CN113810109A - 一种多协议多业务光纤通道控制器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多协议多业务光纤通道控制器及其工作方法，该控制器包含物理接口模块、主机接口逻辑模块、发送控制逻辑模块、多业务QoS配置模块、多协议解析模块、接收控制模块、流量控制模块、端口状态机模块和数据存储模块。通过该控制器可以解决光纤通道支持用户协议单一、大容量数据及控制信息发送冲突的问题，可以实现多用户协议兼容、音视频等大容量数据高带宽和控制信息的实时性传输。

Description

一种多协议多业务光纤通道控制器及其工作方法

技术领域

本发明属于信息传输技术领域，具体涉及一种多协议多业务光纤通道控制器及其工作方法。

背景技术

随着光纤通信传输技术和计算机网络技术的迅速发展，以及电子网络结构复杂化和大数据通信传输的应用背景需求，将光纤传输技术应用于电子系统网络已成为当今装备网络互联技术的重要研究和发展方向之一。光纤通道(Fibre Channel，FC)是一种具有高带宽、低延迟、远距离传输特性的网络技术。它以其传输速率高、兼容多种用户通信协议，具有开放的标准等特点，可以满足未来电子环境发展需求。

FC协议是美国国际信息技术标准委员会于1998年开始制定的一种高速串行通信协议。FC-AE标准是Fibre Channel-Avionics Environment的简称，即光纤通道在航空电子领域的应用，是美国标准委员会专门成立的航空电子环境的分委会制定的光纤总线在航空电子领域的应用标准协议。FC-AE协议是一组协议簇，这些协议主要用于航空电子的控制工作、命令指示或传感器数据的分配，标准所涉及的应用协议都有着许多相同的特点，如实时性、高可靠性、可确定性带宽等，支持多种用户协议。

现有光纤通道设计中，一般只支持一种或两种用户协议且业务控制方法单一，难以同时满足音视频数据的高带宽和控制、命令消息的高实时性传输需求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种多协议多业务光纤通道控制器及其工作方法。以解决现有技术中的光纤通道难以支持一种或两种用户协议，且业务控制方法单一，难以同时满足音视频数据的高带宽和控制、命令消息的高实时性传输需求。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种多协议多业务光纤通道控制器，包括：

物理接口模块，用于从发送端接收输入数据并进行串并转换，将串并转换后的输入数据进行解码；以及用于接收拆解后的输出数据并进行串并联转换，将串并联转换后的输出数据进行编码，并发送至接收端；

多协议解析模块，用于解析解码后的输入数据，获得输入数据的帧起始界定符和帧头及用户协议帧头；

接收控制逻辑模块，用于接收输入数据的帧起始界定符、帧头及用户协议帧头，将数据存储在数据存储模块中，并传递数据的错误状态、数据长度、数据存储地址、协议类型上报至主机接口逻辑模块；

主机接口逻辑模块，用于根据主机的数据接口类型，将输入数据的接口类型转换为主机的接口类型；用于根据接收端的数据接口类型，将输出数据的接口类型转换为接收端的数据接口类型；

多业务QoS配置模块，用于根据主机的输出指令，判断输出数据的用户协议，配置输出数据的优先级；

发送控制逻辑模块，用于根据输出数据的用户协议和优先级，拆解数据，将数据对应协议的标识符设置在数据中。

本发明的进一步改进在于：

优选的，所述多协议解析模块还能够对原语信号和原语序列进行检测。

优选的，所述多业务QoS配置模块还能够根据多协议解析模块传递的数据判断接收端是否具有接收数据的能力。

优选的，还包括流量控制模块，所述流量控制模块通过多协议解析模块发送的原语信号，能够获得发送端的信用量和接收端的信用量。

优选的，还包括端口状态机，用于端口的链路初始化，链路错误的恢复，完成链路控制功能。

优选的，在数据通信前，发送端通过端口状态机、发送控制逻辑模块和物理接口模块实现协议原语信号的接收，当端口状态机跳转到激活状态时，发送端和主机握手成功。

优选的，在数据通信前，接收端通过物理接口模块、多协议解析模块和端口状态机模块实现协议原语信号的接收，当端口状态机跳转到激活状态时，主机和接收端握手成功。

一种上述的多协议多业务光纤通道控制器的工作方法，包括以下步骤：

步骤1，接收数据并进行串并转换，将串并转换后的数据进行解码；

步骤2，解析解码后的数据，获得数据的帧起始界定符、帧头及用户协议；

步骤3，将数据存储在数据存储模块中，并传递数据的帧起始界定符、帧头及用户协议至主机接口逻辑模块；

步骤4，根据用户的接口类型，将数据的接口类型转换为用户的接口类型。

一种上述的多协议多业务光纤通道控制器的工作方法，包括以下步骤：

步骤1，接收用户传递的指令，将数据接口类型转换为数据接收端的数据类型；

步骤2，根据用户传递的数据输出指令，判断待输出数据的用户协议，配置待输出数据的优先级；

步骤3，根据待输出数据的用户协议和优先级，拆解数据，将数据对应协议的标识符设置在数据中；

步骤4，将拆解后的输出数据进行并串转换并编码，传递至接收端。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种多协议多业务光纤通道控制器，该控制器包含物理接口模块、主机接口逻辑模块、发送控制逻辑模块、多业务QoS配置模块、多协议解析模块、接收控制模块、流量控制模块、端口状态机模块和数据存储模块。通过该控制器可以解决光纤通道支持用户协议单一、大容量数据及控制信息发送冲突的问题，可以实现多用户协议兼容、音视频等大容量数据高带宽和控制信息的实时性传输。

本发明公开了一种上述的多协议多业务光纤通道控制器的工作方法，用于解决异构网络融合中多种业务数据传输需求不同的问题，实现控制、命令消息的高实时性和音视频等大数据的高带宽传输。专利中的多协议多业务设计及其控制方法在光纤通道控制器设计中具有普适性，可以通过不同的协议和业务配置适用于不同特性的光纤通道控制器设计，具有广泛的使用范围，能够产生较大的经济效益。

附图说明

图1为一种多协议多业务光纤通道控制器及其控制方法逻辑框图

图2为具有PCIe接口、支持四种协议、优先级配置的多协议多业务光纤通道控制器逻辑设计图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种多协议多业务光纤通道控制器包含物理接口模块、主机接口逻辑模块、发送控制逻辑模块、多业务QoS配置模块、多协议解析模块、接收控制模块、流量控制模块、端口状态机模块和数据存储模块。

物理接口模块实现发送数据的并串转换、接收数据的串并转换、编码/解码、字同步、速率匹配等功能，将处理后的数据传递给多协议解析模块。字同步功能主要实现将解码后的数据按照总线协议规定组合为32位的数据和控制字符；速率匹配功能主要实现协议规定的速率协商功能，实现发送端和接收端的速率匹配。

主机接口逻辑模块是系统主机与光纤通道控制器间的连接接口，可以通过一种或多种类型接口实现，实现系统主机对光纤通道控制器寄存器的配置和读取，及数据存储模块中发送数据的写入和接收数据的读取。

发送控制逻辑包括了FC-FS协议中FC1层所有的发送功能和FC-FS协议中部分FC2层发送功能。FC组帧包含帧起始界定符、FC帧头、FC协议帧头、帧载荷、CRC及帧结束界定符，根据支持的用户协议进行组帧，每种协议具有不同的FC帧头内容和协议帧头，在FC组帧时需要根据不同的协议类型选择不同的FC帧头内容及协议帧头。在逻辑设计中，可以通过主状态机和子状态机的形式进行设计，主状态机实现多种协议的管理，子状态机具体实现各个协议的功能。模块根据FC帧长度完成对数据的拆帧，同时将每帧对应的帧状态(包含FC帧长度、起始/结束界定度类型)暂存，在数据发送时根据不同的帧状态选择不同的帧界定符，并控制发送逻辑。

多业务QoS配置模块实现多种用户协议、多业务及不同优先级的配置，是主机接口逻辑模块和发送控制逻辑模块间的关键模块。

流量控制模块通过原语信号的发送和接收完成控制器的信用量管理。在数据传输过程中，当一个设备接收到的帧数据超过其自身可以处理的最大帧数时，就会产生数据丢失的现象。在控制器出现了信用量丢失的情况下进行信用量恢复，提高链路数据传输可靠性，避免接收和发送的数据帧的丢失。光纤通道协议中的流量控制采用了信用机制，通过信用量的检测和控制，保证了通信的通畅，避免了网络的阻塞，确保了数据传输的完整性。

流量控制模块通过接收到原语R_RDY、来计算对方端口当前信用量，以及信用量恢复。BB_Credit表示接收缓存的个数。BB_Credit_Cnt表示目的端口当前已被占用的缓存区个数。在通信过程中，发送完一帧后，BB_Credit_Cnt进行加1。同时接收到原语信号R_RDY表明目标端口处理完一帧数据，缓存区多出一帧的空余存储空间，BB_Credit_Cnt进行减1操作。当BB_Credit_Cnt等于BB_Credit时，表明目标端口缓存区全被占用，此时发送端口将不进行发送操作，直到接收到R_RDY的原语信号。

端口状态机用来控制光纤通道中各个端口的链路初始化，链路错误的恢复，实现链路状态的激活和数据的正常传输。在发生传输错误时进行端口链路的错误恢复，完成链路控制功能，提高链路传输的可靠性。原语序列是一组连续地重复发送的命令集，用于表示端口特定的状态或端口逻辑状态。原语序列是不断发送的有续集，在原语序列协议中用来完成链路初始化和链路层校正。原语序列包括不操作(NOS)，离线(OLS)，链路故障(LRR)，链路复位(LR)等。当端口上电或复位后，它必须经过一套严格的握手机制由非激活状态转换为激活状态；另外，在数据通信过程中，若发现链路故障、超时、缓存区溢出、信号丢失或不同步等异常情况时，端口也要根据FC-FS协议进行故障排查、链路恢复等处理。

多协议解析模块完成原语信号、原语序列的检测及帧起始界定符、帧头及用户协议帧头解析，完成光纤通道控制器支持用户协议的初步解析、并将相关信息传递给端口状态机模块、流量控制模块。

接收控制逻辑模块包括了FC-FS协议中FC1层所有的接收功能和FC-FS协议中部分FC2接收功能。FC帧接收处理包含帧起始界定符、FC帧头、FC协议帧头、帧载荷、帧结束界定符、RDY接收及异常处理等状态。同时根据FC帧长度完成数据接收处理，同时将数据的错误状态、数据长度、数据存储地址、协议类型上报主机。

数据存储模块是光纤通道控制器的数据缓存单元，可以采用内置RAM实现，也可采用外置存储体实现；发送和接收数据存储可以单独设计实现。系统主机可以通过主机接口逻辑将需要发送的数据写到数据存储模块，多业务QoS配置模块根据主机的配置，根据数据配置的协议类型或数据配置的优先级顺序将数据存储模块中需要发送的数据发送出去；从链路接收的数据经接收控制逻辑模块处理后，存储在数据存储模块中，系统主机可以通过主机接口逻辑读取接收到的数据。

本发明的工作过程：

在数据通信前，发送端通过端口状态机，发送控制逻辑和物理接口模块实现协议原语信号的发送，当端口状态机跳转到激活状态时，发送端和主机握手成功。接收端通过物理接口、多协议解析、端口状态机模块实现协议原语信号的接收，当端口状态机跳转到激活状态时，主机和接收端握手成功。

当用户有数据发送时，通过主机接口逻辑将数据写到数据存储模块；同时配置多业务Qos配置模块，该模块将数据从数据存储模块独处，并传递到发送控制逻辑模块；发送控制逻辑模块根据支持的用户协议、FC帧长完成数据拆帧和发送；物理接口模块对发送数据进行串并联转换，编码后将数据发送出去。

物理接口接收到有效数据后，通过对数据串并转换、解码、字同步处理后，将数据传递到多协议解析模块；多协议解析模块完成原语信号、原语序列的监测及帧起始界定符、帧头解析，将数据传递给接收控制逻辑模块；接收控制逻辑模块实现帧起始界定符、FC协议帧头、帧载荷、帧结束界定符、R_RDY接收及处理，将接收到的数据存储到数据存储模块，并将接收数据长度、数据存储地址、协议类型等数据信息上报主机；用户可以通过读取数据信息进行接受数据的读取。

本发明涉及的FC-AE针对不同的应用需求，包括FC-ASM、FC-IP、FC-AV、FC-RDMA协议。FC-ASM协议作为用户协议需遵循支持重要业务航空电子系统中确定、安全、低负载以及低开销的通信的要求。FC-ASM即匿名定制信息传输协议，是一种轻量级协议，该协议用于支持系统电子应用的处理器、传感器和显示器之间确定、安全、低延迟的通信；具有确定性好、传输延迟小、通讯开销小及协议简单等优点，可以实现对控制、命令消息的实时传输。

FC-IP是IP协议在光纤通道上的映射，即使用FC协议承载IP数据包，该功能实现准确地说应该为IPoverFC。其基本思想是采用光纤通道作为数据传输代替TCP/IP的物理层和MAC层的功能，通过光纤通道封装IP数据包完成数据传输，实现TCP/IP到光纤通道的映射，保持TCP/IP总体结构，光纤通道适配器可当作一个标准的网卡来使用，应用程序无需修改就可在FC-IP协议下运行。

FC-AV是基于光纤通道FC的形成的，定义了音视频流到光纤通道FC帧映射的方法，是通过容器系统来实现的。容器系统包含容器头(Container Header)、辅助数据、音频数据和视频数据。容器头包含视频帧的重要信息，这些信息用于接收方识别视频格式。容器系统规定了容器到FC序列的打包方法，并提供相应的机制保证这些FC序列按顺序发送和接收。

FC-RDMA适用于航电系统中关键和紧急数据的传输，具有航空系统节点所提供必要服务的低延迟、低通信消耗特性，允许一个发起端以点对点模式从一个远程目标的内存中读数据或向其写数据。其设备节点则分为了客户端和服务器端，客户端发起应用请求，服务器端则响应请求，配合完成客户端所请求的内容，FC-RDMA节点必须都能作为客户端和服务器端所使用。

实施例

本发明的一种具体实施例如图2所示，为一种具有PCIe接口、支持四种协议、优先级配置的多协议多业务光纤通道控制器逻辑设。

物理接口选用支持FC-PH协议的PHY IP实现，可实现速率为4.25Gbps/2.125Gbps，PCS层实现8B/10编解码、字同步、速率匹配功能。

主机接口逻辑模块采用I2C接口和PCIe2.0 X4实现，通过PCIe2.0X4接口实现主机对光纤通道控制器寄存器的配置和读取，及数据存储模块中发送数据的写入和接收数据的读取；通过I2C接口可以实现对PCIe、光纤通道控制器寄存器的配置和读取。

发送和接收数据存储分别采用内置双口RAM实现，在设计中，数据发送缓存大小为6K×32bit，可以暂存11个最大长度的FC帧；数据接收缓存大小为8K×32bit，可以暂存15个最大长度的FC帧。设计支持3个优先级，其中优先级2级别最高，优先级0级别最低，用户可以根据实际应用需求，将8K接收数据缓存区进行划分以存储接收到的不同优先级别的数据帧。

多业务QoS配置模块实现四种FC用户协议，包括FC-ASM、FC-AV、FC-IP、FC-RDMA协议，支持优先级0-2，配置模块根据发送数据的协议和优先级配置，将数据从发送缓存区传递到发送控制逻辑模块。

发送控制逻辑根据支持的用户协议进行组帧，根据FC帧长度完成对数据的拆帧，同时将每帧对应的帧状态(包含FC帧长度、起始/结束界定度类型)暂存，在数据发送时根据不同的帧状态选择不同的帧界定符，并控制发送逻辑。

端口状态机用来实现FC-FS协议中的端口链路状态机跳转，实现端口的链路初始化，链路错误的恢复，完成链路控制功能。

流量控制模块完成发送端和接收端信用量的交互和管理，该逻辑在发送端实现，BB_Credit复位值为15，BB_Credit_Cnt复位值为0。在通信过程中，发送完一帧后，BB_Credit_Cnt进行加1。同时接收到原语信号R_RDY表明目标端口处理完一帧数据，缓存区多出一帧的空余存储空间，BB_Credit_Cnt进行减1操作。

多协议解析模块完成原语信号、原语序列的检测及帧起始界定符、帧头及FC-ASM、FC-AV、FC-IP、FC-RDMA帧头解析，完成初步解析、并将梳理数据传递给接收控制逻辑模块。

接收控制逻辑模块实现FC帧接收处理包含帧起始界定符、FC帧头、FC协议帧头、帧载荷、帧结束界定符、R_RDY接收及异常处理等状态。同时根据FC帧长度完成数据接收处理，同时将数据的错误状态、数据长度、数据存储地址、协议类型上报主机。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多协议多业务光纤通道控制器，其特征在于，包括：

物理接口模块，用于从发送端接收输入数据并进行串并转换，将串并转换后的输入数据进行解码；以及用于接收拆解后的输出数据并进行串并联转换，将串并联转换后的输出数据进行编码，并发送至接收端；

多协议解析模块，用于解析解码后的输入数据，获得输入数据的帧起始界定符和帧头及用户协议帧头；

接收控制逻辑模块，用于接收输入数据的帧起始界定符、帧头及用户协议帧头，将数据存储在数据存储模块中，并传递数据的错误状态、数据长度、数据存储地址、协议类型上报至主机接口逻辑模块；

主机接口逻辑模块，用于根据主机的数据接口类型，将输入数据的接口类型转换为主机的接口类型；用于根据接收端的数据接口类型，将输出数据的接口类型转换为接收端的数据接口类型；

多业务QoS配置模块，用于根据主机的输出指令，判断输出数据的用户协议，配置输出数据的优先级；

发送控制逻辑模块，用于根据输出数据的用户协议和优先级，拆解数据，将数据对应协议的标识符设置在数据中。

2.根据权利要求1所述的一种多协议多业务光纤通道控制器，其特征在于，所述多协议解析模块还能够对原语信号和原语序列进行检测。

3.根据权利要求1所述的一种多协议多业务光纤通道控制器，其特征在于，所述多业务QoS配置模块还能够根据多协议解析模块传递的数据判断接收端是否具有接收数据的能力。

4.根据权利要求1所述的一种多协议多业务光纤通道控制器，其特征在于，还包括流量控制模块，所述流量控制模块通过多协议解析模块发送的原语信号，能够获得发送端的信用量和接收端的信用量。

5.根据权利要求1所述的一种多协议多业务光纤通道控制器，其特征在于，还包括端口状态机，用于端口的链路初始化，链路错误的恢复，完成链路控制功能。

6.根据权利要求5所述的一种多协议多业务光纤通道控制器，其特征在于，在数据通信前，发送端通过端口状态机、发送控制逻辑模块和物理接口模块实现协议原语信号的接收，当端口状态机跳转到激活状态时，发送端和主机握手成功。

7.根据权利要求5所述的一种多协议多业务光纤通道控制器，其特征在于，在数据通信前，接收端通过物理接口模块、多协议解析模块和端口状态机模块实现协议原语信号的接收，当端口状态机跳转到激活状态时，主机和接收端握手成功。

8.一种权利要求1所述的多协议多业务光纤通道控制器的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，接收数据并进行串并转换，将串并转换后的数据进行解码；

步骤2，解析解码后的数据，获得数据的帧起始界定符、帧头及用户协议；

步骤3，将数据存储在数据存储模块中，并传递数据的帧起始界定符、帧头及用户协议至主机接口逻辑模块；

步骤4，根据用户的接口类型，将数据的接口类型转换为用户的接口类型。

9.一种权利要求1所述的多协议多业务光纤通道控制器的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，接收用户传递的指令，将数据接口类型转换为数据接收端的数据类型；

步骤2，根据用户传递的数据输出指令，判断待输出数据的用户协议，配置待输出数据的优先级；

步骤3，根据待输出数据的用户协议和优先级，拆解数据，将数据对应协议的标识符设置在数据中；

步骤4，将拆解后的输出数据进行并串转换并编码，传递至接收端。

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