CN114915604A - 一种基于fpga的降低网络链路层拥塞的系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于FPGA的降低网络链路层拥塞的系统与方法,属于流量控制技术领域。本发明的系统中,所设计的DDR3SRAM的外部缓存大大减少了终端的MAC控制器收到暂停帧的次数,减少了网络的拥塞行为,使终端中的MAC控制器发送行为更加流畅。

Description

一种基于FPGA的降低网络链路层拥塞的系统与方法
技术领域
本发明属于流量控制技术领域,具体涉及一种基于FPGA的降低网络链路层拥塞的系统与方法。
背景技术
以太网中的流量控制是基于IEEE 802.3x协议标准,一根网线两端的两个MAC之间互相发送和接收暂停帧以实现流量控制,但是MAC接收到暂停帧后停止工作,会导致拥塞向整个网络扩散。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是:如何减少全双工网络中暂停帧对网络拥塞的扩散。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种基于FPGA的降低网络链路层拥塞的系统,包括:FPGA芯片和外设,所述FPGA芯片包括MAC控制器MAC Conrtoller、控制逻辑模块Control Logic、缓冲区FIFO、数据转移模块DATA_MOVER、AXI总线连接器AXI_interconnect、DDR控制器DDR3 Conrtoller组成,其中,所述第一MAC控制器MAC1Conrtoller、第二MAC控制器MAC2 Conrtoller;所述控制逻辑模块Control Logic包括第一控制逻辑模块Control Logic1、第二控制逻辑模块Control Logic2;所述缓冲区FIFO包括接收缓冲区Rx_fifo1和发送缓冲区Tx_fifo2,所述数据转移模块DATA_MOVER包括第一数据转移模块DATA_MOVER1、第二数据转移模块DATA_MOVER2;所述外设包括DDR3 SRAM;
所述系统连接于两个由以太网连接的第一终端与第二终端之间,其中的各个模块设计为:当第一终端给第二终端发送数据时,可实现如下的数据转发流程:
第一终端给第二终端发送以太网报文时,数据通过Rgmii接口被FPGA芯片中的第一MAC控制器MAC1 Conrtoller接收后转换成网络包数据Rx_stream,存入接收缓冲区Rx_fifo1中;
第一控制逻辑模块Control Logic1检测到Rx_fifo1中的数据后,分配好DDR3SRAM的内存地址,发送写DDR的命令Write_ddr3_cmd控制第一数据转移模块DATA_MOVER1;
第一数据转移模块DATA_MOVER1通过AXI总线连接器AXI_interconnect将写地址和写数据发送给DDR控制器DDR3Controller;
DDR3 Controller根据接收的写地址和写数据将对应的数据写入到外部DDR3SRAM中;
第二控制逻辑模块Control Logic2检测到DATA_MOVER1将数据转移完成后,发送读DDR的命令Read_ddr3_cmd控制第二数据转移模块DATA_MOVER2;
第二数据转移模块DATA_MOVER2通过AXI总线连接器AXI_interconnect将读地址发送给控制DDR控制器DDR3 Controller,等待DDR3 Controller返回对应的数据;
DDR3 Controller通过接收的读地址读取DDR3 SRAM中对应的数据后,通过AXI总线连接器AXI_interconnect发送给DATA_MOVER2;
DATA_MOVER2通过AXIS_MM2S接口将数据发送给发送缓冲区Tx_fifo2;
第二MAC控制器MAC2 Conrtoller检测到Tx_fifo2中的数据后,通过Rgmii接口发送给第二终端。
优选地,其中的各个模块设计为:当第一终端给第二终端发送数据时,可实现如下的暂停帧的处理流程:当第一终端中MAC控制器的接收缓冲区接近溢出时,降低网络链路层拥塞系统中的MAC1Conrtoller会接收到第一终端的MAC控制器发送的暂停帧,将停止从DDR3 SRAM中读取待发送的数据,直到暂停帧失效,此时第二终端发送的数据将遵从所述数据转发流程暂时缓存在外部DDR3 SRAM中;如果DDR3 SRAM的空间即将被占满,终端中的MAC控制器才会收到暂停帧,停止数据发送。
优选地,所述外设还包括PHY芯片。
优选地,所述外设还包括RJ45。
本发明还提供了一种利用所述的系统实现的降低网络链路层拥塞的方法,该方法中,当第一终端给第二终端发送数据时,数据转发流程如下:
第一终端给第二终端发送以太网报文时,数据通过Rgmii接口被FPGA芯片中的第一MAC控制器MAC1 Conrtoller接收后转换成网络包数据Rx_stream,存入接收缓冲区Rx_fifo1中;
第一控制逻辑模块Control Logic1检测到Rx_fifo1中的数据后,分配好DDR3SRAM的内存地址,发送写DDR的命令Write_ddr3_cmd控制第一数据转移模块DATA_MOVER1;
第一数据转移模块DATA_MOVER1通过AXI总线连接器AXI_interconnect将写地址和写数据发送给DDR控制器DDR3Controller;
DDR3 Controller根据接收的写地址和写数据将对应的数据写入到外部DDR3SRAM中;
第二控制逻辑模块Control Logic2检测到DATA_MOVER1将数据转移完成后,发送读DDR的命令Read_ddr3_cmd控制第二数据转移模块DATA_MOVER2;
第二数据转移模块DATA_MOVER2通过AXI总线连接器AXI_interconnect将读地址发送给控制DDR控制器DDR3 Controller,等待DDR3 Controller返回对应的数据;
DDR3 Controller通过接收的读地址读取DDR3 SRAM中对应的数据后,通过AXI总线连接器AXI_interconnect发送给DATA_MOVER2;
DATA_MOVER2通过AXIS_MM2S接口将数据发送给发送缓冲区Tx_fifo2;
第二MAC控制器MAC2 Conrtoller检测到Tx_fifo2中的数据后,通过Rgmii接口发送给第二终端。
优选地,该方法中,当第一终端中MAC控制器的接收缓冲区接近溢出时,降低网络链路层拥塞系统中的MAC1 Conrtoller会接收到第一终端的MAC控制器发送的暂停帧,将停止从DDR3 SRAM中读取待发送的数据,直到暂停帧失效,此时第二终端发送的数据将遵从所述数据转发流程暂时缓存在外部DDR3 SRAM中;如果DDR3 SRAM的空间即将被占满,终端中的MAC控制器才会收到暂停帧,停止数据发送。
优选地,第二终端给第一终端的发送数据流程和所述数据转发流程相同。
优选地,在所述数据转发流程中,第一终端、第二终端和降低网络链路层拥塞系统中的MAC控制器皆工作在全双工状态下。
优选地,第一终端和第二终端的发送和接收并行进行,在降低网络链路层拥塞系统中,控制MAC1 Conrtoller到外部DDR3 SRAM的读写与控制MAC2 Conrtoller到外部DDR3SRAM的读写也是并行进行的。
优选地,第二终端的MAC控制器发送的暂停帧同样不会影响到第一终端的MAC控制器。
(三)有益效果
本发明的系统中,所设计的DDR3 SRAM的外部缓存大大减少了终端的MAC控制器收到暂停帧的次数,减少了网络的拥塞行为,使终端中的MAC控制器发送行为更加流畅。
附图说明
图1为本发明的系统设计原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚,下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
如图1所示,本发明提供的一种基于FPGA的降低网络链路层拥塞的系统由FPGA芯片和外设组成,所述FPGA芯片内部实现的模块包括MAC控制器MAC Conrtoller、控制逻辑模块Control Logic、缓冲区FIFO、数据转移模块DATA_MOVER、AXI总线连接器AXI_interconnect、DDR控制器DDR3 Conrtoller组成,其中,所述第一MAC控制器MAC1Conrtoller、第二MAC控制器MAC2 Conrtoller;所述控制逻辑模块Control Logic包括第一控制逻辑模块Control Logic1、第二控制逻辑模块Control Logic2;所述缓冲区FIFO包括接收缓冲区Rx_fifo1和发送缓冲区Tx_fifo2,所述数据转移模块DATA_MOVER包括第一数据转移模块DATA_MOVER1、第二数据转移模块DATA_MOVER2;所述外设包括PHY芯片、DDR3SRAM、RJ45。
降低网络链路层拥塞的实现方法和流程如下:
所述系统连接于两个由以太网连接的第一终端(终端1)与第二终端(终端2)之间,终端1给终端2发送数据时,数据转发流程如下:
终端1给终端2发送以太网报文时,数据通过Rgmii接口被FPGA芯片中的第一MAC控制器MAC1 Conrtoller接收后转换成网络包数据Rx_stream,存入接收缓冲区Rx_fifo1中;
第一控制逻辑模块Control Logic1检测到Rx_fifo1中的数据后,分配好DDR3SRAM的内存地址,发送写DDR的命令Write_ddr3_cmd控制第一数据转移模块DATA_MOVER1;
第一数据转移模块DATA_MOVER1通过AXI总线连接器AXI_interconnect将写地址和写数据发送给DDR控制器DDR3Controller;
DDR3 Controller根据接收的写地址和写数据将对应的数据写入到外部DDR3SRAM中;
第二控制逻辑模块Control Logic2检测到DATA_MOVER1将数据转移完成后,发送读DDR的命令Read_ddr3_cmd控制第二数据转移模块DATA_MOVER2;
第二数据转移模块DATA_MOVER2通过AXI总线连接器AXI_interconnect将读地址发送给控制DDR控制器DDR3 Controller,等待DDR3 Controller返回对应的数据;
DDR3 Controller通过接收的读地址读取DDR3 SRAM中对应的数据后,通过AXI总线连接器AXI_interconnect发送给DATA_MOVER2;
DATA_MOVER2通过AXIS_MM2S接口将数据发送给发送缓冲区Tx_fifo2;
第二MAC控制器MAC2 Conrtoller检测到Tx_fifo2中的数据后,通过Rgmii接口发送给终端2。
终端2给终端1的发送数据流程和上述流程相同。
在上述流程中,终端1、终端2和降低网络链路层拥塞系统中的MAC控制器皆工作在全双工状态下。终端1和终端2的发送和接收并行进行,在降低网络链路层拥塞系统中,控制MAC1 Conrtoller到外部DDR3 SRAM的读写与控制MAC2 Conrtoller到外部DDR3 SRAM的读写也是并行进行的。在DDR3 SRAM未溢出时,终端发送的数据一直遵循这个数据转发流程存入DDR3 SRAM中,并未受到对面终端MAC控制器发送的暂停帧的影响,降低了暂停帧导致的网络链路层拥塞行为。
暂停帧的处理流程如下:
当终端1中MAC控制器的接收缓冲区接近溢出时,降低网络链路层拥塞系统中的MAC1 Conrtoller会接收到终端1的MAC控制器发送的暂停帧,将停止从DDR3 SRAM中读取待发送的数据,直到暂停帧失效。此时终端2发送的数据将遵从上述数据转发流程暂时缓存在外部DDR3 SRAM中,并没有受到终端1MAC控制器发送的暂停帧影响,从而实现了减少终端2中的网络拥塞行为。如果DDR3 SRAM的空间即将被占满,终端中的MAC控制器才会收到暂停帧,停止数据发送。
同理,终端2的MAC控制器发送的暂停帧同样不会影响到终端1的MAC控制器,降低了网络链路层的拥塞行为。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于FPGA的降低网络链路层拥塞的系统,其特征在于,包括:FPGA芯片和外设,所述FPGA芯片包括MAC控制器MAC Conrtoller、控制逻辑模块Control Logic、缓冲区FIFO、数据转移模块DATA_MOVER、AXI总线连接器AXI_interconnect、DDR控制器DDR3Conrtoller组成,其中,所述第一MAC控制器MAC1 Conrtoller、第二MAC控制器MAC2 Conrtoller;所述控制逻辑模块ControlLogic包括第一控制逻辑模块ControlLogic1、第二控制逻辑模块ControlLogic2;所述缓冲区FIFO包括接收缓冲区Rx_fifo1和发送缓冲区Tx_fifo2,所述数据转移模块DATA_MOVER包括第一数据转移模块DATA_MOVER1、第二数据转移模块DATA_MOVER2;所述外设包括DDR3 SRAM;
所述系统连接于两个由以太网连接的第一终端与第二终端之间,其中的各个模块设计为:当第一终端给第二终端发送数据时,可实现如下的数据转发流程:
第一终端给第二终端发送以太网报文时,数据通过Rgmii接口被FPGA芯片中的第一MAC控制器MAC1 Conrtoller接收后转换成网络包数据Rx_stream,存入接收缓冲区Rx_fifo1中;
第一控制逻辑模块Control Logic1检测到Rx_fifo1中的数据后,分配好DDR3 SRAM的内存地址,发送写DDR的命令Write_ddr3_cmd控制第一数据转移模块DATA_MOVER1;
第一数据转移模块DATA_MOVER1通过AXI总线连接器AXI_interconnect将写地址和写数据发送给DDR控制器DDR3Controller;
DDR3 Controller根据接收的写地址和写数据将对应的数据写入到外部DDR3 SRAM中;
第二控制逻辑模块Control Logic2检测到DATA_MOVER1将数据转移完成后,发送读DDR的命令Read_ddr3_cmd控制第二数据转移模块DATA_MOVER2;
第二数据转移模块DATA_MOVER2通过AXI总线连接器AXI_interconnect将读地址发送给控制DDR控制器DDR3 Controller,等待DDR3 Controller返回对应的数据;
DDR3 Controller通过接收的读地址读取DDR3 SRAM中对应的数据后,通过AXI总线连接器AXI_interconnect发送给DATA_MOVER2;
DATA_MOVER2通过AXIS_MM2S接口将数据发送给发送缓冲区Tx_fifo2;
第二MAC控制器MAC2 Conrtoller检测到Tx_fifo2中的数据后,通过Rgmii接口发送给第二终端。
2.如权利要求1所述的系统,其特征在于,其中的各个模块设计为:当第一终端给第二终端发送数据时,可实现如下的暂停帧的处理流程:当第一终端中MAC控制器的接收缓冲区接近溢出时,降低网络链路层拥塞系统中的MAC1 Conrtoller会接收到第一终端的MAC控制器发送的暂停帧,将停止从DDR3 SRAM中读取待发送的数据,直到暂停帧失效,此时第二终端发送的数据将遵从所述数据转发流程暂时缓存在外部DDR3 SRAM中;如果DDR3 SRAM的空间即将被占满,终端中的MAC控制器才会收到暂停帧,停止数据发送。
3.如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述外设还包括PHY芯片。
4.如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述外设还包括RJ45。
5.一种利用权利要求1至4中任一项所述的系统实现的降低网络链路层拥塞的方法,其特征在于,该方法中,当第一终端给第二终端发送数据时,数据转发流程如下:
第一终端给第二终端发送以太网报文时,数据通过Rgmii接口被FPGA芯片中的第一MAC控制器MAC1 Conrtoller接收后转换成网络包数据Rx_stream,存入接收缓冲区Rx_fifo1中;
第一控制逻辑模块Control Logic1检测到Rx_fifo1中的数据后,分配好DDR3 SRAM的内存地址,发送写DDR的命令Write_ddr3_cmd控制第一数据转移模块DATA_MOVER1;
第一数据转移模块DATA_MOVER1通过AXI总线连接器AXI_interconnect将写地址和写数据发送给DDR控制器DDR3Controller;
DDR3 Controller根据接收的写地址和写数据将对应的数据写入到外部DDR3 SRAM中;
第二控制逻辑模块Control Logic2检测到DATA_MOVER1将数据转移完成后,发送读DDR的命令Read_ddr3_cmd控制第二数据转移模块DATA_MOVER2;
第二数据转移模块DATA_MOVER2通过AXI总线连接器AXI_interconnect将读地址发送给控制DDR控制器DDR3 Controller,等待DDR3 Controller返回对应的数据;
DDR3 Controller通过接收的读地址读取DDR3 SRAM中对应的数据后,通过AXI总线连接器AXI_interconnect发送给DATA_MOVER2;
DATA_MOVER2通过AXIS_MM2S接口将数据发送给发送缓冲区Tx_fifo2;
第二MAC控制器MAC2 Conrtoller检测到Tx_fifo2中的数据后,通过Rgmii接口发送给第二终端。
6.如权利要求5所述的方法,其特征在于,该方法中,当第一终端中MAC控制器的接收缓冲区接近溢出时,降低网络链路层拥塞系统中的MAC1 Conrtoller会接收到第一终端的MAC控制器发送的暂停帧,将停止从DDR3 SRAM中读取待发送的数据,直到暂停帧失效,此时第二终端发送的数据将遵从所述数据转发流程暂时缓存在外部DDR3SRAM中;如果DDR3 SRAM的空间即将被占满,终端中的MAC控制器才会收到暂停帧,停止数据发送。
7.如权利要求5所述的方法,其特征在于,第二终端给第一终端的发送数据流程和所述数据转发流程相同。
8.如权利要求5所述的方法,其特征在于,在所述数据转发流程中,第一终端、第二终端和降低网络链路层拥塞系统中的MAC控制器皆工作在全双工状态下。
9.如权利要求5所述的方法,其特征在于,第一终端和第二终端的发送和接收并行进行,在降低网络链路层拥塞系统中,控制MAC1Conrtoller到外部DDR3 SRAM的读写与控制MAC2 Conrtoller到外部DDR3 SRAM的读写也是并行进行的。
10.如权利要求6所述的方法,其特征在于,第二终端的MAC控制器发送的暂停帧同样不会影响到第一终端的MAC控制器。
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