CN112543142B - 基于fpga实现rstp环网协议的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA实现RSTP环网协议的方法和装置，包括接收由FPGA发送的第一报文，所述第一报文的报文头包括顺次设置的TAG字段、目的MAC地址和源MAC地址，所述TAG字段用于区分FPGA的不同物理端口；当基于所述第一报文中的目的MAC地址判断出报文内容为网桥协议数据报文时，基于所述第一报文形成第二报文，所述第二报文的报文头包括顺次设置的目的MAC地址、源MAC地址和RSTP类型字段；利用报文处理函数解析所述第二报文，并基于解析结果中的RSTP链路状态，发送信号至FPGA设定FPGA各物理端口的工作状态，实现RSTP环网协议。本发明可根据实际运行模式灵活配置物理端口，且硬件构成简单，以较少的成本实现电力系统智能设备支持RSTP环网通讯协议。

Description

基于FPGA实现RSTP环网协议的方法和装置

技术领域

本发明属于电力系统智能设备领域，具体涉及一种基于FPGA实现RSTP环网协议的方法和装置。

背景技术

在电力系统智能设备领域，对于可靠性要求比较高的场合通常采用冗余网络结构，提供稳定可靠的网络通信。RSTP环网技术由于发展较为成熟，能够节省网络设备成本，因而在电力和工业以太网中得到广泛应用。

由于电力系统智能设备的普通网口一般只具备常规的网络通信功能，为了实现支持RSTP环网协议，早期通常采用增加交换机或者附加交换芯片的方式来实现，这种方式不仅会导致硬件结构复杂，增加成本，还无法实现运行模式的灵活切换。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于FPGA实现RSTP环网协议的方法和装置，通过FPGA扩展出多个物理端口(即网口)，FPGA、网卡驱动单元和RSTP进程单元协同工作实现RSTP环网协议，并且可根据实际运行模式灵活配置物理端口，且硬件构成简单，以较少的成本实现电力系统智能设备支持RSTP环网通讯协议。

为了实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

第一方面，本发明提供了一种基于FPGA实现RSTP环网协议的方法，包括：

接收由FPGA发送的第一报文，所述第一报文的报文头包括顺次设置的TAG字段、目的MAC地址和源MAC地址，所述TAG字段用于区分FPGA的不同物理端口；

当基于所述第一报文中的目的MAC地址判断出报文内容为网桥协议数据报文时，则基于所述第一报文形成第二报文，所述第二报文的报文头包括顺次设置的目的MAC地址、源MAC地址和RSTP类型字段；

利用报文处理函数解析所述第二报文，并基于解析结果中的RSTP链路状态，发送信号至FPGA设定FPGA各物理端口的工作状态，实现RSTP环网协议。

可选地，所述TAG字段包括：标识符、逻辑网口编号和物理端口掩码；所述RSTP类型字段包括：RSTP类型标识和物理端口掩码。

可选地，所述基于FPGA实现RSTP环网协议的方法还包括：

当基于所述第一报文中的目的MAC地址判断出报文内容为普通报文时，则直接去除所述第一报文中的TAG字段，然后转交网络协议栈处理；其中，所述TAG字段包括：标识符和逻辑网口编号。

可选地，所述第一报文通过以下步骤获得：

FPGA从物理端口接收网络报文时，首先判断接收到的网络报文中的目的MAC地址是否匹配本地网卡的MAC地址，如果匹配则在所述接收到的网络报文的目的MAC地址前填充TAG字段，形成第一报文。

第二方面，本发明提供了一种基于FPGA实现RSTP环网协议的方法，包括：

当判断出待发送报文内容为网桥协议数据报文后，在所述待发送报文的头部添加TAG字段，并删除其尾部的RSTP类型字段，所述TAG字段用于区分FPGA的不同端口；

将所述待发送报文发送至FPGA，使得FPGA按照TAG字段从指定的端口将所述待发送报文发送出去。

可选地，所述方法还包括：

当判断出待发送报文的类型为普通报文后，则在所述待发送报文的头部添加TAG字段；

将所述待发送报文发送至FPGA，供FPGA识别所述待发送报文的目的MAC地址去查找各物理端口的MAC地址列表；

若在某物理端口收到过源MAC地址为该目的MAC地址的报文，则在该物理端口的MAC地址学习表中能够匹配到，即选择该物理端口发送，如果所有物理端口都没有匹配到，则从所有物理端口分别将所述待发送报文发送出去。

可选地，在将所述待发送报文发送出去步骤之前，还包括：

根据各物理端口的状态，选择是否发送或者丢弃报文，所述物理端口状态包括转发、学习或者丢弃状态。

第三方面，本发明提供了一种基于FPGA实现RSTP环网协议的装置，包括FPGA、网卡驱动单元和RSTP进程单元；

所述FPGA和网卡驱动单元之间传递第一报文，所述第一报文的报文头包括顺次设置的TAG字段、目的MAC地址和源MAC地址，所述TAG字段用于区分FPGA的不同端口；

当所述网卡驱动单元基于第一报文中的目的MAC地址判定所述第一报文为网桥协议数据报文时，则基于所述第一报文形成第二报文，所述第二报文的报文头包括顺次设置的目的MAC地址、源MAC地址和RSTP类型字段；

所述RSTP进程单元利用内置的报文处理函数解析所述第二报文，基于解析结果中RSTP链路状态，发送信号至FPGA设定FPGA各端口的工作状态，实现RSTP环网协议。

可选地，所述TAG字段包括：标识符、逻辑网口编号和物理端口掩码；所述RSTP类型字段包括：RSTP类型标识和物理端口掩码。

可选地，当RSTP进程单元将待发送报文发送至所述网卡驱动单元后，若所述述网卡驱动单元判断出待发送报文为网桥协议数据报文，则在所述待发送报文的头部添加TAG字段，并删除其尾部的RSTP类型字段，所述TAG字段用于区分FPGA的不同端口，将所述待发送报文发送至FPGA，使得FPGA按照TAG字段从指定的物理端口将所述待发送报文发送出去。

可选地，当RSTP进程单元将待发送报文发送至所述网卡驱动单元后，若所述述网卡驱动单元判断出待发送报文为普通报文，则在所述待发送报文的头部添加TAG字段，所述TAG字段用于区分FPGA的不同物理端口；

将所述待发送报文发送至FPGA，供FPGA识别所述待发送报文的目的MAC地址去查找各物理端口的MAC地址列表；

若在某物理端口收到过源MAC地址为该目的MAC地址的报文，则在该物理端口的MAC地址列表中能够匹配到，即选择该物理端口发送，如果所有物理端口都没有匹配到，则从所有物理端口分别将所述待发送报文发送出去。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明提供了一种基于FPGA实现RSTP环网协议的方法和装置，通过FPGA扩展出多个物理端口(即网口)，FPGA程序、网卡驱动和RSTP进程协同工作实现RSTP环网协议，并且可根据实际运行模式灵活配置物理端口，且硬件构成简单，以较少的成本实现电力系统智能设备支持RSTP环网通讯协议。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1为本发明一种实施例的第一报文的报文头结构示意图；

图2为本发明一种实施例的第二报文的报文头结构示意图；

图3为本发明一种实施例的基于FPGA实现RSTP环网协议的结构示意图；

图4为本发明一种实施例的网络报文接收流程图；

图5为本发明一种实施例的网络报文发送流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

实施例1

本发明实施例中提供了一种基于FPGA实现RSTP环网协议的方法，用于完成网络报文接收，具体包括以下步骤：

(1)接收由FPGA发送的第一报文，所述第一报文的报文头包括顺次设置的TAG字段、目的MAC地址和源MAC地址，其中，所述TAG字段用于区分FPGA的不同端口；具体参见图1；

(2)当基于所述第一报文中的目的MAC地址判断出所述第一报文为网桥协议数据报文时，则基于所述第一报文形成第二报文，所述第二报文的报文头包括顺次设置的目的MAC地址、源MAC地址和RSTP类型字段，具体参见图2；

(3)利用报文处理函数解析所述第二报文，并基于解析结果中的RSTP链路状态，发送信号至FPGA设定FPGA各端口的工作状态，实现RSTP环网协议；所述工作状态包括转发、学习、阻塞等。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述第一报文通过以下步骤获得：

首先，FPGA根据其各物理端口接收到的网络传输报文中源MAC地址维护自身的MAC地址学习表；FPGA的物理端口是对外的网口，用于接收或者发送网络传输报文，实现与其他设备之间的通讯，所述设备包括相连的CPU和FPGA；

然后，判断所述网络传输报文中的目的MAC地址是否匹配本地网卡的MAC地址，如果匹配则在所述网络传输报文的目的MAC地址前填充TAG字段，形成第一报文。其中，当所述FPGA的端口接收到的网络报文为普通报文时，所述TAG字段包括：标识符、逻辑网口编号；当所述FPGA的端口接收到的网络报文为网桥协议数据报文(即BPDU报文)时，所述TAG字段包括：标识符、逻辑网口编号和物理端口掩码。

具体地，所述第一报文的实际生成过程为：在接收到的网络传输报文的目的MAC地址的前面添加4个字节的TAG字段，其中TAG字段的第一个字节为标识符0xAA；第二个字节为逻辑网口编号；第三个字节默认为0x00；第四个字节为物理端口掩码，每个bit位对应实际的RSTP物理端口，该字节只在RSTP协议的BPDU报文中使用，普通网络报文只需填充标识符和逻辑网口编号，其余字节默认为0；

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述RSTP类型字段包括：RSTP类型标识和物理端口掩码；所述当基于所述第一报文中的目的MAC地址判断出报文内容为网桥协议数据报文时，基于所述第一报文形成第二报文，具体为：

由于BPDU报文的目的MAC地址为固定值，因此，可以通过识别所述第一报文的目的MAC地址来判断是否为BPDU报文，对于BPDU报文，则在源MAC地址后面添加4个字节的RSTP报文类型字段，形成第二报文，其中前两个字节为RSTP类型标识，第三字节默认为0，最后一个字节为物理端口掩码，每个bit位对应实际的物理端口，即系统对外的网口，与FPGA相连。

进一步地，所述步骤(2)中还包括：当基于所述第一报文中的目的MAC地址判断出所述第一报文为普通报文时，则直接去除所述第一报文中的TAG字段，然后转交网络协议栈处理；其中，所述TAG字段包括：标识符和逻辑网口编号。

实施例2

本发明实施例中提供了一种基于FPGA实现RSTP环网协议的方法，在具体实施过程中，用于完成网络报文发送，具体包括以下步骤：

(1)当判断出待发送报文的类型为网桥协议数据报文后，在所述待发送报文的头部添加TAG字段，并删除其尾部的RSTP类型字段，所述TAG字段用于区分FPGA的不同物理端口；

(2)将所述待发送报文发送至FPGA，使得FPGA按照TAG字段从指定的物理端口将所述待发送报文发送出去。

进一步地，在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述方法还包括：

(3)当判断出待发送报文的类型为普通报文后，则在所述待发送报文的头部添加TAG字段；

(4)将所述待发送报文发送至FPGA，供FPGA识别所述待发送报文的目的MAC地址去查找各物理端口的MAC地址学习表；

(5)若在某物理端口收到过源MAC地址为该目的MAC地址的报文，则在该物理端口的MAC地址学习表中能够匹配到，即选择该物理端口发送，如果所有物理端口都没有匹配到，则从所有物理端口分别将所述待发送报文发送出去。

优选地，在利用FPGA将报文发送出去之间，还需要判断出FPGA各物理端口的状态，来选择是否发送或者丢弃报文。

实施例3

本发明实施例中提供了一种基于FPGA实现RSTP环网协议的装置，如图3所示，包括顺次相连的FPGA、网卡驱动单元和RSTP进程单元；

当利用本发明实施例中的装置接收网络报文时，具体过程为：

所述FPGA向网卡驱动单元发送第一报文，所述第一报文的报文头包括顺次设置的TAG字段、目的MAC地址和源MAC地址，所述TAG字段用于区分FPGA的不同物理端口，供网卡驱动单元区分报文来自哪个网口；

当所述网卡驱动单元基于第一报文中的目的MAC地址判定报文内容为网桥协议数据报文时，则生成第二报文，所述第二报文的报文头包括顺次设置的目的MAC地址、源MAC地址和RSTP类型字段；

所述RSTP进程单元利用内置的报文处理函数解析所述第二报文，基于解析结果中RSTP链路状态，发送信号至FPGA设定FPGA各物理端口的工作状态，实现RSTP环网协议。

当利用本发明实施例中的装置发送网络报文时，具体过程为：

当RSTP进程单元将待发送报文发送至所述网卡驱动单元后，网卡驱动单元判断出待发送报文为网桥协议数据报文，则在所述待发送报文的头部添加TAG字段，并删除其尾部的RSTP类型字段，所述TAG字段用于区分FPGA的不同物理端口，其包括：标识符、逻辑网口编号和物理物理端口掩码，将所述待发送报文发送至FPGA，使得FPGA按照TAG字段从指定的物理端口将所述待发送报文发送出去。

当上层应用需要发送普通网络报文时，，网卡驱动单元判断出待发送报文为普通报文，则在所述待发送报文的头部添加TAG字段，所述TAG字段用于区分FPGA的不同物理端口，其包括：标识符、逻辑网口编号；将所述待发送报文发送至FPGA，FPGA识别所述待发送报文的目的MAC地址去查找各物理端口的MAC地址学习表；若在某物理端口收到过源MAC地址为该目的MAC地址的报文，则在该物理端口的MAC地址学习表中能够匹配到，即选择该物理端口发送，如果所有物理端口都没有匹配到，则从所有物理端口分别将所述待发送报文发送出去。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，在FPGA按照设定规则发送出去步骤之前，还包括：判断出FPGA各物理端口的状态，来选择是否发送或者丢弃报文。

本发明实施例中的基于FPGA实现RSTP环网协议的装置，能够被用于实现将CPU的原生网卡连接到FPGA扩展出多网口，从而实现RSTP环网协议，具体包括以下过程：

将网卡驱动单元和RSTP进程单元内置与CPU中；

设FPGA具有两个物理端口，分别为物理端口A和物理端口B，并将这两个物理端口等效为同一个逻辑网卡，即两个物理端口使用同一个IP地址和MAC地址，在实际使用时，当FPGA接收到网络报文后，在其头部添加TAG字段来区分不同端口接收到的网络报文，当CPU发送网络报文时，通过在网络报文的头部添加TAG字段来指定FPGA的发送端口；进一步地，对于普通网络报文，端口A和端口B使用同一个物理端口掩码，网卡驱动单元不区分具体的端口，网络报文交给FPGA转发时，由FPGA根据端口MAC地址学习表匹配结果和端口状态选择具体的发送端口。对于RSTP协议的BPDU报文，端口A和端口B使用不同的物理端口掩码加以区分，网卡驱动单元识别报文的目的MAC地址为0x0180c2000000判断为BPDU报文，在报文的源MAC地址后面添加4个字节的RSTP报文类型字段，前两个字节为报文类型标识符，定义为0x80fd，最后一个字节为物理端口掩码，如端口A为0x01。

如图4所示，本发明实施例中的装置RSTP模式下接收网络报文的流程具体为：

(1)FPGA的物理端口(比如端口A)接收到网络报文后，在网络报文的目的MAC之前添加TAG字段，学习所述网络报文的源MAC地址，并更新该端口的MAC地址列表；

(2)FPGA根据所述网络报文的目的MAC地址判断与本地网卡MAC地址是否匹配，如果匹配则填充TAG字段(0xAA010000)转给网卡驱动单元接收；如果不匹配则说明所述网络报文不需要本节点(即CPU与FPGA形成的设备)接收，判断FPGA的另一端口(端口B)是否在转发状态，若在转发状态则将报文交由物理端口B转发出去，否则将所述网络报文直接丢弃处理；

(3)网卡驱动单元(即网卡驱动程序)接收到FPGA传递过来的网络报文，判断所述网络报文目的MAC地址是否为0x0180c2000000来识别BPDU报文，对于BPDU报文，则网卡驱动单元在源MAC地址后面添加4个字节的RSTP报文类型字段，内容为0x80fd0001(对应端口A接收的BPDU报文)，并发送至RSTP进程单元；对于普通报文，则网卡驱动单元直接取出TAG字段后，转交网络协议栈处理；

(4)RSTP进程单元通过0x80fd类型标识获取BPDU报文，基于BPDU报文解析出RSTP链路的状态信息，并基于所述状态信息设定FPGA网络端口的工作状态(转发、学习或者阻塞)，具体地：启动RSTP进程单元，注册类型标识为0x80fd的报文处理函数，解析BPDU报文获取当前RSTP环网的各节点(即CPU与FPGA形成的设备)信息，在RSTP环网中需要选定两个节点之间的链路为阻塞状态，以实现逻辑上的解环避免形成网络风暴。由RSTP进程单元设定本节点参与环网的网络端口工作状态(包括转发、学习、阻塞)，在网络节点之间互通BPDU报文，实现RSTP环网在逻辑上进行解环。

如图5所示，本发明实施例中的装置RSTP模式下发送网络报文的流程具体为：

(1)RSTP进程单元将待发送报文发送至网卡驱动单元，所述网卡驱动单元判断所述待发送报文目的MAC地址是否为0x0180c2000000来识别是否为BPDU报文；

(2)对于BPDU报文，由于RSTP进程单元已在报文的源MAC地址后面填充了4字节的RSTP报文类型字段，内容为0x80fd0001(对应端口A发送的BPDU报文)，网卡驱动单元将此字段去除，并在报文头部添加给FPGA的TAG字段，内容为0xAA010001，指定FPGA从端口A发送。

(3)对于普通网络报文，网卡驱动单元在报文头部添加TAG字段(0xAA010000)，FPGA识别报文的目的MAC地址去查找其各个端口学习到的MAC地址学习表，如果在端口A收到过源MAC地址为此MAC地址的报文，则在端口A的MAC地址学习表中能够匹配到，即选择端口A发送，如果两个端口都没有匹配到，选择从两个端口都发送，其中，FPGA是否将所述待发送报文发送出去，还需要根据RSTP进程单元设定的本端口状态来选择是否发送或者丢弃报文。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (11)

1.一种基于FPGA实现RSTP环网协议的方法，其特征在于，包括：

接收由FPGA发送的第一报文，所述第一报文的报文头包括顺次设置的TAG字段、目的MAC地址和源MAC地址，所述TAG字段包括：标识符、逻辑网口编号和物理端口掩码；所述TAG字段用于区分FPGA的不同物理端口；

当基于所述第一报文中的目的MAC地址判断出报文内容为网桥协议数据报文时，则基于所述第一报文形成第二报文，所述第二报文的报文头包括顺次设置的目的MAC地址、源MAC地址和RSTP类型字段；

利用报文处理函数解析所述第二报文，并基于解析结果中的RSTP链路状态，发送信号至FPGA设定FPGA各物理端口的工作状态，实现RSTP环网协议。

2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA实现RSTP环网协议的方法，其特征在于，所述RSTP类型字段包括：RSTP类型标识和物理端口掩码。

3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA实现RSTP环网协议的方法，其特征在于，基于FPGA实现RSTP环网协议的方法还包括：

当基于所述第一报文中的目的MAC地址判断出报文内容为普通报文时，则直接去除所述第一报文中的TAG字段，然后转交网络协议栈处理；其中，所述TAG字段包括：标识符和逻辑网口编号。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种基于FPGA实现RSTP环网协议的方法，其特征在于，所述第一报文通过以下步骤获得：

FPGA从物理端口接收网络报文时，首先判断接收到的网络报文中的目的MAC地址是否匹配本地网卡的MAC地址，如果匹配则在所述接收到的网络报文的目的MAC地址前填充TAG字段，形成第一报文。

5.一种基于FPGA实现RSTP环网协议的方法，其特征在于，包括：

当判断出待发送报文内容为网桥协议数据报文后，在所述待发送报文的头部添加TAG字段，并删除其尾部的RSTP类型字段，所述TAG字段用于区分FPGA的不同物理端口；所述TAG字段包括：标识符、逻辑网口编号和物理端口掩码；所述报文的头部包括顺次设置的TAG字段、目的MAC地址和源MAC地址；

将所述待发送报文发送至FPGA，使得FPGA按照TAG字段从指定的端口将所述待发送报文发送出去。

6.根据权利要求5所述的一种基于FPGA实现RSTP环网协议的方法，其特征在于，所述方法还包括：

当判断出待发送报文的类型为普通报文后，则在所述待发送报文的头部添加TAG字段；将所述待发送报文发送至FPGA，供FPGA识别所述待发送报文的目的MAC地址去查找各物理端口的MAC地址列表；

若在某物理端口收到过源MAC地址为该目的MAC地址的报文，则在该物理端口的MAC地址学习表中能够匹配到，即选择该物理端口发送，如果所有物理端口都没有匹配到，则从所有物理端口分别将所述待发送报文发送出去。

7.根据权利要求5或6所述的一种基于FPGA实现RSTP环网协议的方法，其特征在于：在将所述待发送报文发送出去步骤之前，还包括：

根据各物理端口的状态，选择是否发送或者丢弃报文，所述物理端口状态包括转发、学习或者丢弃状态。

8.一种基于FPGA实现RSTP环网协议的装置，其特征在于：包括FPGA、网卡驱动单元和RSTP进程单元；

所述FPGA和网卡驱动单元之间传递第一报文，所述第一报文的报文头包括顺次设置的TAG字段、目的MAC地址和源MAC地址，所述TAG字段用于区分FPGA的不同端口；

当所述网卡驱动单元基于第一报文中的目的MAC地址判定所述第一报文为网桥协议数据报文时，则基于所述第一报文形成第二报文，所述第二报文的报文头包括顺次设置的目的MAC地址、源MAC地址和RSTP类型字段；

所述RSTP进程单元利用内置的报文处理函数解析所述第二报文，基于解析结果中RSTP链路状态，发送信号至FPGA设定FPGA各端口的工作状态，实现RSTP环网协议。

9.根据权利要求8所述的一种基于FPGA实现RSTP环网协议的装置，其特征在于：所述TAG字段包括：标识符、逻辑网口编号和物理端口掩码；所述RSTP类型字段包括：RSTP类型标识和物理端口掩码。

10.根据权利要求8所述的一种基于FPGA实现RSTP环网协议的装置，其特征在于，当RSTP进程单元将待发送报文发送至所述网卡驱动单元后，若所述述网卡驱动单元判断出待发送报文为网桥协议数据报文，则在所述待发送报文的头部添加TAG字段，并删除其尾部的RSTP类型字段，所述TAG字段用于区分FPGA的不同端口，将所述待发送报文发送至FPGA，使得FPGA按照TAG字段从指定的物理端口将所述待发送报文发送出去。

11.根据权利要求8所述的一种基于FPGA实现RSTP环网协议的装置，其特征在于，当RSTP进程单元将待发送报文发送至所述网卡驱动单元后，若所述述网卡驱动单元判断出待发送报文为普通报文，则在所述待发送报文的头部添加TAG字段，所述TAG字段用于区分FPGA的不同物理端口；

将所述待发送报文发送至FPGA，供FPGA识别所述待发送报文的目的MAC地址去查找各物理端口的MAC地址列表；

若在某物理端口收到过源MAC地址为该目的MAC地址的报文，则在该物理端口的MAC地址列表中能够匹配到，即选择该物理端口发送，如果所有物理端口都没有匹配到，则从所有物理端口分别将所述待发送报文发送出去。

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