CN109905321A - 一种用于自定义高速接口与以太网交互的路由控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于自定义高速接口与以太网交互的路由控制系统，包括业务代码识别检测模块、以太网发送控制模块、以太网接收控制模块、路由配置模块、若干自定义高速通道数据接收控制模块、若干高速数据发送缓存FIFO、若干路由信息缓存FIFO、若干高速数据接收缓存FIFO以及若干自定义高速通道数据发送控制模块；本发明自定义协议光数据采用业务号作为路由信息载体，减少了路由信息载体长度，提高了带宽利用率，提高了路由信息解析的效率，减少了数据转发延迟时间，可支持多通道多业务的数据路由转发；采用软件定义的方式进行相关路由信息的配置，配置信息灵活可变，特别适用于后期增加业务的场景，无需再次设计软硬件，简化了设计开发流程，缩短设计开发周期。

Description

一种用于自定义高速接口与以太网交互的路由控制系统

【技术领域】

本发明属于嵌入式系统通信领域，涉及一种用于自定义高速接口与以太网交互的路由控制系统。

【背景技术】

随着数据业务需求的空前加大，网络设备在通信性能上的需求也随之提升。在现有的高性能信息处理平台中，对平台外采用光纤作为传输媒介进行数据通信，对平台内采用40G以太网进行板间互连，实现高带宽的数据传输。因光数据没有标准的协议要求，所以无法使用处理器完成自定义协议光数据与40G以太网数据间的解析交互。需要使用FPGA芯片对自定义协议光数据和40G以太网数据进行解析打包封装。由于光数据流业务种类不同，需要发送到不同功能刀片；反之亦然。因此光数据与40G以太网数据的路由控制直接影响数据传输的准确可达性，对平台内外的数据交互至关重要。

当前还没有自定义光数据与40G以太网的交互系统介绍，在自定义光数据与百兆、千兆网络通信的系统中，通过在自定义协议光数据流中添加目的MAC地址和UDP/IP相关信息，提供给后端网络模块进行目标网络节点的数据发送，完成路由转发功能。该方法当添加全部路由字段信息时，使用字节较多，占用有效带宽，解析路由信息时间长；当添加部分路由字段信息时，无法灵活改变源/目的MAC地址和UDP/IP相关信息，适配性差，如果要实现与其他系统的适配，需重新修改逻辑代码并工程实现，整改周期长，且存在路由失败的风险。且随着40G以太网带来的通信性能的极大提升，自定义光数据通道将由单通道变为多通道，通信数据将由单业务变为多业务，现有的方法已无法满足复杂的多通道多业务数据与多目标网络节点的数据路由操作。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种用于自定义高速接口与以太网交互的路由控制系统，该方法对数据进行动态流水识别，采用软件定义的方式进行路由衍生等操作，实现多通道多业务数据与多目标网络节点的路由功能，完成两种协议之间的实时数据转换及高速通信。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种用于自定义高速接口与以太网交互的路由控制系统，包括业务代码识别检测模块、以太网发送控制模块、以太网接收控制模块、路由配置模块、若干自定义高速通道数据接收控制模块、若干高速数据发送缓存FIFO、若干路由信息缓存FIFO、若干高速数据接收缓存FIFO以及若干自定义高速通道数据发送控制模块；其中：

自定义高速通道数据接收控制模块，用于将高速串行的光数据流转换为并行数据，并行数据位宽为16位，并完成空码的移除操作；

业务代码识别检测模块，对转换后的并行数据进行动态流水识别，时刻检测数据中的帧头标识符、业务代码和帧尾标识符；

高速数据发送缓存FIFO，经过业务代码识别检测后的有效数据和检测到帧头标识符的标志位拼成新的数据存入高速数据发送缓存FIFO中，等待以太网发送控制模块读出数据完成以太网包的封装，然后交由40G MAC模块进行发送操作；

路由信息缓存FIFO，用于存储业务代码识别检测模块自动确定的即将发送的以太网帧中的目标MAC地址、目标IP地址和UDP源/目标端口号；

以太网发送控制模块，用于检测到高速数据发送缓存FIFO中非空后，在满足以太网帧大小要求的前提下进行高速数据发送缓存FIFO的读数据操作，对读出数据中的检测到帧头标识符的标志位进行判断，决定是否读取路由信息缓存FIFO，即当发送完上一帧数据时，需获取下一帧数据对应的目标MAC地址、目标IP地址和UDP源/目标端口号；

以太网接收控制模块，用于对40G MAC模块接收的以太网包数据进行拆包解包操作，根据以太网包内的UDP目标端口号低8位为地址到路由配置模块中读取双口RAM中对应的光纤数据通道号，然后将拆包解包后的包含帧头标识符、业务代码和帧尾标识符的数据存入对应光纤数据通道号的高速数据接收缓存FIFO中，以供对应光纤数据通道发送模块读取并完成发送；

自定义高速通道数据发送控制模块，检测到高速数据接收缓存FIFO非空后，进行高速数据接收缓存FIFO的读数据操作，将读取的并行数据转换为高速串行的光数据流；

路由配置模块，用于响应片外CPU的总线操作访问，实现在线配置该以太网节点的源MAC地址、目标MAC地址常数区域和目标IP常数区域。

本发明进一步的改进在于：

自定义高速通道数据接收控制模块采用标准IP硬核设计。

自定义高速通道数据接收控制模块将高速串行的光数据流转换为并行数据，转换后的一帧完整光数据包含帧头标识符、业务代码、有效数据和帧尾标识符。

自定义高速数据发送缓存FIFO为先入先出缓冲器。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明自定义协议光数据采用业务号作为路由信息载体，减少了路由信息载体长度，提高了带宽利用率，提高了路由信息解析的效率，减少了数据转发延迟时间，可支持多通道多业务的数据路由转发；采用软件定义的方式进行相关路由信息的配置，配置信息灵活可变，特别适用于后期增加业务的场景，无需再次设计软硬件，简化了设计开发流程，缩短设计开发周期。

【附图说明】

图1为本发明自定义高速接口向40G以太网传输数据方向(发送方向)路由控制结构图；

图2为40G以太网向自定义高速接口传输数据方向(接收方向)路由控制结构图；

图3为自定义高速数据流帧结构图；

图4为路由配置模块内发送方向路由信息存储双口RAM A示意图；

图5为路由配置模块内接收方向路由信息存储双口RAM B示意图。

【具体实施方式】

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明用于自定义高速接口与40G以太网交互的路由控制方法，主要由自定义高速通道数据接收控制模块、业务代码识别检测模块、高速数据发送缓存FIFO(先入先出缓冲器)、路由信息缓存FIFO、40G以太网发送控制模块、40G以太网接收控制模块、高速数据接收缓存FIFO、自定义高速通道数据发送控制模块和路由配置模块组成。

自定义高速通道数据接收控制模块用于将高速串行的光数据流转换为并行数据，并行数据位宽为16位，并完成空码的移除操作。转换后的一帧完整光数据包含帧头标识符、业务代码、有效数据和帧尾标识符。该模块采用标准IP硬核设计，通信转换过程安全可靠。

业务代码识别检测模块对转换后的并行数据进行动态流水识别，时刻检测数据中的帧头标识符、业务代码和帧尾标识符。当识别到帧头标识符后，产生检测到帧头标识符的标志位；当识别到业务代码后，业务代码识别检测模块根据识别到的业务代码到路由配置模块中读取对应业务代码的发送目标MAC地址、目标IP地址和UDP源/目标端口号，并传递给路由信息缓存FIFO；当识别到帧尾标识符后，将检测到帧头标识符的标志位清零。

经过业务代码识别检测后的有效数据和检测到帧头标识符的标志位拼成新的数据存入高速数据发送缓存FIFO中，等待40G以太网发送控制模块读出数据完成以太网包的封装，然后交由40G MAC模块进行发送操作。

路由信息缓存FIFO用于存储业务代码识别检测模块自动确定的即将发送的40G以太网帧中的目标MAC地址、目标IP地址和UDP源/目标端口号。由于目标MAC地址为48位宽，而高性能信息处理平台中刀片数量有限(不超过20个)，所以无需进行48位目标MAC地址信息和32位目标IP的完全存储，本发明只存储目标MAC地址低8位(可提供256个目标MAC地址)和目标IP低24位，目标MAC地址其余位和目标IP地址其余位由路由配置模块进行软件在线配置，直接传递给40G以太网发送控制模块。

40G以太网发送控制模块检测到高速数据发送缓存FIFO中非空后，在满足40G以太网帧大小要求的前提下进行高速数据发送缓存FIFO的读数据操作，对读出数据中的检测到帧头标识符的标志位进行判断，决定是否读取路由信息缓存FIFO，即当发送完上一帧数据时，需获取下一帧数据对应的目标MAC地址、目标IP地址和UDP源/目标端口号。该模块将路由信息和有效数据封装成40G以太网包，然后交由40G MAC模块进行发送操作。

40G以太网接收控制模块用于对40G MAC模块接收的40G以太网包数据进行拆包解包操作，根据以太网包内的UDP目标端口号低8位为地址到路由配置模块中读取双口RAM中对应的光纤数据通道号，然后将拆包解包后的包含帧头标识符、业务代码和帧尾标识符的数据存入对应光纤数据通道号的高速数据接收缓存FIFO中，以供对应光纤数据通道发送模块读取并完成发送。

自定义高速通道数据发送控制模块检测到高速数据接收缓存FIFO非空后，进行高速数据接收缓存FIFO的读数据操作，将读取的并行数据转换为高速串行的光数据流。

路由配置模块主要是响应片外CPU的总线操作访问，实现在线配置该以太网节点的源MAC地址、目标MAC地址常数区域和目标IP常数区域。使用双口RAM A存储发送方向的目标MAC地址低8位、目标IP地址低24位和UDP源/目标端口号，以业务号为RAM地址进行双口RAM内容检索；使用双口RAM B存储接收方向的光纤数据通道号，以UDP目标端口号低8位为RAM地址进行双口RAM内容检索；以供发送和接收两个方向的路由信息查询。

实施例

在前后传输带宽匹配的前提下，可支持多通道自定义高速接口与40G以太网进行数据交互，此实施例以3通道光纤数据为例。根据本发明的内容，设计了详细实现方案。

图1为自定义高速接口向40G以太网传输数据方向(发送方向)路由控制结构图。M0为0通道自定义高速数据接收控制模块，M1为1通道自定义高速数据接收控制模块，M2为2通道自定义高速数据接收控制模块，M3为业务代码识别检测模块，M4为0通道对应40G以太网帧路由信息缓存FIFO，M5为1通道对应40G以太网帧路由信息缓存FIFO，M6为2通道对应40G以太网帧路由信息缓存FIFO，M7为0通道对应40G以太网帧高速数据缓存FIFO，M8为1通道对应40G以太网帧高速数据缓存FIFO，M9为2通道对应40G以太网帧高速数据缓存FIFO，M10为40G以太网发送控制模块，M11为发送路由配置模块；虚线框内是本发明外围设备或模块，分别为光纤、CPU和40G MAC模块。

图2为40G以太网向自定义高速接口传输数据方向(接收方向)路由控制结构图。N0为0通道自定义高速数据发送控制模块，N1为1通道自定义高速数据发送控制模块，N2为2通道自定义高速数据发送控制模块，N3为0通道高速数据接收缓存FIFO，N4为1通道高速数据接收缓存FIFO，N5为2通道高速数据接收缓存FIFO，N6为40G以太网接收控制模块，N7为接收路由配置模块；虚线框内是本发明外围设备或模块，分别为光纤、CPU和40G MAC模块。

图3为自定义高速数据流帧结构图，Z0为帧头标识符，Z1为业务代码标识符，以16位宽度为例，可满足256种业务需求，Z2为有效数据，Z3为帧尾标识符。

图4为路由配置模块内发送方向路由信息存储双口RAM A示意图，宽度为64位，深度为256，存储发送方向的目标MAC地址低8位、目标IP地址低24位和UDP源/目标端口号信息。由外围CPU在线配置写入，由业务代码识别检测模块读取。

图5为路由配置模块内接收方向路由信息存储双口RAM B示意图，宽度为8位，深度为256，存储接收方向的光纤数据通道号信息。由外围CPU在线配置写入，由40G以太网接收控制模块读取。

上电后根据系统需求的路由配置，由外围CPU将发送方向的目标MAC地址低8位、目标IP地址低24位和UDP源/目标端口号在线写入配置模块内发送方向路由信息存储双口RAMA中，将接收方向的光纤数据通道号在线写入配置模块内接收方向路由信息存储双口RAM B中，并配置发送方向的目标MAC地址高40位、目标IP地址高8位和该以太网节点的源MAC地址。

发送方向以光纤通道0为例，包含Z0、Z1、Z2、Z3的光数据流经过M0，去除空码，完成数据的串并转换。然后经过M3，检测到帧头标识符时，将检测到帧头标识符的标志位置位；检测到业务代码时，将业务代码乘以8作为地址读取M11内的RAM A，并将所读数据写入M4；检测到帧尾标识符时，将检测到帧头标识符的标志位清零。期间，将有效数据和检测到帧头标识符的标志位存入M7。M10检测到M7非空，读取M4锁存，读取M7，判断检测到帧头标识符的标志位是否为0。帧头标识符的标志位不为0时，在满足40G以太网帧发送要求的情况下继续读取M7，将所读数据打包封装后发送给40G MAC模块；帧头标识符的标志位为0时，停止继续读取M7，将已读数据打包封装发送给40G MAC模块后，如果M4不空再读取M4锁存，用于下一帧光数据的发送路由控制，如此往复。光纤通道1、2与光纤通道0发送流程相同。M10内部有轮询调度机制，完成多通道的依次打包封装。

接收方向以光纤通道0为例，40G以太网帧数据经过N6，检测到目的UDP号后，以目的UDP号低8位作为地址读取M11内的RAM B，根据读回的光数据通道号(假设为0通道)，将该以太网帧数据写入N3，N0检测到N3非空，读取N3数据，进行并串转换，并添加空码，发送到光纤中。

根据上述方案，用Verilog HDL语言对自定义高速接口与40G以太网交互的路由控制功能进行描述，并完成逻辑综合与布局布线；将逻辑设计映射到可编程逻辑器件中实现，并对自定义高速接口与40G以太网交互的路由控制功能进行测试。测试结果表明本发明具有很好的可实施性，且性能满足预期。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于自定义高速接口与以太网交互的路由控制系统，其特征在于，包括业务代码识别检测模块、以太网发送控制模块、以太网接收控制模块、路由配置模块、若干自定义高速通道数据接收控制模块、若干高速数据发送缓存FIFO、若干路由信息缓存FIFO、若干高速数据接收缓存FIFO以及若干自定义高速通道数据发送控制模块；其中：

自定义高速通道数据接收控制模块，用于将高速串行的光数据流转换为并行数据，并行数据位宽为16位，并完成空码的移除操作；

业务代码识别检测模块，对转换后的并行数据进行动态流水识别，时刻检测数据中的帧头标识符、业务代码和帧尾标识符；

高速数据发送缓存FIFO，经过业务代码识别检测后的有效数据和检测到帧头标识符的标志位拼成新的数据存入高速数据发送缓存FIFO中，等待以太网发送控制模块读出数据完成以太网包的封装，然后交由40G MAC模块进行发送操作；

路由信息缓存FIFO，用于存储业务代码识别检测模块自动确定的即将发送的以太网帧中的目标MAC地址、目标IP地址和UDP源/目标端口号；

以太网发送控制模块，用于检测到高速数据发送缓存FIFO中非空后，在满足以太网帧大小要求的前提下进行高速数据发送缓存FIFO的读数据操作，对读出数据中的检测到帧头标识符的标志位进行判断，决定是否读取路由信息缓存FIFO，即当发送完上一帧数据时，需获取下一帧数据对应的目标MAC地址、目标IP地址和UDP源/目标端口号；

以太网接收控制模块，用于对40G MAC模块接收的以太网包数据进行拆包解包操作，根据以太网包内的UDP目标端口号低8位为地址到路由配置模块中读取双口RAM中对应的光纤数据通道号，然后将拆包解包后的包含帧头标识符、业务代码和帧尾标识符的数据存入对应光纤数据通道号的高速数据接收缓存FIFO中，以供对应光纤数据通道发送模块读取并完成发送；

自定义高速通道数据发送控制模块，检测到高速数据接收缓存FIFO非空后，进行高速数据接收缓存FIFO的读数据操作，将读取的并行数据转换为高速串行的光数据流；

路由配置模块，用于响应片外CPU的总线操作访问，实现在线配置该以太网节点的源MAC地址、目标MAC地址常数区域和目标IP常数区域。

2.根据权利要求1所述的用于自定义高速接口与以太网交互的路由控制系统，其特征在于，自定义高速通道数据接收控制模块采用标准IP硬核设计。

3.根据权利要求1或2所述的用于自定义高速接口与以太网交互的路由控制系统，其特征在于，自定义高速通道数据接收控制模块将高速串行的光数据流转换为并行数据，转换后的一帧完整光数据包含帧头标识符、业务代码、有效数据和帧尾标识符。

4.根据权利要求1所述的用于自定义高速接口与以太网交互的路由控制系统，其特征在于，自定义高速数据发送缓存FIFO为先入先出缓冲器。