CN110177058B - 一种基于fpga的以太网交换板卡状态监控收发装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的以太网交换板卡状态监控收发装置，属于通信网络技术领域。该装置中，千兆以太网模块用于实现电平变换、编解码和成解帧功能；以太网交换模块用于实现以太网分组交换处理功能；CPU模块用于实现控制与协议处理、各功能模块的初始化和配置查询功能；FPGA模块用于实时监测、汇集各种状态信息，上报及接收主备切换指令；测温模块用于测量主要芯片周围温度；电源模块用于供电及电源变换功能。本发明采用独立的状态监控以太网接口传递信息，不影响交换设备的正常功能，采用FPGA自动监测板卡状态，可以实现并行处理及实时监测，可以实现状态信息的实时上报及主备状态的快速切换，增强了交换设备的可靠性。

Description

一种基于FPGA的以太网交换板卡状态监控收发装置
技术领域
本发明涉及通信网络技术领域，尤其涉及一种基于FPGA的以太网交换板卡状态监控收发装置。
背景技术
近年来，随着网络技术的快速发展和广泛普及，各行业对网络设备的稳定性、可靠性提出了越来越高的要求。一些关键的高性能复杂应用中，需要能够保证长时间稳定、无误差工作，任何微小的故障都会引起不可估量的损失。
在实际系统中一般通过冗余手段实现系统容错，提高系统的可靠性。冗余系统通常会在原系统的基础上增加一套或更多与原系统或者原系统中的部分重要模块完全相同的系统或模块。在其中一套模块或系统出现故障无法正常运行时，其他正常的系统或模块能够启动运行，接替故障模块或系统正常工作。
考虑到网络规模的发展扩大，如何自动高效监测处理网络设备中存在的故障，如何感知网络传输链路的状态，如何在出现故障时实现网络设备快速恢复，这些实际应用中出现的问题对以太网交换机的状态监控技术提出了新的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于FPGA的以太网交换板卡状态监控收发装置，它可应用于具有冗余以太网交换板的交换设备内，其采用FPGA监测以太网交换板卡的关键部件运行状态、温度、链路状态，通过独立的状态监控以太网接口实时地向主控板上报板卡状态信息及接收主控板的控制信息，以实现以太网交换板卡的状态监控及主备切换功能。
本发明所采取的技术方案为：
一种基于FPGA的以太网交换板卡状态监控收发装置，其包括千兆以太网模块100、以太网交换模块110、CPU模块120、FPGA模块130、测温模块140和电源模块150；其中，
千兆以太网模块100，用于在以太网交换模块110的控制下，将外部输入的电信号进行电平变换、解码和解帧处理后输出至以太网交换模块110；并将以太网交换模块110输出的数据进行编码、成帧、电平变换后对外输出；
以太网交换模块110，用于将与源端口相连的千兆以太网模块100输出数据进行以太网分组交换处理，将处理后的数据交换至以太网交换模块110的目的端口；
CPU模块120，用于以太网交换板的控制与协议处理，是各种协议运行的平台；用于接收网管以太网接口发送的配置管理数据，并将返回数据发送到网管以太网接口；用于完成以太网交换模块110的初始化和配置查询功能；用于通过以太网交换模块110的MDIO接口完成千兆以太网模块100的初始化、配置查询功能；用于完成千兆以太网芯片状态、以太网交换芯片状态、千兆以太网接口状态查询功能；用于定时操作FPGA模块130的指定寄存器，完成CPU软件看门狗功能；用于查询FPGA模块130的主备切换信息，完成板卡的主备切换；
FPGA模块130，用于接收CPU模块120配置的CPU芯片状态、千兆以太网芯片状态、以太网交换芯片状态、千兆以太网接口状态；用于监测CPU软件、FPGA软件的状态；用于查询测温模块140的温度值；用于汇集以太网交换板状态，按自定义格式组成以太网包，并按固定速率上报到状态监控接口；用于接收状态监控接口下发的以太网包，并配置本板的主备状态；
测温模块140，用于测量主要芯片周围的温度；
电源模块150，用于为以太网交换板提供供电及电源变换功能。
进一步地，所述FPGA模块130包括温度监测模块131、数据汇集模块132、FPGA看门狗模块133、状态上报模块134和信息下发模块135；其中，
温度监测模块131，用于定时查询测温模块140的温度值，并将温度值转换为单字节格式；
数据汇集模块132，用于接收CPU模块120配置的CPU芯片状态、千兆以太网芯片状态、以太网交换芯片状态、千兆以太网接口状态；用于接收温度监测模块131发送的温度值；用于通过监测CPU模块120和FPGA看门狗模块133操作的看门狗寄存器，确定CPU软件和FPGA软件的运行状态；用于将各种状态信息汇集发送给状态上报模块134；用于接收信息下发模块135发送的主备切换信息，并上报给CPU模块120；
FPGA看门狗模块133，用于定时操作数据汇集模块132的指定寄存器，以便数据汇集模块132监控FPGA软件的运行情况；
状态上报模块134，用于将本板CPU芯片状态、千兆以太网芯片状态、以太网交换芯片状态、CPU软件状态、FPGA软件状态、千兆以太网接口状态、温度信息按固定格式组成以太网包，并以每秒8000包的速率上报到状态监控接口；
信息下发模块135，用于接收状态监控接口定时发送的固定格式的信息下发包，并将信息下发包解析，将下发的主备切换信息赋给数据汇集模块132相应的CPU接口寄存器。
进一步地，所述FPGA模块上报的以太网包的包长为64字节，其中，目的MAC占6个字节，填写的是主控板的MAC地址；源MAC占6个字节，填写的是本板的MAC地址；长度占2个字节，填写固定值002EH，表明净荷长度为46个字节；帧头占1个字节，范围为00H～FFH，每帧正向递增1的数值；主备状态占1个字节，主状态为33H，备状态为ccH；CPU芯片状态占1个字节，正常为33H，故障为ccH；以太网交换芯片状态占1个字节，正常为33H，故障为ccH；千兆以太网芯片状态占1个字节，正常为33H，故障为ccH；CPU软件状态占1个字节，正常为33H，故障为ccH；FPGA软件状态占1个字节，正常为33H，故障为ccH；千兆以太网接口状态占12个字节，每个字节代表1路接口状态，正常为33H，故障为ccH；温度占4字节，每个字节代表1个温度点的温度值；其他33个字节，填写00H；检验字节占4个字节；该以太网包的发送速率为每秒8000包。
进一步地，所述FPGA模块所接收的状态监控接口下发的以太网包的包长为64个字节，其中，目的MAC占6个字节，填写的是以太网交换板的MAC地址；源MAC占6个字节，填写的是主控板的MAC地址；长度占2个字节，填写固定值002EH，表明净荷长度为46个字节；帧头占1个字节，范围为00H～FFH，每帧正向递增1的数值；切换指令占1个字节，切换成主状态填33H，切换成备状态填ccH；其他44个字节，填写00H；检验字节占4个字节；该以太网包的发送速率为每秒8000包。
本发明与现有技术相比，所取得的有益效果为：
1.本发明采用独立的状态监控以太网接口传递状态监控信息，不占用网管以太网接口，不影响交换设备的正常功能。
2.本发明采用FPGA自动监测以太网交换板卡的各种状态信息，可以实现各种操作的并行处理，可以实现状态信息的实时监测。
3.本发明定义了状态监控以太网包格式及收发速率，可以实现板卡状态信息的实时上报及板卡主备的快速切换，增强了交换设备的可靠性。
附图说明
图1为采用本发明的交换设备的逻辑方框图。
图2为本发明实施例中基于FPGA的以太网交换板卡状态监控收发装置的电原理逻辑方框图。
图3为图2中FPGA模块的逻辑方框图。
图4为本发明实施例中状态上报以太网包的数据格式示意图。
图5为本发明实施例中信息下发以太网包的数据格式示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明技术方案作进一步的详细说明。
图1所示为一种交换设备，为了提高可靠性，该交换设备包含一块主控板和两块具有同样功能的以太网交换板。其中，主控板通过接收两块以太网交换板的状态上报以太网包，判断两块以太网交换板的运行状态，当主以太网交换板出现故障时，通过状态监控接口下发状态下发以太网包，控制以太网交换板的主备切换。
参照图2，一种基于FPGA的以太网交换板卡状态监控收发装置，包括千兆以太网模块100、以太网交换模块110、CPU模块120、FPGA模块130、测温模块140和电源模块150。图2为本发明实施例的电原理逻辑方框图，实施例按图2连接线路。
千兆以太网模块100与以太网交换模块110间的数据接口为SGMII接口，控制接口为MDIO接口，对外接口为1000BASE-T接口，以太网交换模块110与CPU模块120间接口为PCIe接口，CPU模块120对外接口为网管以太网接口，与FPGA模块130间的数据接口为Local Bus接口，FPGA模块130对外接口为独立的状态监控以太网接口，与测温模块140间的数据接口为SMBus接口，电源模块150对外为电源接口。
具体包括：
千兆以太网模块100：在以太网交换模块110的控制下，将外部输入的电信号进行电平变换、解码和解帧处理后输出至以太网交换模块110；以及将以太网交换模块110输出的数据进行编码、成帧、电平变换后对外输出。千兆以太网模块100与以太网交换模块110间的数据接口为SGMII接口，控制接口为MDIO接口，对外接口为1000BASE-T接口。实施例千兆以太网模块100采用Microsemi公司的以太网PHY芯片VSC8512、PUSLE公司的以太网变压器HX5400及RJ45连接器制作。
以太网交换模块110：用于将与源端口相连的千兆以太网模块100输出数据进行以太网分组交换处理，将处理后的数据交换至以太网交换模块110的目的端口。以太网交换模块110与CPU模块120间接口为PCIe接口。实施例以太网交换模块110采用Broadcom公司的以太网交换芯片BCM56334制作。
CPU模块120：用于以太网交换板的控制与协议处理，是各种协议运行的平台；用于接收网管以太网接口发送的配置管理数据，并将返回数据发送到网管以太网接口；用于完成以太网交换模块110的初始化和配置查询功能；用于通过以太网交换模块110的MDIO接口完成千兆以太网模块100的初始化、配置查询功能；用于查询FPGA模块130的主备切换信息，完成板卡的主备切换；用于定时操作FPGA模块130的指定寄存器，以便FPGA模块130监控CPU软件的运行情况。CPU模块120对外接口为网管以太网接口，与FPGA模块130间的数据接口为Local Bus接口。实施例CPU模块120采用Freescale公司的QorIQ P1021处理器、Samsung公司的K9F4G08U0A-PIBO和Micron公司的DDR2SDRAM芯片MT47H128M16RT制作。
FPGA模块130：用于接收CPU模块120配置的CPU芯片状态、千兆以太网芯片状态、以太网交换芯片状态、千兆以太网接口状态；用于监测CPU软件、FPGA软件的状态；用于查询测温模块140的温度值；用于汇集以太网交换板状态，按固定格式组成以太网包，并按固定速率上报到状态监控接口；用于接收状态监控接口下发的以太网包，并配置本板的主备状态。FPGA模块130对外接口为独立的状态监控以太网接口，与测温模块140间的数据接口为SMBus接口。实施例FPGA模块130采用Intel公司的FPGA芯片5CEFA5F23I7和兆易创新公司的FLASH芯片GD25Q127制作。FPGA模块130的逻辑方框图参照图3，FPGA模块130包括温度监测模块131、数据汇集模块132、FPGA看门狗模块133、状态上报模块134和信息下发模块135。
温度监测模块131：用于定时查询测温模块140的温度值，并将温度值转换为单字节格式。
数据汇集模块132：用于接收CPU模块120配置的CPU芯片状态、千兆以太网芯片状态、以太网交换芯片状态、千兆以太网接口状态；用于接收温度监测模块131发送的温度值；通过监测CPU模块120、FPGA看门狗模块133操作的看门狗寄存器，确定CPU软件和FPGA软件的运行状态；将各种状态信息汇集发送给状态上报模块134；接收信息下发模块135发送的主备切换信息，并上报给CPU模块120。
FPGA看门狗模块133：用于定时操作数据汇集模块132的指定寄存器，以便数据汇集模块132监控FPGA软件的运行情况。
状态上报模块134：用于将本板CPU芯片状态、以太网交换芯片状态、千兆以太网芯片状态、CPU软件状态、FPGA软件状态、千兆以太网接口状态、温度信息按自定义格式组成状态上报以太网包，并以每秒8000包的速率上报到状态监控接口。状态上报以太网包格式如图5所示，整个以太网包包长为64个字节，其中，目的MAC占6个字节，填写的是主控板的MAC地址；源MAC占6个字节，填写的是本板的MAC地址；长度占2个字节，填写固定值：002EH，表明净荷长度为46个字节；帧头占1个字节，范围为00H～FFH，每帧正向递增1的数值；主备状态1个字节，主状态：33H，备状态：ccH；CPU芯片状态占1个字节，正常：33H，故障：ccH；以太网交换芯片状态占1个字节，正常：33H，故障：ccH；千兆以太网芯片状态占1个字节，正常：33H，故障：ccH；CPU软件状态占1个字节，正常：33H，故障：ccH；FPGA软件状态占1个字节，正常：33H，故障：ccH；千兆以太网接口状态占12个字节，每个字节代表1路接口状态，正常：33H，故障：ccH；温度占4字节，每个字节代表1个温度点的温度值；其他33个字节，填写00H；检验字节占4个字节。
信息下发模块135：用于接收状态监控接口定时发送的自定义格式的信息下发以太网包，并将信息下发以太网包解析，将下发的主备切换信息赋给数据汇集模块132相应的CPU接口寄存器。信息下发以太网包格式如图5所示，整个以太网包包长为64个字节，其中，目的MAC占6个字节，填写的是以太网交换板的MAC地址；源MAC6个字节，填写的是主控板的MAC地址；长度占2个字节，填写固定值：002EH，表明净荷长度为46个字节；帧头占1个字节，范围为00H～FFH，每帧正向递增1的数值；切换指令占1个字节，切换成主状态：33H，切换成备状态：ccH；其他44个字节，填写00H；检验字节占4个字节。
测温模块140：用于测量主要芯片周围的温度。实施例测温模块140采用NationalSemiconductor公司的温度芯片LM95233制作。
电源模块150：用于为以太网交换板提供供电及电源变换功能。电源模块150对外为电源接口。实施例电源模块150采用SYNQOR公司的电源模块IQ36120QTV10NRS-G、TI公司的电源模块PTH12010LAH、PTH12010WAH、PTH12030LAH、PTH12030WAH和TI公司的开关电源芯片TPS54310PWP、TPS51100DGQ制作。
该装置中，千兆以太网模块用于实现电平变换、编解码和成解帧功能，以太网交换模块用于实现以太网分组交换处理功能，CPU模块用于实现控制与协议处理、各功能模块的初始化和配置查询功能，FPGA模块用于实时监测、汇集各种状态信息，按特定格式组成以太网包上报及接收主备切换指令，测温模块用于测量主要芯片周围温度，电源模块用于供电及电源变换功能。
总之，本发明用独立的状态监控以太网接口传递信息，不影响交换设备的正常功能，采用FPGA自动监测板卡状态，可以实现并行处理及实时监测，可以实现状态信息的实时上报及主备状态的快速切换，增强了交换设备的可靠性。

Claims (4)

1.一种基于FPGA的以太网交换板卡状态监控收发装置，其特征在于：包括千兆以太网模块(100)、以太网交换模块(110)、CPU模块(120)、FPGA模块(130)、测温模块(140)和电源模块(150)；其中，
千兆以太网模块(100)，用于在以太网交换模块(110)的控制下，将外部输入的电信号进行电平变换、解码和解帧处理后输出至以太网交换模块(110)；并将以太网交换模块(110)输出的数据进行编码、成帧、电平变换后对外输出；
以太网交换模块(110)，用于将与源端口相连的千兆以太网模块(100)输出数据进行以太网分组交换处理，将处理后的数据交换至以太网交换模块(110)的目的端口；
CPU模块(120)，用于以太网交换板的控制与协议处理，是各种协议运行的平台；用于接收网管以太网接口发送的配置管理数据，并将返回数据发送到网管以太网接口；用于完成以太网交换模块(110)的初始化和配置查询功能；用于通过以太网交换模块(110)的MDIO接口完成千兆以太网模块(100)的初始化、配置查询功能；用于完成千兆以太网芯片状态、以太网交换芯片状态、千兆以太网接口状态查询功能；用于定时操作FPGA模块(130)的指定寄存器，完成CPU软件看门狗功能；用于查询FPGA模块(130)的主备切换信息，完成板卡的主备切换；
FPGA模块(130)，用于接收CPU模块(120)配置的CPU芯片状态、千兆以太网芯片状态、以太网交换芯片状态、千兆以太网接口状态；用于监测CPU软件、FPGA软件的状态；用于查询测温模块(140)的温度值；用于汇集以太网交换板状态，按自定义格式组成以太网包，并按固定速率上报到状态监控接口；用于接收状态监控接口下发的以太网包，并配置本板的主备状态；
测温模块(140)，用于测量主要芯片周围的温度；
电源模块(150)，用于为以太网交换板提供供电及电源变换功能。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的以太网交换板卡状态监控收发装置，其特征在于：所述FPGA模块(130)包括温度监测模块(131)、数据汇集模块(132)、FPGA看门狗模块(133)、状态上报模块(134)和信息下发模块(135)；其中，
温度监测模块(131)，用于定时查询测温模块(140)的温度值，并将温度值转换为单字节格式；
数据汇集模块(132)，用于接收CPU模块(120)配置的CPU芯片状态、千兆以太网芯片状态、以太网交换芯片状态、千兆以太网接口状态；用于接收温度监测模块(131)发送的温度值；用于通过监测CPU模块(120)和FPGA看门狗模块(133)操作的看门狗寄存器，确定CPU软件和FPGA软件的运行状态；用于将各种状态信息汇集发送给状态上报模块(134)；用于接收信息下发模块(135)发送的主备切换信息，并上报给CPU模块(120)；
FPGA看门狗模块(133)，用于定时操作数据汇集模块(132)的指定寄存器，以便数据汇集模块(132)监控FPGA软件的运行情况；
状态上报模块(134)，用于将本板CPU芯片状态、千兆以太网芯片状态、以太网交换芯片状态、CPU软件状态、FPGA软件状态、千兆以太网接口状态、温度信息按固定格式组成以太网包，并以每秒8000包的速率上报到状态监控接口；
信息下发模块(135)，用于接收状态监控接口定时发送的固定格式的信息下发包，并将信息下发包解析，将下发的主备切换信息赋给数据汇集模块(132)相应的CPU接口寄存器。
3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的以太网交换板卡状态监控收发装置，其特征在于：所述FPGA模块上报的以太网包的包长为64字节，其中，目的MAC占6个字节，填写的是主控板的MAC地址；源MAC占6个字节，填写的是本板的MAC地址；长度占2个字节，填写固定值002EH，表明净荷长度为46个字节；帧头占1个字节，范围为00H～FFH，每帧正向递增1的数值；主备状态占1个字节，主状态为33H，备状态为ccH；CPU芯片状态占1个字节，正常为33H，故障为ccH；以太网交换芯片状态占1个字节，正常为33H，故障为ccH；千兆以太网芯片状态占1个字节，正常为33H，故障为ccH；CPU软件状态占1个字节，正常为33H，故障为ccH；FPGA软件状态占1个字节，正常为33H，故障为ccH；千兆以太网接口状态占12个字节，每个字节代表1路接口状态，正常为33H，故障为ccH；温度占4字节，每个字节代表1个温度点的温度值；其他占33个字节，填写00H；检验字节占4个字节；该以太网包的发送速率为每秒8000包。
4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的以太网交换板卡状态监控收发装置，其特征在于：所述FPGA模块所接收的状态监控接口下发的以太网包的包长为64个字节，其中，目的MAC占6个字节，填写的是以太网交换板的MAC地址；源MAC占6个字节，填写的是主控板的MAC地址；长度占2个字节，填写固定值002EH，表明净荷长度为46个字节；帧头占1个字节，范围为00H～FFH，每帧正向递增1的数值；切换指令占1个字节，切换成主状态填33H，切换成备状态填ccH；其他占44个字节，填写00H；检验字节占4个字节；该以太网包的发送速率为每秒8000包。
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