CN113438568A - 一种fc交换主机装置及交换方法 - Google Patents

Abstract

FC交换主机装置包括FC交换逻辑和CPU系统软件；FC交换逻辑由16个输入控制器、16个输出控制器、交换模块和PCIE控制器组成，可以实现16端口的FC交换。其中，输入控制器主要完成帧解析，输出控制器主要完成流控和发送，交换模块主要完成帧的调度，PCIE控制器主要完成帧交互以及寄存器连接。系统软件分为驱动程序模块、E端口模块、F端口模块和管理模块。驱动模块位于底层，主要进行初始化的工作，并为上层应用提供支持；E端口模块主要是完成交换机之间的互连登录；F端口模块和HBA的N端口交互完成登录功能；通过管理模块，用户可以；设置和查询端口状态、端口数据统计、出错统计、设置路由表、配置超时计数器等。

Description

一种FC交换主机装置及交换方法

技术领域

本发明涉及一种FC交换主机装置及交换方法，属于通讯技术领域。

背景技术

FC(光纤通道)协议，作为下一代高速通讯传输领域的主要协议，因其低延迟和高可靠等优点，被广泛应用于通讯技术领域。FC交换机，即光纤通道交换机，由于其核心地位和重要作用，被各大公司和科研院所争相研究和开发。

随着技术的不断更迭，FC交换机已经从最初的1Gbps、2Gbps向4Gbps、8Gbps甚至更高的速率发展，然而国外的厂家几乎垄断了FC交换机市场，而且国内研制FC交换机的过程中，不时伴随着国外对核心芯片的禁运。因此，具有自主知识产权的FC交换机和交换方法研究具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了FC交换主机装置包括FC交换逻辑和CPU系统软件；FC交换逻辑由16个输入控制器、16个输出控制器、交换模块和PCIE控制器组成，可以实现16端口的FC交换。其中，输入控制器主要完成帧解析，输出控制器主要完成流控和发送，交换模块主要完成帧的调度，PCIE控制器主要完成帧交互以及寄存器连接。系统软件分为驱动程序模块、E端口模块、F端口模块和管理模块。驱动模块位于底层，主要进行初始化的工作，并为上层应用提供支持；E端口模块主要是完成交换机之间的互连登录；F端口模块和HBA的N端口交互完成登录功能；通过管理模块，用户可以；设置和查询端口状态、端口数据统计、出错统计、设置路由表、配置超时计数器等。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

本发明实施例提供一种FC交换主机装置，包括输入控制器、输出控制器、交换模块、PCIE控制器、驱动程序模块、E端口模块、F端口模块、管理模块；

输入控制器用于接收GTX通道发送的FC数据，将FC数据分为转发到其它端口的数据、送给上层软件处理的数据，并分别写入相应的FIFO；

交换模块采用CROSSBAR无阻塞结构，对所有FIFO中的数据进行过滤，然后根据优先级对数据进行仲裁调度，根据仲裁调度结果，将转发到其它端口的数据发送给输出控制器，将送给上层软件处理的数据发送到PCIE控制器；

输出控制器用于从FIFO中读出数据并进行流控，完成发送后进行RDY指示，输出控制器还用于数据位转换；

PCIE控制器用于交换模块、驱动程序模块、E端口模块、F端口模块、管理模块之间的数据传输；

驱动程序模块用于为E端口模块、F端口模块、管理模块提供驱动服务；

E端口模块用于完成FC Fabric配置管理和数据交换、FSPF路由算法和协议，以及Fabric转发表的建立、维护和更新；

F端口模块用于将接收到的数据进行解封装并提取相应字段，然后填写发送帧后封装，最后调用帧发送函数将封装好的帧发送给PCIE控制器；

管理模块用于对FC交换主机装置进行初始设置、状态查询。

本发明一实施例中，输出控制器用于完成17位数据到33位数据的转换。

本发明一实施例中，输入控制器、输出控制器、交换模块、PCIE控制器均采用FPGA实现。

本发明一实施例中，驱动程序模块提供的驱动服务至少包括初始化缓存、获取数据指针、接收和发送数据、申请地址、回收地址、读端口计数器、复位端口计数器、设置bbcredit值、读bbcredit值、复位bbcredit值、读链路的超时计数值、设置链路的超时计数值、读链路溢出的报警信号、读链路的建立情况、读链路状态、设置路由、环回测试。

本发明一实施例中，FC交换主机装置共包括多个输入控制器和多个输出控制器。

本发明一实施例中，PCIE控制器还用于提供复位信号，并收集驱动程序模块、E端口模块、F端口模块、管理模块的状态信息和出错信息。

本发明一实施例中，输出控制器包括EOF检测模块、RDY控制模块、流控模块、Sender模块；

EOF检测模块用于监测EOF结束标志，以确定一帧传输完毕让输出控制中的状态机发生跳转；RDY控制模块根据授权信号即能确定向外给出一个RDY的发送信号；流控模块接收输入端口传送过来的RDY指示，以及输出端口检测到得EOF指示，将RDY指示和EOF指示转发给交换模块，作为流控的指示；Sender模块负责发送数据到GTX通道。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明交换模块采用CROSSBAR无阻塞结构，然后根据优先级对数据进行仲裁调度，可以有效提高调度效率。

(2)本发明上层软件可以对整个交换过程进行实时监控和管理，便于实时定位故障。

(3)本发明可以有效的减少输入信号的对头阻塞现象，以及输出端口并行调度和输出，能给有效的提高处理速度和提高吞吐量。

(4)FC交换过程主要在FPGA内部实现，可以摆脱特定专用实现芯片的束缚，固化为自主知识产权的IP核，便于迁移和推广。

附图说明

图1为本发明实施例的方法所基于的FC交换总体实现框图；

图2为本发明实施例的方法所基于的输入控制器逻辑原理框图；

图3为本发明实施例的方法所基于的输出控制器逻辑原理框图；

图4为本发明实施例的方法所基于的交换模块逻辑原理框图；

图5为本发明实施例的方法所基于的系统软件组成框图。

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，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

实施例1：

一种FC交换主机装置，包括输入控制器、输出控制器、交换模块、PCIE控制器、驱动程序模块、E端口模块、F端口模块、管理模块；

输入控制器用于接收GTX通道发送的FC数据，将FC数据分为转发到其它端口的数据、送给上层软件处理的数据，并分别写入相应的FIFO；

交换模块采用CROSSBAR无阻塞结构，对所有FIFO中的数据进行过滤，然后根据优先级对数据进行仲裁调度，根据仲裁调度结果，将转发到其它端口的数据发送给输出控制器，将送给上层软件处理的数据发送到PCIE控制器；

输出控制器用于从FIFO中读出数据并进行流控，完成发送后进行RDY指示，输出控制器还用于数据位转换；

PCIE控制器用于交换模块、驱动程序模块、E端口模块、F端口模块、管理模块之间的数据传输；

驱动程序模块用于为E端口模块、F端口模块、管理模块提供驱动服务；

E端口模块用于完成FC Fabric配置管理和数据交换、FSPF路由算法和协议，以及Fabric转发表的建立、维护和更新；

F端口模块用于将接收到的数据进行解封装并提取相应字段，然后填写发送帧后封装，最后调用帧发送函数将封装好的帧发送给PCIE控制器；

管理模块用于对FC交换主机装置进行初始设置、状态查询。

输出控制器用于完成17位数据到33位数据的转换。

输入控制器、输出控制器、交换模块、PCIE控制器均采用FPGA实现。

驱动程序模块提供的驱动服务至少包括初始化缓存、获取数据指针、接收和发送数据、申请地址、回收地址、读端口计数器、复位端口计数器、设置bbcredit值、读bbcredit值、复位bbcredit值、读链路的超时计数值、设置链路的超时计数值、读链路溢出的报警信号、读链路的建立情况、读链路状态、设置路由、环回测试。

本发明一实施例中，输出控制器包括EOF检测模块、RDY控制模块、流控模块、Sender模块；

EOF检测模块用于监测EOF结束标志，以确定一帧传输完毕让输出控制中的状态机发生跳转；RDY控制模块根据授权信号即能确定向外给出一个RDY的发送信号；流控模块接收输入端口传送过来的RDY指示，以及输出端口检测到得EOF指示，将RDY指示和EOF指示转发给交换模块，作为流控的指示；Sender模块负责发送数据到GTX通道。

实施例2：

基于实施例1，结合图1所示的FC交换总体实现框图、图2所示的输入控制器逻辑原理框图、图3所示的输出控制器逻辑原理框图、图4所示的输出控制器逻辑原理框图以及图5所示的系统软件组成框图，下面对本发明方法作进一步描述。

如图1所示，FC交换的实现需要FC交换逻辑和CPU系统软件的配合。FC交换逻辑存在于国产FPGA内部，由16个输入控制器、16个输出控制器、交换模块和PCIE控制器组成，可以实现16端口的FC交换。其中，输入控制器主要完成帧解析，输出控制器主要完成流控和发送，交换模块主要完成帧的调度，PCIE控制器主要完成帧交互以及寄存器连接。系统软件分为驱动程序模块、E端口模块、F端口模块和管理模块。驱动模块位于底层，主要进行初始化的工作，并为上层应用提供支持；E端口模块主要是完成交换机之间的互连登录；F端口模块和HBA的N端口交互完成登录功能；通过管理模块，用户可以；设置和查询端口状态、端口数据统计、出错统计、设置路由表、配置超时计数器等。

如图2所示，输入控制器将GTX通道输入的FC数据，进行字同步、链路激活、帧过滤以及帧解析等操作。将数据分为两类，即转发到其它端口的数据、送给上层软件处理的数据，并将其写入相应的FIFO。在接收GTX通道传过来的数据后，进行3种处理：过滤出其中的原语，直接转发到输出端口；登陆帧转发到PCIE控制器；转发到其它端口的帧，等待交换模块交换。

如图3所示，输出控制器主要是处理从交换模块转发过来的数据，有一个模块用来监测EOF结束标志。这个监测模块一方面用来告诉一帧传输完毕让输出控制中的状态机发生跳转，同时根据授权信号即能知道向其相应的输入端口的输出端口给出一个RDY的发送信号。流控模块接收输入端口传送过来的RDY指示，以及输出端口检测到得EOF指示，将其转发给交换模块，作为流控的指示。Sender模块负责发送数据到GTP通道。

如图4所示，交换模块采用的是输入和输出双调度方案。采用该种方案，可以有效的减少输入信号的对头阻塞现象，以及输出端口并行调度和输出，能给有效的提高处理速度和提高吞吐量。输出端根据得到的优先级，进行仲裁从而得到授权信号(即允许哪个输入可以输出数据)，再根据输入端的子端口号(即输入端口中FIFO的编号)就能确定FIFO中数据的输出。根据授权信号和输入端FIFO子端口号控制好开关的接通，并输出数据到输出端。根据输出端FIFO输入时的监测模块来告诉一帧数据发送完毕，进行开关控制；同时进行下一次输出。

如图5所示，系统软件包括驱动程序模块、E端口模块、F端口模块和管理模块。驱动模块位于底层，主要进行初始化的工作，并为上层应用提供支持；E端口模块用于完成FCFabric配置管理和数据交换、FSPF路由算法和协议，以及Fabric转发表的建立、维护和更新；F端口模块用于将接收到的数据进行解封装并提取相应字段，然后填写发送帧后封装，最后调用帧发送函数将封装好的帧发送给PCIE控制器；通过管理模块，用户可以设置和查询端口状态、端口数据统计、出错统计、设置路由表、配置超时计数器等。

具体的FC交换的实现步骤如下：

步骤1.光信号通过光模块转换成数字信号，然后进入国产FPGA内部，通过GTX通道，经过8b/10b译码，串行数据转换成16位的并行数据，并将其传入输入控制器。

步骤2.输入控制器进行字同步，链路激活和帧解析，完成对FC帧的解析功能。过滤出其中的原语，直接转发到输出端口；登陆帧转发到PCIE控制器；转发到其它端口的帧，等待交换模块交换。

步骤3.交换模块根据调度器给的指令，对从输入控制器输入的数据进行优先级过滤，并采用CROSSBAR的无阻塞结构，仲裁器对仲裁结果进行输出控制，最后将要转发的数据传给输出控制器。

步骤4.输出控制器根据得到的优先级，进行仲裁从而得到授权信号(即允许哪个输入可以输出数据)，再根据输入控制器的子端口号(即输入端口中FIFO的编号)就能确定FIFO中数据的输出。根据授权信号和输入端FIFO子端口号控制好开关的接通，并输出数据到输出端。根据输出端FIFO输入时的监测模块来告诉一帧数据发送完毕，进行开关控制；同时进行下一次输出。

步骤5.输出控制器完成输出端口的FIFO调度，将数据帧，命令帧，原语从FIFO中适时读出，完成流控的功能，完成发送RDY指示，完成17位数据到33位数据的转换。

步骤6.PCIE控制器与上层软件配合，完成数据交换的过程，主要是FC登陆时的登录帧和一些控制帧的处理，完成对于每个输入端口的路由表的配置和更新。

PCIE控制器为底层的所有模块提供全局的复位信号，以及输入输出的相关的几个独立的复位信号。对底层的状态信息和出错信息进行收集管理，统一到PCIE内部的寄存器空间中，便于上层软件及时得到底层的运行状态并针对错误给出相应的错误处理操作。

驱动模块为上层应用程序(F端口模块、E端口模块和管理模块)提供的一些功能服务，包括：初始化缓存、获取数据指针、接收和发送数据、申请地址、回收地址、读端口计数器、复位端口计数器、设置bbcredit值、读bbcredit值、复位bbcredit值、读链路的超时计数值、设置链路的超时计数值、读链路溢出的报警信号、读链路的建立情况、读链路状态、设置路由、环回测试等。

F端口模块将收到的帧进行解封装，提取相应字段，然后填写发送帧，并进行帧封装，然后调用API模块中的帧发送函数将封装好的帧传给下层硬件。

E端口模块进行初始化、主交换机选择和domain_id分配、FSPF服务。

管理模块进行交换机初始参数设置、路由表及其它项设置、统计量(包括各端口收发数据统计、出错统计、拓扑信息等)收集、SNMP Agent、交换机状态查询等。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种FC交换主机装置，其特征在于，包括输入控制器、输出控制器、交换模块、PCIE控制器、驱动程序模块、E端口模块、F端口模块、管理模块；

输入控制器用于接收GTX通道发送的FC数据，将FC数据分为转发到其它端口的数据、送给上层软件处理的数据，并分别写入相应的FIFO；

交换模块采用CROSSBAR无阻塞结构，对所有FIFO中的数据进行过滤，然后根据优先级对数据进行仲裁调度，根据仲裁调度结果，将转发到其它端口的数据发送给输出控制器，将送给上层软件处理的数据发送到PCIE控制器；

输出控制器用于从FIFO中读出数据并进行流控，完成发送后进行RDY指示，输出控制器还用于数据位转换；

PCIE控制器用于交换模块、驱动程序模块、E端口模块、F端口模块、管理模块之间的数据传输；

驱动程序模块用于为E端口模块、F端口模块、管理模块提供驱动服务；

E端口模块用于完成FC Fabric配置管理和数据交换、FSPF路由算法和协议，以及Fabric转发表的建立、维护和更新；

F端口模块用于将接收到的数据进行解封装并提取相应字段，然后填写发送帧后封装，最后调用帧发送函数将封装好的帧发送给PCIE控制器；

管理模块用于对FC交换主机装置进行初始设置、状态查询。

2.根据权利要求1所述的FC交换主机装置，其特征在于，输出控制器用于完成17位数据到33位数据的转换。

3.根据权利要求1所述的FC交换主机装置，其特征在于，输入控制器、输出控制器、交换模块、PCIE控制器均采用FPGA实现。

4.根据权利要求1所述的FC交换主机装置，其特征在于，驱动程序模块提供的驱动服务至少包括初始化缓存、获取数据指针、接收和发送数据、申请地址、回收地址、读端口计数器、复位端口计数器、设置bbcredit值、读bbcredit值、复位bbcredit值、读链路的超时计数值、设置链路的超时计数值、读链路溢出的报警信号、读链路的建立情况、读链路状态、设置路由、环回测试。

5.根据权利要求1所述的FC交换主机装置，其特征在于，FC交换主机装置共包括多个输入控制器和多个输出控制器。

6.根据权利要求1所述的FC交换主机装置，其特征在于，PCIE控制器还用于提供复位信号，并收集驱动程序模块、E端口模块、F端口模块、管理模块的状态信息和出错信息。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的FC交换主机装置，其特征在于，输出控制器包括EOF检测模块、RDY控制模块、流控模块、Sender模块；

EOF检测模块用于监测EOF结束标志，以确定一帧传输完毕让输出控制中的状态机发生跳转；RDY控制模块根据授权信号即能确定向外给出一个RDY的发送信号；流控模块接收输入端口传送过来的RDY指示，以及输出端口检测到得EOF指示，将RDY指示和EOF指示转发给交换模块，作为流控的指示；Sender模块负责发送数据到GTX通道。

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