CN108040011B - 一种基于龙芯架构的软件定义网络交换装置及数据交换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于龙芯架构的软件定义网络交换装置及数据交换方法，包括控制处理器部，所述控制处理器部采用HT总线连接有北桥芯片，北桥芯片配置有至少3个x4 PCIe口，每个x4 PCIe口连接有以太网网卡，每个以太网网卡设置有至少2个以太网接口，以太网接口外接CPCI口和RJ45口；北桥芯片通过A‑Link总线连接有南桥芯片，南桥芯片通过PCI总线与CPCI口连接，南桥芯片与载板硬盘连接，载板硬盘用于安装Linux操作系统，Linux操作系统的配置文件预先配置了用户自定义数据交换规则。

Description

一种基于龙芯架构的软件定义网络交换装置及数据交换方法

技术领域

本发明属于网络交换技术领域，一种软件定义网络交换的方式及装置，特别涉及一种基于龙芯架构的网络交换装置。

背景技术

在国产自主可控技术高速推进的过程中，网络基础设备作为其中事关网络安全的关键设备，一直以来核心处理器及配套系统技术都是掌握在国外公司手中。此外，现有的网络交换装置，通常采取了指定模式配置的固定网络数据交换策略，或是完全放开无策略的端口与端口间的自由交换策略。采取固定方式的交换策略，通常可配置组合有限，仅能提供有限的几种方式。而实际应用场景中存在网口复制镜像、端口跨网段等情况，这就给传统应用带来了极大的挑战，目前通常的解决方案可以采购具备高级管理功能的网络交换设备，但配置流程复杂，成本极高；或是配合其他网络处理设备使用，这样一来同样提高了成本，组网设计复杂，不利于后续维护。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于龙芯架构的软件定义网络装置及数据交换方法，避免了在使用过程中无法随用户要求进行灵活配置的问题，利用系统中的规则配置文件，可灵活的实现基于上位机应用的网络数据快速转发。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于龙芯架构的软件定义网络交换装置，包括控制处理器部，所述控制处理器部采用HT总线连接有北桥芯片，北桥芯片配置有至少3个x4PCIe口，每个x4PCIe口连接有以太网网卡，每个以太网网卡设置有至少2个以太网接口，以太网接口外接CPCI口和RJ45口；北桥芯片通过A-Link总线连接有南桥芯片，南桥芯片通过PCI总线与CPCI口连接，南桥芯片与载板硬盘连接，载板硬盘用于安装Linux操作系统，Linux操作系统的配置文件预先配置了用户自定义数据交换规则；

其中，CPCI口、RJ45口、以太网网卡组成数据接收及发送电路，用于连接外部网络分别进行数据接收及发送；

载板硬盘构成数据缓存装置，用于在控制处理器部的控制下与数据接收及发送电路建立联系，接收外部网络数据形成数据缓存队列，发送修改数据并形成数据发送队列；

控制处理器部构成数据解析器、交换规则检测器、转发控制器，

数据解析器，用于对网络当前接收到的外部网络数据进行对应协议解析，解析后对代表帧网络基本特征信息的特征值进行提取，形成特征数据后，提交至交换规则检测器，

交换规则检测器，用于加载用户自定义数据交换规则，同时收集当前网络中所有端口的MAC地址及ARP路由关系，在用户自定义数据交换规则下，将特征数据与当前网络所有网段IP、MAC建立HASH查询表，进行规则匹配。

转发控制器，用于对帧网络基本特征信息中的目的地址进行匹配查找，查找成功后，按照HASH查询表将数据帧结构修改，完成帧头，帧尾及源目标地址的修改，提交至对应数据发送队列中进行发送数据准备。

所述控制处理器部包括2个采用HT总线互连的龙芯3A处理器。

在数据解析器中，所述网络当前接收到的网络数据帧包括TCP/UDP协议下的所有数据包，数据结构进行提取的方式是：通过对应协议标准，在数据帧内指定位置提取对应代表帧网络基本特征信息的数据结构。

代表帧网络基本特征信息的数据帧结构包括当前协议类型、源IP、目的地址IP、源及目标MAC地址。

本发明的设计原理为：

在本发明中，利用在Linux操作系统的配置文件预先配置了用户自定义数据交换规则的方式进行交换规则的设置，操作起来很分别，在结构上，利用北桥芯片配了3个x4PCIe口后分别与3个Intel I350连接，实现了4个千兆以太网的连接，总共可以提供12个以太网接口，每个以太网接口都可以接入数据后加入数据队列，然后按照对应的协议解析提取数据特征，这些数据特征提取后按照交换规则进行改变原数据结构，这样就可以转换成另外的数据规则，形成数据交换，整个过程简单且可靠，因此整个数据交换过程只需依赖数据结构本身，不依赖其他特性，可以进行网口复制镜像、端口跨网段操作，同时，由于是对数据结构本身改变，因此数据交换起来不受数据协议的限制，可以随意配置交换规则。

网络交换装置通过采取两颗龙芯3A处理器互连，为提供Linux系统提供共八个可用处理器核心，同时也为数据处理提供了有力的性能支持。网络数据处理时，通过对八个处理器核心资源进行均衡调度，实现了处理任务并行度的最大化，从而充分发挥了整个龙芯平台的硬件性能。

一种基于龙芯架构的软件定义网络交换装置的数据交换方法，包括以下步骤：

a).系统上电，网络交换装置加载运行Linux系统，并对交换装置进行自检；

b).加载网络交换服务；

c).任意交换节点的按照其要求的数据格式，设定选择基于TCP/UDP协议、目标IP地址、端口号信息后，启动该交换节点的网络应用，将数据发送至网络交换装置；

d).数据接收及发送电路接收来自该交换节点的网络数据，并缓存至载板硬盘加入到数据缓存队列；

e).网络数据传递至数据解析器后，数据解析器将网络数据按对应协议解析，解析后对代表帧网络基本特征信息的特征值进行提取，形成特征数据后，提交至交换规则检测器；

f).交换规则检测器在接收特征数据时，加载用户自定义数据交换规则，同时收集当前网络中所有端口的MAC地址及ARP路由关系；

g).交换规则检测器在用户自定义数据交换规则下，将特征数据与当前网络所有网段IP、MAC建立HASH查询表，进行规则匹配；

h).匹配成功后由网络数据转发器进行组织，对帧网络基本特征信息中的目的地址进行匹配查找，查找成功后，按照HASH查询表将数据帧结构修改，完成帧头，帧尾及源目标地址的修改，提交至对应数据发送队列中进行发送数据准备；

i).数据接收及发送电路将数据发送队列中的数据转向指定匹配端口，最终完成网络数据的转发。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：本发明实现了基于龙芯架构的软件定义网络数据交换装置，避免了在使用过程中无法随用户要求进行灵活配置的问题，利用系统中的规则配置文件，可灵活的实现基于上位机应用的网络数据快速转发。另外，本发明通过采用龙芯架构的硬件方案，提高了国产化率，满足今后国家自主可控及网络安全的长远规划，为国家关键行业所需的网络设备提供解决方案。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明装置结构图；

图2为本发明控制过程图；

图3网络传输拓扑图；

图4网络数据帧体格式。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例一

如图1、图2、图3、图4所示，

一种基于龙芯架构的软件定义网络交换装置，如图1所示，包括控制处理器部(2个龙芯处理器以及外挂设备配合组成)，所述控制处理器部采用HT总线连接有北桥芯片，北桥芯片配置有至少3个x4PCIe口，每个x4PCIe口连接有以太网网卡，每个以太网网卡设置有至少2个以太网接口，以太网接口外接CPCI口和RJ45口，北桥芯片还集成了显示控制器，支持VGA、LVDS等多种接口；北桥芯片通过A-Link总线连接有南桥芯片，南桥芯片通过PCI总线与CPCI口连接，南桥芯片与载板硬盘连接，载板硬盘用于安装Linux操作系统，Linux操作系统的配置文件预先配置了用户自定义数据交换规则；

如图2所示，其中，CPCI口、RJ45口、以太网网卡组成数据接收及发送电路，用于连接外部网络分别进行数据接收及发送；

载板硬盘构成数据缓存装置，用于在控制处理器部的控制下与数据接收及发送电路建立联系，接收外部网络数据形成数据缓存队列，发送修改数据并形成数据发送队列；

控制处理器部构成数据解析器、交换规则检测器、转发控制器，

数据解析器，用于对网络当前接收到的外部网络数据进行对应协议解析，解析后对代表帧网络基本特征信息的特征值进行提取，形成特征数据后，提交至交换规则检测器，

交换规则检测器，用于加载用户自定义数据交换规则，同时收集当前网络中所有端口的MAC地址及ARP路由关系，在用户自定义数据交换规则下，将特征数据与当前网络所有网段IP、MAC建立HASH查询表，进行规则匹配。

如图4所示，转发控制器，用于对帧网络基本特征信息中的目的地址进行匹配查找，查找成功后，按照HASH查询表将数据帧结构修改，完成帧头，帧尾及源目标地址的修改，提交至对应数据发送队列中进行发送数据准备。

所述控制处理器部包括2个采用HT总线互连的龙芯3A处理器。

在数据解析器中，所述网络当前接收到的网络数据帧包括TCP/UDP协议下的所有数据包，数据结构进行提取的方式是：通过对应协议标准，在数据帧内指定位置提取对应代表帧网络基本特征信息的数据结构。

代表帧网络基本特征信息的数据帧结构包括当前协议类型、源IP、目的地址IP、源及目标MAC地址。

本发明的设计原理为：

在本发明中，利用在Linux操作系统的配置文件预先配置了用户自定义数据交换规则的方式进行交换规则的设置，操作起来很分别，在结构上，利用北桥芯片配了3个x4PCIe口后分别与3个Intel I350连接，实现了4个千兆以太网的连接，总共可以提供12个以太网接口，每个以太网接口都可以接入数据后加入数据队列，然后按照对应的协议解析提取数据特征，这些数据特征提取后按照交换规则进行改变原数据结构，这样就可以转换成另外的数据规则，形成数据交换，整个过程简单且可靠，因此整个数据交换过程只需依赖数据结构本身，不依赖其他特性，可以进行网口复制镜像、端口跨网段操作，同时，由于是对数据结构本身改变，因此数据交换起来不受数据协议的限制，可以随意配置交换规则。

网络交换装置通过采取两颗龙芯3A处理器互连，为提供Linux系统提供共八个可用处理器核心，同时也为数据处理提供了有力的性能支持。网络数据处理时，通过对八个处理器核心资源进行均衡调度，实现了处理任务并行度的最大化，从而充分发挥了整个龙芯平台的硬件性能。

实施例2

如图1、图2、图3、图4所示，一种基于龙芯架构的软件定义网络交换装置的数据交换方法，包括以下步骤：

a).系统上电，网络交换装置加载运行Linux系统，并对交换装置进行自检；

b).加载网络交换服务；

c).任意交换节点的按照其要求的数据格式，设定选择基于TCP/UDP协议、目标IP地址、端口号信息后，启动该交换节点的网络应用，将数据发送至网络交换装置；

d).数据接收及发送电路接收来自该交换节点的网络数据，并缓存至载板硬盘加入到数据缓存队列；

e).网络数据传递至数据解析器后，数据解析器将网络数据按对应协议解析，解析后对代表帧网络基本特征信息的特征值进行提取，形成特征数据后，提交至交换规则检测器；

f).交换规则检测器在接收特征数据时，加载用户自定义数据交换规则，同时收集当前网络中所有端口的MAC地址及ARP路由关系；

g).交换规则检测器在用户自定义数据交换规则下，将特征数据与当前网络所有网段IP、MAC建立HASH查询表，进行规则匹配；

h).匹配成功后由网络数据转发器进行组织，对帧网络基本特征信息中的目的地址进行匹配查找，查找成功后，按照HASH查询表将数据帧结构修改，完成帧头，帧尾及源目标地址的修改，提交至对应数据发送队列中进行发送数据准备；

i).数据接收及发送电路将数据发送队列中的数据转向指定匹配端口，最终完成网络数据的转发。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于龙芯架构的软件定义网络交换装置，其特征在于：包括控制处理器部，所述控制处理器部采用HT总线连接有北桥芯片，北桥芯片配置有至少3个x4PCIe口，每个x4PCIe口连接有以太网网卡，每个以太网网卡设置有至少2个以太网接口，以太网接口外接CPCI口和RJ45口；北桥芯片通过A-Link总线连接有南桥芯片，南桥芯片通过PCI总线与CPCI口连接，南桥芯片与载板硬盘连接，载板硬盘用于安装Linux操作系统，Linux操作系统的配置文件预先配置了用户自定义数据交换规则；

其中，CPCI口、RJ45口、以太网网卡组成数据接收及发送电路，用于连接外部网络分别进行数据接收及发送；

载板硬盘构成数据缓存装置，用于在控制处理器部的控制下与数据接收及发送电路建立联系，接收外部网络数据形成数据缓存队列，发送修改数据并形成数据发送队列；

控制处理器部用于构成数据解析器、交换规则检测器、转发控制器，

数据解析器，用于对网络当前接收到的外部网络数据进行对应协议解析，解析后对代表帧网络基本特征信息的特征值进行提取，形成特征数据后，提交至交换规则检测器，

交换规则检测器，用于加载用户自定义数据交换规则，同时收集当前网络中所有端口的MAC地址及ARP路由关系，在用户自定义数据交换规则下，将特征数据与当前网络所有网段IP、MAC建立HASH查询表，进行规则匹配；

转发控制器，用于对帧网络基本特征信息中的目的地址进行匹配查找，查找成功后，按照HASH查询表将数据帧结构修改，完成帧头，帧尾及源目标地址的修改，提交至对应数据发送队列中进行发送数据准备。

2.根据权利要求1所述的一种基于龙芯架构的软件定义网络交换装置，其特征在于：所述控制处理器部包括2个采用HT总线互连的龙芯3A处理器。

3.根据权利要求1所述的一种基于龙芯架构的软件定义网络交换装置，其特征在于：

在数据解析器中，所述网络当前接收到的网络数据帧包括TCP/UDP协议下的所有数据包，数据结构进行提取的方式是：通过对应协议标准，在数据帧内指定位置提取对应代表帧网络基本特征信息的数据结构。

4.根据权利要求1所述的一种基于龙芯架构的软件定义网络交换装置，其特征在于：代表帧网络基本特征信息的数据帧结构包括当前协议类型、源IP、目的地址IP、源及目标MAC地址。

5.一种基于龙芯架构的软件定义网络交换装置的数据交换方法，其特征在于，包括以下步骤：

a).系统上电，网络交换装置加载运行Linux系统，并对交换装置进行自检；

b).加载网络交换服务；

c).任意交换节点的按照其要求的数据格式，设定选择基于TCP/UDP协议、目标IP地址、端口号信息后，启动该交换节点的网络应用，将数据发送至网络交换装置；

d).数据接收及发送电路接收来自该交换节点的网络数据，并缓存至载板硬盘加入到数据缓存队列；

e).网络数据传递至数据解析器后，数据解析器将网络数据按对应协议解析，解析后对代表帧网络基本特征信息的特征值进行提取，形成特征数据后，提交至交换规则检测器；

f).交换规则检测器在接收特征数据时，加载用户自定义数据交换规则，同时收集当前网络中所有端口的MAC地址及ARP路由关系；

g).交换规则检测器在用户自定义数据交换规则下，将特征数据与当前网络所有网段IP、MAC建立HASH查询表，进行规则匹配；

h).匹配成功后由网络数据转发器进行组织，对帧网络基本特征信息中的目的地址进行匹配查找，查找成功后，按照HASH查询表将数据帧结构修改，完成帧头，帧尾及源目标地址的修改，提交至对应数据发送队列中进行发送数据准备；

i).数据接收及发送电路将数据发送队列中的数据转向指定匹配端口，最终完成网络数据的转发。

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