟FIFO单元实现收、发两侧数据的跨时钟域转换,所述数据源网络端口控制器,用于连接到嵌入式MCU芯片,并在嵌入式MCU芯片控制下产生网络发送数据流,所述以太网物理层的硬件电路用于将双时钟FIFO单元产生的镜像数据流进行以太网物理层编码并发送至网络;
步骤(B),数据源网络端口控制器在收到嵌入式MCU芯片的发送报文分组后,产生网络发送数据流,并根据嵌入式MCU芯片指示的网络分组长度产生数据段指示信号TX_DAT,该信号在发送网络发送数据流中数据字段开始时置有效,并持续到分组的数据字段结束;
步骤(C),多路镜像模块,首先根据MII接收逻辑单元内的MII接口协议缓冲数据,并在各自的接收信号RX_DAT上升沿复位接收计数器,高电平开始计数,所述接收信号RX_DAT 与对应源端口的数据段指示信号TX_DAT相匹配,当接收计数器计数值达到源地址字段时,控制前一数据选择器使用该镜像模块的MAC地址替换数据流中的源MAC地址;
步骤(D),多路镜像模块中帧校验逻辑在接收信号RX_DAT上升沿时,开始计算数据分组的以太网校验,当接收信号RX_DAT的下降沿到达时,控制后一数据选择器输出报文分组校验码;
步骤(E),多路镜像模块中后一数据选择器连接双时钟FIFO单元,所述双时钟FIFO单元的输入时钟使用各路镜像模块的工作时钟RXCLK双时钟FIFO单元的数据写请求使用信号RXDV,将双时钟FIFO单元的输出时钟连接到对应侧的以太网物理层的硬件电路的发送时钟TXCLK上,所述双时钟FIFO单元的输出连接到对应侧的以太网物理层的硬件电路的数据输入端,所述双时钟FIFO单元使用FIFO空信号取反后,作为双时钟FIFO单元的读请求信号和对应侧的以太网物理层的硬件电路的发送使能信号TXEN;
步骤(F),通过嵌入式MCU芯片的总线接口,配置各路镜像模块的MAC地址,实现网络管理。
2.根据权利要求1所述的具备独立MAC源地址的网络端口镜像方法,其特征在于:多路镜像模块的输出数据分组具备独立的源MAC地址,各路镜像模块具备独立的源MAC地址寄存器,并由嵌入式MCU芯片配置,各路镜像模块用对应的源MAC地址寄存器的值自动替换数据流中的源MAC地址,并重新计算帧校验。
3.根据权利要求1所述的具备独立MAC源地址的网络端口镜像方法,其特征在于:所述数据源网络端口控制器、多路镜像模块之间通过信号对TX_DAT、RX_DAT标记镜像分组的数据字段,各路镜像模块输出端口的报文输出延迟一致,且输出延迟固定为双时钟FIFO单元的缓冲时钟数目,所述双时钟FIFO单元的缓冲时钟数目取决于嵌入式MCU芯片侧时钟和网络物理层时钟偏差,为2-3个网络时钟。
4.根据权利要求1所述的具备独立MAC源地址的网络端口镜像方法,其特征在于:多路镜像模块工作在网络底层,不用存储数据,MAC地址的替换和帧校验计算,根据线速实时进行。
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