CN110213118B - 一种fc网络系统及其流量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种FC网络系统及其流量控制方法，属于网络系统控制技术领域。本发明首先实时检测FC转接卡各数据端口的数据流量；然后将FC转接卡各数据端口的流量发送给HBA卡；最后根据接收到的各数据端口流量控制HBA卡的数据流量发送带宽。本发明通过检测FC转接卡各数据端口的数据流量，并根据各数据端口的数据流量控制HBA卡的数据流量发送带宽，使得HBA卡能够根据目的端口的流量控制自身的发送带宽，保证原有流量控制机制的基础上可有效降低某一端口触发流控对整个网络带宽的影响，从而提高网络数据交互的效率。

Description

一种FC网络系统及其流量控制方法

技术领域

本发明涉及一种FC网络系统及其流量控制方法，属于网络系统控制技术领域。

背景技术

FC-AE作为一种新型的光纤通道技术，具有高带宽、低延时、高可靠性、高抗干扰性的特点，在航空航天等高可靠领域有了较多的使用。目前符FC-AE-ASM协议的FC网络已作为主干网络应用于航空产品的通信网络系统，为新一代飞机上各子系统之间的互联提供通信支持。

在系统整体设计过程中，虽然采用FC网络作为主干网络，但是一些子系统内部的各功能模块之间基于通信要求、有效数据量及技术成熟度等因素考虑，会选用以太网作为子系统内部的局部总线使用；由于接入设备众多，节点间通信情况复杂。需要对网络中各信号的流量进行有效的规划防止FC总线网络带宽资源浪费。目前FC网络中各节点间可通过检测信用值查询实现缓存到缓存的流量控制，可有效提供网络数据传输的可靠性避免流量冲突导致数据丢失。如图1所示，在该种情况下，HBA卡1和HBA卡2分别与FC转接卡通信的数据分别从以太网接口1和以太网接口2进行通信。若此时HBA卡1和FC转接卡以太网接口1通信正常，没有触发流控；HBA卡2在和FC转接卡通信时数据流量较大，超过了以太网接口2的流量上限，则能够触发FC的流控机制，从而使得FC交换机的第三端口信用值变为0，不再发包。此时由于HBA卡的数据也是从FC交换机的第三端口输出给FC转接卡，由于没有信用值导致HBA卡1从以太网接口1的数据无法输出。由于HBA卡2的流量超出上限影响了HBA卡1数据的发送，若HBA卡1和HBA卡2同时触发流量控制，则从以太网接口1和以太网接口2实际输出的数据带宽约为实际带宽的30％左右。因此在节点众多的FC网络系统中，每个FC转接卡通过协议转换可实现与多个接口或多种总线的连接和交互，此时若其中某一个接口触发流量控制机制，将导致其他端口数据通信带宽降低，降低整个FC网络的数据通信效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种FC网络系统的流量控制方法，以解决目前FC网络系统流量控制方式导致FC网络数据通信效率低的问题。同时本发明还提供了一种FC网络系统。

本发明为解决上述技术问题而提供一种FC网络系统的流量控制方法，该控制方法包括以下步骤：

1)实时检测FC转接卡各数据端口的数据流量；

2)将FC转接卡各数据端口的流量发送给HBA卡；

3)根据接收到的各数据端口流量控制HBA卡的数据流量发送带宽。

本发明通过检测FC转接卡各数据端口的数据流量，并根据各数据端口的数据流量控制HBA卡的数据流量发送带宽，使得HBA卡能够根据目的端口的流量控制自身的发送带宽，保证原有流量控制机制的基础上可有效降低某一端口触发流控对整个网络带宽的影响，从而提高网络数据交互的效率。

进一步地，所述步骤2)中是通过广播的形式将各数据端口流量发送给HBA卡的。HBA卡通过广播的形式接收数据端口的流量，能够快速获取各数据端口的流量。

进一步地，所述步骤1)中的还包括对检测的数据流量进行状态分级，流量状态分为空闲、将空闲、半满负荷、将满负荷和满负荷5个等级，步骤2)是将FC转接卡各数据端口流量状态发送给HBA卡。

进一步地，所述的FC转接卡与FC交换机之间采用互为冗余的双通道进行通信，所述FC转接卡中还设置有冗余管理模块，用于实现发送端口和接收端口两个数据帧方向的冗余控制。本发明采用的冗余的方式进行数据传输，提供数据传输的可靠性。

本发明那个还提供了一种FC网络系统，包括依次连接的FC转接卡、FC交换机和HBA卡，所述的FC转接卡中设置有端口流量监控模块，用于实时检测FC转接卡各数据端口的数据流量，并将各数据端口的流量发送给FC交换机；所述FC交换机设置有端口流量监控模块，用于记录FC转接卡中各数据端口的流量，并将其发送给HBA卡；所述HBA卡用于根据接收到的各数据端口流量控制自身数据流量发送带宽。

进一步地，所述FC交换机是通过广播的形式将各数据端口的流量发送给HBA卡的。

进一步地，所述FC转接卡中的端口流量监控模块还用于对检测的数据流量进行状态分级，流量状态分为空闲、将空闲、半满负荷、将满负荷和满负荷5个等级，并将FC转接卡各数据端口流量状态发送给FC交换机。

进一步地，所述的FC转接卡与FC交换机之间采用互为冗余的双通道进行通信，所述FC转接卡中还设置有冗余管理模块，用于实现发送端口和接收端口两个数据帧方向的冗余控制。

进一步地，所述的FC转接卡还设置有监控配置模块，用于收集FC转接卡当前工作状态，包括当前的FC接口工作速率和转发的FC数据数目，并用于对FC转接卡内部工作状态进行配置。

进一步地，所述FC转接卡周期性将各数据端口的流量状态发送给FC交换机，FC交换机中的端口流量监控模块根据各数据端口的流量状态生成端口流量记录表，将生成的端口流量记录表发送给各HBA卡以控制HBA卡的数据流发送带宽，并实时广播给各FC转接卡用于更新当前FC网络中各数据端口的流量状态。

附图说明

图1是现有技术中FC网络原理框图；

图2是FC网络系统原理框图；

图3是FC以太网转接卡功能框图；

图4是以太网数据处理模块功能框图；

图5是数据转换模块功能框图；

图6是FC交换机模块功能框图。

具体实施方式

本发明一种FC网络系统的实施例

本发明的FC网络系统包括HBA(主机总线适配器)卡、FC交换机和FC转接卡设备，其原理框图如图2所示，其中FC交换机上连接的FC转接卡和HBA卡的数目可根据实际需求来设置。FC转接卡用于实现CAN、以太网、串口和视频等信号到FC信号的转换，通过HBA卡和计算机连接。FC网络系统自身具备流量控制机制，可保证数据可靠传输。但是这种流量控制机制会影响链路带宽的整体利用效率，尤其是在转接卡设备中，通过FC转接设备可实现FC网络与其他总线网络交互的情况，如以太网、CAN总线等，这些总线整体带宽较低，以太网为千兆或百兆，CAN总线带宽不大于1M。在规划节点卡时会出现多种或多路信号转换为一路FC信号在FC网络系统中交互的情况，可有效增加网络节点数目和提高FC总线带宽的利用率。为此，本发明提出了一种FC网络系统，该网络系统的FC转接卡中设置有端口流量监控模块，用于实时检测FC转接卡各数据端口的数据流量，确定各数据端口的流量状态，并将各数据端口的流量状态发送给FC交换机；FC交换机设置有端口流量监控模块，用于记录FC转接卡中各数据端口的流量，并将其发送给HBA卡；HBA卡用于根据接收到的各数据端口流量状态控制自身数据流量发送带宽。

具体而言，FC转接卡通过FPGA芯片实现，为实现转换功能，FPGA芯片内部包括以太网数据处理模块、CAN数据处理模块、端口流量监控模块、数据转换模块、冗余管理模块、FC数据处理模块和监控配置模块，如图3所示。

其中端口流量监控模块用于实时检测当前各数据端口的数据流量，并根据数据流量确定其流量状态，将流量状态记录下来，记录表格式如表1所示。流量状态分为空闲、将空闲、半满负荷、将满负荷和满负荷5个等级。通过3bit数字记录当前状态000、001、010、011、100。其中空闲时当前端口没有数据发送，当数据流量小于25％带宽时显示为“将空闲”状态；端口流量大于25％小于50％时为“半满负荷”状态；端口流量大于50％小于80％时为“将满负荷”状态。并周期发送各端口流量状态到FC交换机或其他设备。流量状态的划分不限于上述划分方式，也可以根据实际情况进行适应性调整。

表1

端口号	流量情况
		1	000
2	000
		3	000

以太网数据处理模块包括接收端缓存模块、接收帧统计模块、MAC地址提取模块、发送端缓存模块和发送帧统计模块，如图4所示。其中接收端缓存模块用于将来自外部的以太网数据存储起来，其他模块可通过控制缓存读使能信号来从接收端缓存模块中读取数据。接收帧统计模块用于记录当前接收端缓存模块中存入的以太网数据帧的个数，当有一帧数据完全写入接收端缓存模块时该接收帧统计模块将加1；当有一帧数据从接收端缓存模块中完全读出时帧计数将减1；同时该接收帧统计模块产生一个接收端缓存模块读使能控制信号，当统计的缓存中帧数目大于等于1时读信号使能开启，否则读使能关闭，将不能从缓存中读取数据。

MAC地址提取模块用于从接收的以太网数据帧中提取出目的MAC地址和源MAC地址，其中目的MAC地址被传递给数据转换模块使用，源MAC地址将记录在MAC地址表中用作当前网口的标识符，通过查询该地址信息可实现以太网信号的正确分发。

发送端缓存模块用于将来自数据转换模块转换的以太网数据存储起来，通过控制缓存读使能信号来从发送端缓存模块中逐帧读取数据并发送给外部芯片(FC交换机)。发送帧统计模块用于记录当前发送端缓存中存入的以太网数据帧的个数，当有一帧数据完全写入发送端缓存模块时该模块将加1；当有一帧数据从发送端缓存模块中完全读出时帧计数将减1；同时该发送帧统计模块产生一个发送端缓存读使能控制信号，当统计的缓存中帧数目大于等于1时读信号使能开启，否则读使能关闭，将不能从缓存中读取数据。从而保证数据帧能够完整的逐帧进行发送。

数据转换模块的一端用于将以太网数据帧转换FC数据帧，另一端用于将接收的FC数据帧转换为以太网数据帧发送出来，数据转换模块中包括目的MAC地址映射模块、以太网信号获取模块、FC数据帧输出模块、FC数据帧输入模块、以太网信号提取模块、MAC地址提取模块和数据分发模块。数据转换模块功能框图如图5所示。

目的MAC地址映射模块中维护有一张地址映射表，如表2所示。通过该映射表可以将当前以太网数据帧的目的MAC地址为FC数据帧的D_ID地址用于后续数据交互；该地址映射表可通过外部配置端口进行配置。

表2

目的MAC地址	FC_DID
		MAC1	DID1
MAC2	DID2
		MAC3	DID3

以太网信号获取模块通过检测各接收帧统计模块中帧的数目来判断当前是否有数据需要发送，当有数据需要发送时，以太网信号获取模块控制FC数据帧输出模块开始组帧，并将待发送数据从接收端缓存模块中取出，进行数据发送。

FC数据帧输出模块用于根据目的MAC地址映射模块中产生的D_ID信号进行数据组帧，并根据以太网信号获取模块的控制信号将以太网数据组装在数据帧的数据域中进行发送。

FC数据帧输入模块用于接收来自前端模块(FC设备)输出的FC数据帧并产生各字节的指示信号。

以太网信号提取模块根据FC数据帧输入模块输入的数据帧将数据域中的以太网信号输出出来。

MAC地址提取模块中维护有一张地址查找表，如表3所示。用于将以太网信号提取模块中输出的以太网信号中的目的MAC地址提取出来，并产生对应的端口号，控制分发模块实现以太网数据的正确分发。

表3

目的MAC地址	端口号
		MAC1	1
MAC2	2

数据分发模块根据MAC地址提取模块产生的控制信号将以太网数据分发到正确的端口上去。

监控配置模块用于对当前转换卡的工作状态进行收集并上报，待上报的信息存放在一个存储器中，通过查询相应的地址信息可获取相应的上报内容。上报的内容如表4所示，包括转换装置当前的FC接口工作速率、转发的FC数据数目等。同时，也可通过串口对内部工作状态进行配置，例如手动更新MAC地址与FC的D_ID信息的配置表以及选择FC光链路的工作速率等。

表4

为了确保光纤通道的可靠性，FC转接卡的物理层采用双通道互为备份的冗余模式，因此在FPGA内部需要提供冗余管理模块。冗余管理模块在FC节点卡中起到发送端口和接收端口两个数据帧方向的冗余控制。在FC节点卡正常工作模式下，在发送数据帧方向，冗余模块接收到发送缓存模块发送过来的数据帧，按照数据帧内部发送A、B网络的标示，把数据帧通过两个不同的FC MAC控制器发送到网卡外部。在接收数据帧方向，冗余管理模块首先对FC数据帧进行完整性校验，确认有效的帧才能进行接收。当两个通道的数据帧都通过完整性校验时，冗余管理模块优先接收最先到达的FC数据帧，并同时将后到达的数据丢弃，保证数据的可靠且唯一。

FC数据处理模块由光电收发器、GTX(高速串行收发器)及FC_IP核等实现。通过光电收发器实现FC电信号至光信号的转换；Serdes基于FPGA的GTX，实现FC信号的串/并转换、8B/10B编码、时钟恢复以及CRC校验等功能；采用FC MAC协议IP核处理FC链路原语信号及原语序列，实现对FC数据帧的解析和封装。

FC交换机如图6所示，其端口流量监控模块将来自FC转接卡各端口的流量情况记录下来，格式如表5所示。并通过广播的形式将端口流量记录表发送给各HBA卡，同时FC交换机主动将各节点卡上报的状态信息维护至记录表中，并实时广播给各节点卡用于更新当前FC网络中各端口的流量状态。各HBA卡在发送数据前根据接收到的端口流量统计情况来分配自身流量发送的带宽。

表5

将本发明的FC网络系统应用到图1中的网络系统，由于FC转接卡的以太网接口1和以太网接口2都是千兆以太网，在没有和其他卡进行通信时，此时能够传输数据的最大带块为1000Mbps，HBA卡2此时知道FC转接卡的以太网接口2最多能够发送1000M的数据，则HBA卡2在进行数据发送时就会直接进行控制，不发送超过1000M的数据。FC转接卡在接收到来自HBA卡2的数据之后就不会触发FC流控从而保证HBA卡1和FC转接卡的以太网接口1的通信不受影响，提高整个网络的带宽利用率。即本发明在数据发送前会主动将FC转接卡各端口的流量状态发送给各HBA卡，使得HBA卡在进行数据发送时不发送超过各端口数据传输能力的信号，提高了数据传输效率。

本发明的一种FC网络系统的流量控制方法的实施例

本实施例中的流量控制方法首先实时检测FC转接卡各数据端口的数据流量；然后将FC转接卡各数据端口的流量发送给HBA卡；最后根据接收到的各数据端口流量控制HBA卡的数据流量发送带宽。该方法的具体实现手段已在FC网络系统的实施例中进行了详细说明，这里不再赘述。

本发明能够检测FC转接卡中各数据端口的流量状态，并将各数据端口的流量状态发送给HBA卡，由HBA卡通过查表可获取目的节点端口当前的流量状态，从而根据目的节点端口当前的流量状态控制HBA自身发送的流量带宽，提高了各端口的带宽利用率，使得整个FC网络的数据通信效率也得到提升。

Claims (10)

1.一种FC网络系统的流量控制方法，其特征在于，该控制方法包括以下步骤：

1)实时检测FC转接卡各数据端口的数据流量；

2)将FC转接卡各数据端口的流量发送给HBA卡；

3)根据接收到的各数据端口流量控制HBA卡的数据流量发送带宽。

2.根据权利要求1所述的FC网络系统的流量控制方法，其特征在于，所述步骤2)中是通过广播的形式将各数据端口流量发送给HBA卡的。

3.根据权利要求1或2所述的FC网络系统的流量控制方法，其特征在于，所述步骤1)中的还包括对检测的数据流量进行状态分级，流量状态分为空闲、将空闲、半满负荷、将满负荷和满负荷5个等级，步骤2)是将FC转接卡各数据端口流量状态发送给HBA卡。

4.根据权利要求1或2所述的FC网络系统的流量控制方法，其特征在于，所述的FC转接卡与FC交换机之间采用互为冗余的双通道进行通信，所述FC转接卡中还设置有冗余管理模块，用于实现发送端口和接收端口两个数据帧方向的冗余控制。

5.一种FC网络系统，包括依次连接的FC转接卡、FC交换机和HBA卡，其特征在于，所述的FC转接卡中设置有端口流量监控模块，用于实时检测FC转接卡各数据端口的数据流量，并将各数据端口的流量发送给FC交换机；所述FC交换机设置有端口流量监控模块，用于记录FC转接卡中各数据端口的流量，并将其发送给HBA卡；所述HBA卡用于根据接收到的各数据端口流量控制自身数据流量发送带宽。

6.根据权利要求5所述的FC网络系统，其特征在于，所述FC交换机是通过广播的形式将各数据端口的流量发送给HBA卡的。

7.根据权利要求5或6所述的FC网络系统，其特征在于，所述FC转接卡中的端口流量监控模块还用于对检测的数据流量进行状态分级，流量状态分为空闲、将空闲、半满负荷、将满负荷和满负荷5个等级，并将FC转接卡各数据端口流量状态发送给FC交换机。

8.根据权利要求5所述的FC网络系统，其特征在于，所述的FC转接卡与FC交换机之间采用互为冗余的双通道进行通信，所述FC转接卡中还设置有冗余管理模块，用于实现发送端口和接收端口两个数据帧方向的冗余控制。

9.根据权利要求5所述的FC网络系统，其特征在于，所述的FC转接卡还设置有监控配置模块，用于收集FC转接卡当前工作状态，包括当前的FC接口工作速率和转发的FC数据数目，并用于对FC转接卡内部工作状态进行配置。

10.根据权利要求7所述的FC网络系统，其特征在于，所述FC转接卡周期性将各数据端口的流量状态发送给FC交换机，FC交换机中的端口流量监控模块根据各数据端口的流量状态生成端口流量记录表，将生成的端口流量记录表发送给各HBA卡以控制HBA卡的数据流发送带宽，并实时广播给各FC转接卡用于更新当前FC网络中各数据端口的流量状态。

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