CN115118679B - 一种针对以太网交换器管理帧的快速转发系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于计算机通信及网络领域，具体涉及一种针对以太网交换器管理帧的快速转发系统。当交换器管理端口输入数据帧时，解析器首先通过opcode码进行快速识别，转发控制逻辑在收到管理帧标识信号后优先进行索引查询，不再需要和其它端口的输入数据参与轮询，从而能够快速产生转发结果；在输出端口，通过设置优先级最高的专用队列，使管理帧能够优先输出；这种方法避免了管理帧在输入端口、转发控制与输出端口的仲裁排队，大大缩短了管理帧的交换延迟，从而实现了对网络的及时管理，具有很高的工程应用价值。

Description

一种针对以太网交换器管理帧的快速转发系统
技术领域
本发明属于计算机通信及网络领域，具体涉及一种针对以太网交换器管理帧的快速转发系统。
背景技术
随着交换系统复杂度的提高，为了实现对网络系统的快速管理维护，允许交换器的管理端口输入带管理标签的数据帧。
在管理标签中，标识了当前帧的转发端口、优先级、时间戳等信息；在管理数据中，包含有安全认证结果、端口状态修改等信息；这些关键信息能够实现对网络的时间同步、网络异常的及时纠正、安全保护等功能
目前在主流的以太网交换芯片中，采用的方法是所有交换端口共享一块存储空间，各个端口输入的数据帧需要进行仲裁排队申请存储空间，然后进行排队进行转发端口索引查询，根据控制逻辑进行输出优先级队列分配，输出管理模块按照队列的优先级进行数据转发。
这种方法不能对管理帧进行优先处理，从而无法实现对网络系统的快速管理维护。
发明内容
本发明提出一种针对以太网交换器管理帧的快速转发系统，以解决现有技术不能对管理帧进行优先处理，从而无法实现对网络系统的快速管理维护的问题。
为达上述目的，本发明提出技术方案如下：
一种针对以太网交换器管理帧的快速转发系统，包括收发端口模块、接收控制模块、数据帧缓存memory模块、帧解析模块、索引查询模块、QoS模块、转发控制模块、队列管理模块和发送控制模块；其中：
N个收发端口模块，其功能为从交换芯片处接收数据帧，并将接收到的数据帧给接收控制模块(2)；n为交换芯片的端口数量；
1个接收控制模块，其功能为从收发端口模块读取数据帧和从数据帧缓存memory模块3存储空间产生地址分配请求信号；对管理帧进行优先处理，同时将opcode_val信号置有效后给到帧解析模块；
1个数据帧缓存memory模块，其功能为缓存转发数据帧，数据帧缓存memory模块的储存空间地址分配请求信号由接收控制模块写入，发送控制模块读出；
1个帧解析模块，其功能为根据帧的类型完成不同层次的信息提取；当接收控制模块输出的opcode_val信号无效时，端口0的优先级最高，然后依次为端口1、端口2、……、端口n；当opcode_val信号有效时，则对管理帧进行优先解析；
1个索引查询模块，其功能为根据帧解析模块输出的目的MAC地址和VLAN域查找出转发的端口向量，将转发结果tx_port_vec信号输出到转发控制模块7；当opcode_val信号有效时，切换到进行管理帧的优先索引查询；
1个QoS模块，其功能为对每个端口输入的每个数据帧给出转发的优先级和发送队列号；如果接收控制模块输出的opcode_val信号有效，则cos_mapping子模块输出的cos_queue_id信号切换为cos4，pcp_dscp_remarking子模块输出的queue_id切换为4；
1个转发端口控制模块，其功能为根据索引查询模块的输出结果判断当前数据包向哪个端口转发，并将判断结果输出到队列管理模块和发送控制模块中；当QoS模块输出的queue_id为4时，转发端口控制模块控制将各个转发端口管理帧的控制信息写到队列管理模块的队列4中；
1个队列管理模块，其功能为管理每个输出端口的5个输出队列；5个输出队列中，队列4存储待转发的管理帧，只要队列4非空，就优先发送队列4中的数据帧；管理帧的控制信息由转发端口控制模块写入，发送控制模块读出。
1个发送控制模块，其功能为在每个输出端口的发送队列非空时，将队列中的信息转化为读数据命令，输出到数据帧缓存memory模块。
优选的，接收控制模块采用轮询机制来仲裁n个端口的数据接收。
优选的，接收控制模块根据帧头的opcode码识别数据帧是否为管理帧。
优选的，帧解析模块提取的信息包括DA、SA、VLAN、LEN/TYPE、IP地址、TCP/UDP端口信息。
优选的，帧解析模块通过对n个端口轮询的方式进行解析。
优选的，索引查询模块当opcode_val信号无效时，否则进行轮询排队查询。
优选的，输出端口的5个输出队列中存储着将从该端口输出数据帧的信息。
优选的，数据帧的信息以链表的形式进行存储，使用单层的链表结构形成一个输出阵列；输出帧的队列号由转发端口控制模块输出。
优选的，发送控制模块中完成读出的数据以收发端口模块接口时序将数据输出。
本发明的有益之处在于：
当交换器管理端口输入数据帧时，解析器首先通过opcode码进行快速识别，转发控制逻辑在收到管理帧标识信号后优先进行索引查询，不再需要和其它端口的输入数据参与轮询，从而能够快速产生转发结果；在输出端口，通过设置优先级最高的专用队列，使管理帧能够优先输出。这种快速转发方法大大缩短了管理帧的交换延迟，实现了对网络的及时管理，具有很高的工程应用价值。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为管理帧的快速转发总体结构框图；
图2为QoS子模块结构图。
1为收发端口模块、2为接收控制模块、3为数据帧缓存memory模块、4为帧解析模块、5为索引查询模块、6为QoS模块、7为转发端口控制模块、8为队列管理模块、9为发送控制模块。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本发明所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
实施例1：
请参阅图1所示，本发明提供一种针对以太网交换器管理帧的快速转发系统，主要包括收发端口模块1、接收控制模块2、数据帧缓存memory模块3、帧解析模块4、索引查询模块5、QoS模块6、转发控制模块7、队列管理模块8和发送控制模块9。当交换器管理端口输入数据帧时，解析器首先通过opcode码进行快速识别，转发控制逻辑在收到管理帧标识信号后优先进行索引查询，不再需要和其它端口的输入数据参与轮询，从而能够快速产生转发结果；在输出端口，通过设置优先级最高的专用队列，使管理帧能够优先输出。
收发端口模块1，对于n端口的交换芯片，其数量为n，主要实现物理层及数据链路层功能，实现数据的接收和发送，接收的数据帧给接收控制模块2。
接收控制模块2，其数量为1，主要实现从收发端口模块1数据帧的读取和数据帧缓存memory模块3存储空间地址分配请求信号的产生，为了完成n个端口数据的访问效率，采用轮询机制来仲裁n个端口的数据接收。对于管理端口接收的数据帧，则需要根据帧头的opcode码识别其是否为管理帧，如果为管理帧则对其进行优先处理，同时将opcode_val信号置有效后给到帧解析模块4，从而实现了管理帧的快速识别及优先缓存。
管理帧识别格式如下表所示：
数据帧缓存memory模块3，其数量为1，主要实现对转发数据帧的缓存，由接收控制模块2写入，发送控制模块9读出。
帧解析模块4，其数量为1，主要实现根据帧的类型完成不同层次的信息提取，主要包括DA、SA、VLAN、LEN/TYPE、IP地址、TCP/UDP端口等信息，通过对n个端口轮询的方式进行解析；
当接收控制模块输出的opcode_val信号无效时，端口0的优先级最高，然后依次为端口1、端口2、……、端口n；当opcode_val信号有效时，则对管理帧进行优先解析，从而保证了管理帧的快速识别解析；帧解析模块4将解析结果给索引查询模块5和QoS模块6。
索引查询模块5，其数量为1，主要是根据帧解析模块输出的目的MAC地址和VLAN域查找出转发的端口向量，将转发结果tx_port_vec信号输出到转发控制模块7。当opcode_val信号有效时，切换到进行管理帧的优先索引查询，否则进行轮询排队查询，从而保证了管理帧的优先索引查询策略。
QoS模块6，其数量为1，主要实现对每个端口输入的每个数据帧给出转发的优先级和发送队列号。如果接收控制模块输出的opcode_val信号有效，则cos_mapping子模块输出的cos_queue_id信号切换为cos4，pcp_dscp_remarking子模块输出的queue_id切换为4，从而保证了管理帧保存在最高优先级的队列4中，将结果输出给转发端口控制模块7；
QoS子模块结构框图如图2所示。
转发端口控制模块7，其数量为1，主要实现根据索引查询模块的输出结果判断当前数据包向哪个端口转发，其结果输出到队列管理模块8和发送控制模块9中；当QoS模块6输出的queue_id为4时，该模块控制将各个转发端口管理帧的控制信息写到队列管理模块8的队列4中，从而保证了管理帧快速转发。
队列管理模块8，其数量为1，主要实现对每个输出端口5个输出队列的管理。队列中存储着将从该端口输出数据帧的信息，这些帧信息以链表的形式进行存储，使用单层的链表结构形成一个输出阵列；输出帧的队列号由转发控制模块输出，队列4属于管理帧专用，且优先级最高，由转发端口控制模块7写入，发送控制模块9读出。
发送控制模块9，其数量为1，主要实现在每个输出端口发送队列非空时(每个输出端口有5个队列)，将队列中的信息转化为读数据命令，输出到数据帧缓存memory模块3；完成读出数据以收发端口模块1接口时序将数据输出；
其中，队列4存储的是待转发的管理帧，优先级高于队列0-队列3；因此，只要队列4非空，就优先发送队列4中的数据帧，从而实现了管理帧的优先转发。
本发明的核心思想是对交换器输入的管理帧进行快速识别、优先索引策略和设置专用的优先级最高队列；避免了管理帧在输入端口、转发控制与输出端口的仲裁排队，大大缩短了管理帧的交换延迟，从而实现了对网络的及时管理，具有很高的工程应用价值。
通过对该发明进行功能仿真，并与传统的以太网交换电路结构进行比较。在测试环境中，随机产生1000组报文，其中包括不等数量的管理帧，并分别采用传统的以太网交换电路结构和该发明提出的管理帧的快速转发方法对这些报文任务进行交换转发；其中，端口数量为7，工作时钟为125MHz，数据位宽为128位，采用连续数据通讯的方式。仿真结果表明，本文提出的管理帧快速转发方法大大缩短了管理帧的交换延迟，从而保证了对网络的及时管理，同时避免了管理帧在输入端口、转发控制与输出端口的仲裁排队，大大缩短了管理帧的交换延迟，从而实现了对网络的及时管理，具有很高的工程应用价值。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种针对以太网交换器管理帧的快速转发系统，其特征在于，包括收发端口模块(1)、接收控制模块(2)、数据帧缓存memory模块(3)、帧解析模块(4)、索引查询模块(5)、QoS模块(6)、转发控制模块(7)、队列管理模块(8)和发送控制模块(9)；其中：
N个收发端口模块(1)，用于从交换芯片处接收数据帧，并将接收到的数据帧给接收控制模块(2)；n为交换芯片的端口数量；
1个接收控制模块(2)，用于从收发端口模块(1)读取数据帧和从数据帧缓存memory模块3存储空间产生地址分配请求信号；对管理帧进行优先处理，同时将opcode_val信号置有效后给到帧解析模块(4)；
1个数据帧缓存memory模块(3)，用于缓存转发数据帧，数据帧缓存memory模块(3)的储存空间地址分配请求信号由接收控制模块(2)写入，发送控制模块(9)读出；
1个帧解析模块(4)，用于根据帧的类型完成不同层次的信息提取；当接收控制模块输出的opcode_val信号无效时，端口0的优先级最高，然后依次为端口1、端口2、……、端口n；当opcode_val信号有效时，则对管理帧进行优先解析；
1个索引查询模块(5)，用于根据帧解析模块输出的目的MAC地址和VLAN域查找出转发的端口向量，将转发结果tx_port_vec信号输出到转发控制模块(7)；当opcode_val信号有效时，切换到进行管理帧的优先索引查询；
1个QoS模块(6)，用于对每个端口输入的每个数据帧给出转发的优先级和发送队列号；如果接收控制模块输出的opcode_val信号有效，则cos_mapping子模块输出的cos_queue_id信号切换为cos4，pcp_dscp_remarking子模块输出的queue_id切换为4；
1个转发端口控制模块(7)，用于根据索引查询模块的输出结果判断当前数据包向哪个端口转发，并将判断结果输出到队列管理模块(8)和发送控制模块(9)中；当QoS模块输出的queue_id为4时，转发端口控制模块(7)控制将各个转发端口管理帧的控制信息写到队列管理模块的队列4中；
1个队列管理模块(8)，用于管理每个输出端口的5个输出队列；5个输出队列中，队列4存储待转发的管理帧，只要队列4非空，就优先发送队列4中的数据帧；管理帧的控制信息由转发端口控制模块(7)写入，发送控制模块(9)读出；
1个发送控制模块(9)，用于在每个输出端口的发送队列非空时，将队列中的信息转化为读数据命令，输出到数据帧缓存memory模块(3)；
接收控制模块(2)根据帧头的opcode码识别数据帧是否为管理帧。
2.如权利要求1所述的一种针对以太网交换器管理帧的快速转发系统，其特征在于，接收控制模块(2)采用轮询机制仲裁n个端口的数据接收。
3.如权利要求1所述的一种针对以太网交换器管理帧的快速转发系统，其特征在于，帧解析模块(4)提取的信息包括DA、SA、VLAN、LEN/TYPE、IP地址、TCP/UDP端口信息。
4.如权利要求1所述的一种针对以太网交换器管理帧的快速转发系统，其特征在于，帧解析模块(4)通过对n个端口轮询的方式进行解析。
5.如权利要求1所述的一种针对以太网交换器管理帧的快速转发系统，其特征在于，输出端口的5个输出队列中存储着将从该端口输出数据帧的信息。
6.如权利要求5所述的一种针对以太网交换器管理帧的快速转发系统，其特征在于，数据帧的信息以链表的形式进行存储，使用单层的链表结构形成一个输出阵列；输出帧的队列号由转发端口控制模块(6)输出。
7.如权利要求1所述的一种针对以太网交换器管理帧的快速转发系统，其特征在于，发送控制模块(9)中完成读出的数据以收发端口模块(1)接口时序将数据输出。
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