CN107579877B - 一种基于fpga的电力交换机流量监控系统及监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的电力交换机流量监控系统及监控方法，其特征在于包括PHY芯片、FPGA接收MAC模块、流量监控模块、交换芯片、处理器以及FPGA发送MAC模块。PHY芯片是以太网报文传输的物理通道；FPGA接收MAC模块完成以太网报文的解码操作，可以获得以太网报文数据内容；流量监控模块是对需要流量控制的报文进行流量监控；交换芯片完成以太网报文的转发；处理器模块完成相关的配置工作以及与FPGA进行通信；FPGA发送MAC模块把报文转发到PHY芯片，然后发送到远端电力通信设备。对于多个以太网接口可以方便的实现功能复制，降低产品开发周期，扩展方便，利用FPGA实现，灵活性高。

Description

一种基于FPGA的电力交换机流量监控系统及监控方法

技术领域

本发明涉及电力系统自动化技术领域，具体涉及一种基于FPGA的电力交换机流量监控系统及流量监控算法。

背景技术

电力专用交换机是专门为电力系统智能变电站中用于以太网通信的交换机，主要对智能变电站中采样值报文(SV报文)和GOOSE报文进行特殊处理的交换机，可以实现报文在交换机内部驻留延时测量功能。

在需要提供QoS服务时，交换器要具备流量监管和流量整形的功能，从而实现对端口流量进行流量控制。目前主要有两种令牌桶算法来实现流量监控，分别是单速率三色标记算法和双速率三色标记算法。它们都是根据评估结果对以太网报文打颜色标记，即绿色、黄色和红色，根据报文的颜色把报文标记为丢弃、转发或者改变优先级等操作。令牌桶是网络设备的内部存储池，而令牌则是以给定速率填充令牌桶的虚拟信息包长度。每个到达的令牌都会从数据队列领出相应的数据包进行发送，发送完数据后令牌被删除。

根据IEEE 802.3中对以太网报文的定义，如图1所示，一条以太网报文由前导码、帧起始定界符、目的地址、源地址、以太网类型长度、数据和帧校验序列组成。

图2为单速率三色标记算法示意图：在单速率三色流量监控机制中，有两个令牌桶C桶和E桶，Tc表示C桶中的令牌数，Te表示E桶中令牌数，两桶的总容量分别为承诺突发尺寸(CBS)和超额突发尺寸(EBS)，CBS的值比EBS要小。初始状态时两桶是满的，即Tc和Te初始值分别等于CBS和EBS。令牌的承诺速率是CIR，通常是先往C桶中添加令牌，等C桶满了，再往E桶中添加令牌，当两桶都被填满时，新产生的令牌将会被丢弃。

在色盲模式下，对收到的报文进行评估，报文的长度设为b，步骤为：

如果b<Tc，则报文标记为绿色，且C桶中的令牌数减b，

如果Tc<b<Te，则报文标记为黄色，且E桶Te令牌数减少b，

若b>Te，则报文标记为红色，两桶总令牌数都不减少，

目前该方案应用比较广泛，但是使用到了两个令牌桶，比一个桶控制要复杂一些。

如图3所示，为双速率三色标记算法：与单速率三色标记算法不同，双速率三色标记算法的两个令牌桶C桶和P桶填充令牌的速率不同，C桶填充速率为承诺速率CIR，P桶为峰值速率PIR；两桶的容量分别为CBS和PBS。用Tc和Tp表示两桶中的令牌数目，初始状态时两桶是满的，即Tc和Tp初始值分别等于CBS和PBS。Tc的值每1/CIR秒更新一次，Tp的值每1/PIR秒更新一次，添加令牌时先添加CBS桶，CBS桶满后再添加PBS桶。如果到达的报文速率大于PIR，超过Tp+Tc部分无法得到令牌，报文被标记为红色，未超过Tp+Tc而从P桶中获取令牌的报文标记为黄色，从C桶中获取令牌的报文被标记为绿色；当报文速率小于PIR，大于CIR时，报文不会得不到令牌，但超过Tp部分报文将从P桶中获取令牌，被标记为黄色报文，从C桶中获取令牌的报文被标记为绿色；当报文速率小于CIR时，报文所需令牌数不会超过Tc，只从C桶中获取令牌，所以只会被标记为绿色报文。

在色盲模式下，对收到的报文进行评估，报文的长度设为b，步骤为：

如果b>Tp，则报文标记为红色，令牌数均不减少；

如果Tc<b<Tp，则报文标记为黄色，并且P桶Tp令牌数减少b，

如果b<Tc，则报文被标记为绿色，并且C桶中的令牌数减b。

双速率三色标记算法关注的是速率的突发，它使用两个独立的令牌桶，而且两个桶添加令牌的速率也不同，该算法实现比单速率三色标记算法还要复杂一些。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本发明提供一种基于FPGA的电力交换机流量监控系统及监控算法，解决了现有两种令牌桶算法实现复杂的问题，优化流量监控策略，能够满足电力专用交换机中SV报文和GOOSE报文的流量监控的要求。

为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：一种基于FPGA的电力交换机流量监控系统，其特征在于，包括PHY芯片、FPGA模块、交换芯片、处理器；

所述FPGA模块包括流量监控模块、FPGA接收MAC模块A和FPGA发送MAC模块C以及FPGA发送MAC模块B和FPGA接收MAC模块D；

所述PHY芯片是以太网报文传输的物理通道，用于接收的以太网报文发送给FPGA接收MAC模块A以及将FPGA发送MAC模块B的报文发送给远端通信设备；

所述FPGA接收MAC模块A，用于接收PHY芯片发送的以太网报文，完成以太网报文的解码操作，并对报文进行校验，获得以太网报文数据内容，并将报文发送流量监控模块；

所述流量监控模块，用于对以太网报文进行流量监控，并通过FPGA发送MAC模块C将以太网报文发送到交换芯片；

所述FPGA发送MAC模块C，用于完成以太网报文的编码操作，然后向交换芯片发送以太网报文；

所述交换芯片，用于完成以太网报文的转发，接收FPGA发送MAC模块C转发送的报文，并将其转发给FPGA接收MAC模块D；

所述FPGA接收MAC模块D对以太网报文进行解码操作，并将其转发给FPGA接收MAC模块B；

所述FPGA发送MAC模块B对以太网报文进行编码，然后将报文转发到PHY芯片；

所述处理器，用于完成与FPGA模块信息交互。

前述的一种基于FPGA的电力交换机流量监控系统，其特征是，所述FPGA接收MAC模块A记录收到以太网报文的时标T1，所述FPGA发送MAC模块C对报文进行处理，加入报文时标T1，所述FPGA接收MAC模块D记录从交换芯片端口收到的报文时标T2，所述FPGA发送MAC模块B计算报文在交换芯片内部驻留时间T2-T1，将驻留时间填入到报文的保留字段。

前述的一种基于FPGA的电力交换机流量监控系统，其特征是，所述处理器向所述FPGA模块内部队列缓冲传送报文APPID、以太网类型以及要限制的流量速率。

前述的一种基于FPGA的电力交换机流量监控系统，其特征是，所述交换芯片是BCM56130型号的以太网交换芯片。

前述的一种基于FPGA的电力交换机流量监控系统，其特征是，从PHY芯片侧接收的以太网报文，通过FPGA接收MAC模块A处理后，得到报文的以太网类型和APPID数据信息。

一种基于FPGA的电力交换机流量监控方法，其特征是，包括步骤：

(1)电力交换机上电后，处理器通过总线接口向FPGA内部的队列缓冲中填入要限速的报文APPID、以太网类型以及要限制的流量速率，即流量监控初始值Tc；

(2)FPGA接收MAC模块A接收从PHY芯片转发来的报文，对以太网报文进行串并转换以及对报文的内容和帧校验序列进行校验；

(3)以太网报文的校验结果正确时，FPGA接收MAC模块A对以太网报文解码获得以太网类型和APPID的值；否则转向步骤(2)继续接收下一条以太网报文；

(4)FPGA流量监控模块根据得到的以太网类型和APPID与FPGA队列缓冲中的数值逐个比较，如果队列中存在该报文的以太网类型和APPID，表示对该类型报文进行流量控制，从FPGA队列缓冲中读取流量监控初始值Tc，按照流量监控算法控制报文流量并发送报文到交换芯片；否则表示不进行流量控制，不通过令牌桶处理，直接转发该报文到交换芯片；

(5)交换芯片将报文转发给FPGA接收MAC模块D和FPGA发送MAC模块B，通过PHY芯片发送到远端电力通信设备。

前述的一种基于FPGA的电力交换机流量监控方法，其特征是，所述流量监控算法为单令牌桶双色标记流量监控算法，包括步骤：

(1)当FPGA内部定时器溢出时，向令牌桶内补充令牌；

(2)FPGA接收MAC模块A从PHY芯片收到以太网报文的到帧起始定界符时，向FPGA发送MAC模块C发送报文转发信号TxTrig，FPGA接收MAC模块A接收以太网报文后，得到以太网报文长度b，此时修改令牌桶内的令牌数为Tc–b，然后转向步骤(3)；

(3)FPGA发送MAC模块B收到报文转发信号TxTrig后，判断令牌桶内令牌数修改后的Tc是否小于等于零，如果修改后的Tc小于等于零，即原Tc–b≤0，报文标记为红色，丢弃该报文，不转发到交换芯片；如果修改后的Tc大于零，即Tc–b>0，报文标记为绿色，报文转发到交换芯片。

本发明所达到的有益效果：本发明利用FPGA进行MAC设计，使用优化的单桶双色控制算法，达到流量控制的目的，FPGA内部逻辑电路可以方便的复用，对于多个以太网接口可以方便的实现功能复制，降低产品开发周期，扩展方便，利用FPGA实现，灵活性高，流量监控精度能满足国网对电力专用交换机的要求，本发明还能实现电力交换机对报文的延时测量功能，便于定位电力设备发生异常的确切时间；该算法控制方便，对于工程应用具备较大的实用价值。

附图说明

图1是以太网报文内容组成；

图2是单速率三色标记算法示意图；

图3是双速率三色标记算法示意图；

图4是本发明流量监控方法示意图；

图5是本发明单令牌桶双色流量监控算法示意图；

图6为本发明基于FPGA的电力交换机流量监控系统结构示意图；

图7为本发明基于FPGA的电力交换机流量监控方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。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。

针对现有两种令牌桶算法，本发明做了一定的改进，提出单令牌桶双色标记流量监控方法。在本发明中，EBS不再单独存在，而是把它放在CBS中，起到加深CBS桶的作用。CBS和EBS当做一个整体来计算，即(CBS)_实际＝(CBS)_配置+EBS，初始时，令牌是满的。当设定的添加令牌速率的定时器溢出时，向令牌桶内添加相应的令牌，报文到来时，令牌桶的值减去该报文的长度，如果令牌桶内令牌值大于0，就标记为绿色，否则，标记为红色，没有黄色报文。本发明解决了现有两种令牌桶算法实现复杂的问题，优化流量监控策略。

如图6所示，一种基于FPGA的电力交换机流量监控系统，包括PHY芯片、FPGA模块、交换芯片、处理器，所述FPGA模块包括流量监控模块、FPGA接收MAC模块A和FPGA发送MAC模块C以及FPGA发送MAC模块B和FPGA接收MAC模块D；

PHY芯片是以太网报文传输的物理通道，用于接收的以太网报文发送给FPGA接收MAC模块A以及将FPGA发送MAC模块B的报文发送给远端电力通信设备；

FPGA接收MAC模块A，用于接收PHY芯片发送的以太网报文，完成以太网报文的解码操作，并对报文进行校验，获得以太网报文数据内容，记录收到报文的时标T1，并将报文发送流量监控模块；

流量监控模块，用于对以太网报文进行流量监控，并通过FPGA发送MAC模块C将以太网报文发送到交换芯片；

FPGA发送MAC模块C，用于完成以太网报文的编码操作，并对报文进行处理，加入报文时标T1，然后向交换芯片发送以太网报文；

交换芯片，用于完成以太网报文的转发，接收FPGA发送MAC模块C转发送的报文，并将其转发给FPGA接收MAC模块D；

FPGA接收MAC模块D对以太网报文进行解码操作，记录从交换芯片端口收到的报文时标T2，并将其转发给FPGA接收MAC模块B；

FPGA发送MAC模块B对以太网报文进行编码，并计算SV报文在交换芯片内部驻留时间T2-T1，把驻留时间填入到报文的保留字段，然后将报文转发到PHY芯片；

PHY芯片把报文发送到远端电力通信设备；交换芯片可以是BCM56130型号的以太网交换芯片；处理器，用于完成与FPGA模块信息交互，处理器向FPGA模块内部队列缓冲传送报文APPID(应用标识符)、以太网类型以及要限制的流量速率；处理器是CPU处理器。

从PHY芯片侧接收的以太网报文，通过FPGA接收MAC模块A处理后，得到报文的以太网类型和APPID数据信息。例如，SV报文的以太网类型是0x88BA，APPID范围0x4000～0x7FFF。

通过记录报文驻留时间T2-T1，实现电力交换机对报文的延时测量功能，便于定位报文实际从电力设备发出的时间，进一步定位电力设备发生异常的确切时间。

如图4所示，一种基于FPGA的电力交换机流量监控方法，具体步骤如下：

(1)电力交换机上电后，处理器通过总线接口向FPGA内部的队列缓冲中填入要限速的报文APPID和以太网类型，以及要限制的流量速率，即流量监控初始值Tc；比如要对APPID＝0x4001的SV报文流量限速到2Mbps，则把0x88BA和0x4001以及Tc＝2000000填入到队列缓冲中；

(2)FPGA接收MAC模块A接收从PHY芯片转发来的报文，对以太网报文进行串并转换以及对报文的内容和帧校验序列进行校验，如果校验的结果为0xC704DD7B，表示该报文接收正确；

(3)以太网报文的校验结果正确时，FPGA接收MAC模块A对以太网报文解码获得以太网类型和APPID的值；否则转向步骤(2)继续接收下一条以太网报文；

(4)FPGA流量监控模块根据得到的以太网类型和APPID与FPGA队列缓冲中的数值逐个比较，如果队列中存在该报文的以太网类型和APPID，表示对该类型报文进行流量控制，从FPGA队列缓冲中读取流量监控初始值Tc，调用流量监控算法如单令牌桶双色标记算法，按照监控算法控制报文流量并发送报文到交换芯片；否则表示不进行流量控制，不通过令牌桶处理，直接转发该报文到交换芯片；

(5)交换芯片将报文转发给FPGA接收MAC模块D和FPGA发送MAC模块B，通过PHY芯片发送到远端电力通信设备。

如图4-6所示，一种基于FPGA的单令牌桶双色标记流量监控算法，包括步骤：

(1)对需要流量控制的报文，从FPGA模块队列缓冲中读取流量监控初始值Tc，比如读到的流量控制速率为2Mbps，则令牌桶内初值Tc＝2000000；FPGA内部定时器默认周期125ms，当定时器溢出时，就向令牌桶内补充2000000/8＝250000个令牌，如果令牌桶大小超过2000000，则令牌桶内的值为2000000；

(2)FPGA接收MAC模块A从PHY芯片收到以太网报文的到帧起始定界符时，向FPGA发送MAC模块C发送报文转发信号TxTrig，FPGA接收MAC模块A接收以太网报文后，得到以太网报文长度b，此时修改令牌桶内的令牌数为Tc–b，然后转向步骤(3)；

(3)FPGA发送MAC模块B收到报文转发信号TxTrig后，判断令牌桶内令牌数修改后的Tc是否小于等于零，如果修改后的Tc小于等于零，即原Tc–b≤0，报文标记为红色，丢弃该报文，不转发到交换芯片；如果修改后的Tc大于零，即Tc–b>0，报文标记为绿色，报文转发到交换芯片，以此达到流量控制的目的。

在该方案中，令牌桶内令牌的添加可以按照125ms为间隔定时补充，也可以非周期的添加，当桶内的令牌数不够转发报文时，向桶内添加(T_now–T_Front)*CIR个令牌，其中T_now是当前时间，T_Front是上次加令牌的时间，CIR是承诺速率，比如2Mbps，完成令牌的添加，这样通过设定的速度向桶内添加令牌，就达到对某一类报文流量控制的目的。

本发明利用FPGA进行MAC设计，使用优化的单桶双色控制算法，达到流量控制的目的，FPGA内部逻辑电路可以方便的复用，对于多个以太网接口可以方便的实现功能复制，降低产品开发周期，扩展方便，利用FPGA实现，灵活性高，流量监控精度能满足国网对电力专用交换机的要求，该算法控制方便，对于工程应用具备较大的实用价值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于FPGA的电力交换机流量监控系统，其特征在于，包括PHY芯片、FPGA模块、交换芯片、处理器；

所述FPGA模块包括流量监控模块、FPGA接收MAC模块A和FPGA发送MAC模块C以及FPGA发送MAC模块B和FPGA接收MAC模块D；

所述PHY芯片是以太网报文传输的物理通道，用于接收的以太网报文发送给FPGA接收MAC模块A以及将FPGA发送MAC模块B的报文发送给远端通信设备；

所述FPGA接收MAC模块A，用于接收PHY芯片发送的以太网报文，完成以太网报文的解码操作，并对报文进行校验，获得以太网报文数据内容，并将报文发送流量监控模块；

所述流量监控模块，用于对以太网报文进行流量监控，并通过FPGA发送MAC模块C将以太网报文发送到交换芯片；

所述FPGA发送MAC模块C，用于完成以太网报文的编码操作，然后向交换芯片发送以太网报文；

所述交换芯片，用于完成以太网报文的转发，接收FPGA发送MAC模块C转发送的报文，并将其转发给FPGA接收MAC模块D；

所述FPGA接收MAC模块D对以太网报文进行解码操作，并将其转发给FPGA接收MAC模块B；

所述FPGA发送MAC模块B对以太网报文进行编码，然后将报文转发到PHY芯片；

所述处理器，用于完成与FPGA模块信息交互；

所述FPGA接收MAC模块A记录收到以太网报文的时标T1，所述FPGA发送MAC模块C对报文进行处理，加入报文时标T1，所述FPGA接收MAC模块D记录从交换芯片端口收到的报文时标T2，所述FPGA发送MAC模块B计算报文在交换芯片内部驻留时间T2-T1，将驻留时间填入到报文的保留字段；

所述处理器向所述FPGA模块内部队列缓冲传送报文APPID、以太网类型以及要限制的流量速率；

流量监控算法为单令牌桶双色标记流量监控算法，包括步骤：

（1）当FPGA内部定时器溢出时，向令牌桶内补充令牌；

（2）FPGA接收MAC模块A从PHY芯片收到以太网报文的到帧起始定界符时，向FPGA发送MAC模块C发送报文转发信号TxTrig，FPGA接收MAC模块A接收以太网报文后，得到以太网报文长度b ，此时修改令牌桶内的令牌数为Tc–b，然后转向步骤（3）；

（3）FPGA发送MAC模块B收到报文转发信号TxTrig后，判断令牌桶内令牌数修改后的Tc是否小于等于零，如果修改后的Tc小于等于零，即原Tc – b≤0，报文标记为红色，丢弃该报文，不转发到交换芯片；如果修改后的Tc大于零，即Tc – b >0，报文标记为绿色，报文转发到交换芯片。

2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的电力交换机流量监控系统，其特征是，所述交换芯片是BCM56130型号的以太网交换芯片。

3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的电力交换机流量监控系统，其特征是，从PHY芯片侧接收的以太网报文，通过FPGA接收MAC模块A处理后，得到报文的以太网类型和APPID数据信息。

4.一种基于FPGA的电力交换机流量监控方法，其特征是，包括步骤：

（1）电力交换机上电后，处理器通过总线接口向FPGA内部的队列缓冲中填入要限速的报文APPID、以太网类型以及要限制的流量速率，即流量监控初始值Tc；

（2）FPGA接收MAC模块A接收从PHY芯片转发来的报文，对以太网报文进行串并转换以及对报文的内容和帧校验序列进行校验；

（3）以太网报文的校验结果正确时，FPGA接收MAC模块A对以太网报文解码获得以太网类型和APPID的值；否则转向步骤（2）继续接收下一条以太网报文；

（4）FPGA流量监控模块根据得到的以太网类型和APPID与FPGA队列缓冲中的数值逐个比较，如果队列中存在该报文的以太网类型和APPID，表示对该类型报文进行流量控制，从FPGA队列缓冲中读取流量监控初始值Tc，按照流量监控算法控制报文流量并发送报文到交换芯片；否则表示不进行流量控制，不通过令牌桶处理，直接转发该报文到交换芯片；

（5）交换芯片将报文转发给FPGA接收MAC模块D和FPGA发送MAC模块B，通过PHY芯片发送到远端电力通信设备；

所述流量监控算法为单令牌桶双色标记流量监控算法，包括步骤：

（1）当FPGA内部定时器溢出时，向令牌桶内补充令牌；

（2）FPGA接收MAC模块A从PHY芯片收到以太网报文的到帧起始定界符时，向FPGA发送MAC模块C发送报文转发信号TxTrig，FPGA接收MAC模块A接收以太网报文后，得到以太网报文长度b ，此时修改令牌桶内的令牌数为Tc–b，然后转向步骤（3）；

（3）FPGA发送MAC模块B收到报文转发信号TxTrig后，判断令牌桶内令牌数修改后的Tc是否小于等于零，如果修改后的Tc小于等于零，即原Tc – b≤0，报文标记为红色，丢弃该报文，不转发到交换芯片；如果修改后的Tc大于零，即Tc – b >0，报文标记为绿色，报文转发到交换芯片。

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