CN116032859B - 一种融合式快速数据交换装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种融合式快速数据交换装置及方法，网络交换设备对待转发的数据进行敏感性识别，对于非时间敏感数据的交换传输，入栈端口队列和出栈端口队列进行直通式转发，降低数据包在交换设备中的停留时间；对于时间敏感数据，入栈端口队列和出栈端口队列将按照对应的优先级调度策略进行数据转发，本发明通过在同一装置中的不同类型的数据帧交换策略，实现不同类型数据帧的快速转发处理，解决了传统存储转发方式在数据处理时延时大，对进入交换机的数据包进行错误检测，导致时间敏感数据在交换装置中的处理时间过长，影响工业生产效率的问题。

Description

一种融合式快速数据交换装置及方法

技术领域

本发明涉及混合数据的确定性交换技术领域，具体是一种融合式快速数据交换装置及方法。

背景技术

物联网、5G、工业互联网等新一代信息通信技术的发展，加快了传统行业转型升级的步伐，万物互联的通信需求也随之增加。传统以太网已经不能满足越来越多的数据和广泛分布的网络需求，随着工业互联网技术的发展，对网络提出了更可靠的、低延迟、低抖动的数据传输服务需求。

传统的以太网通常采用的转发模式是“Best Effort”（尽力而为），转发方式往往缺乏确定性。当数据包到达发送端口后并准备发送时，发送端按照先入先出的原则进行转发，但是当某个发送端口同时有多个数据要进行发送的时候，待转发的数据就要进行排队，排队等待时长由队列长度、数据发送速度等多个因素决定。如果网络中流量过大，将出现拥塞或者丢包等情况，排队等待时间也会变得无法预测，确定性也将无法保证，引起流量调度、时间同步、流量监控、容错机制标准化等问题。

存储转发（Store and Forward）是计算机网络领域使用得最为广泛的技术之一，以太网交换机的控制器将输入端口到来的数据包缓存起来，检查数据帧是否正确，并过滤掉冲突包错误。经过校检后的数据帧将被取出目的地址，通过查找表查询需要发送的输出端口地址，将数据帧发送出去。

随着工业互联网技术的发展，对网络提出了更可靠的、低延迟、低抖动的数据传输服务需求。传统的存储转发方式在数据处理时延时大，对进入交换机的数据包进行错误检测，导致时间敏感数据在交换装置中的处理时间过长，影响工业生产效率。

发明内容

本发明基于以上技术路线，提出了一种融合式快速数据交换装置及方法。

本发明的一种融合式快速数据交换装置，包括按顺序依次连接的帧解析模块、队列模式控制模块、入栈端口队列、队列映射关系表、队列交叉矩阵、出栈端口队列；

所述帧解析模块用于提供队列系统中切换帧传输方式所需的信息，包括对以太网数据帧的优先级标志位进行解析，并将解析结果发送给队列模式控制模块；

所述队列模式控制模块通过帧解析模块发送过来的解析结果识别待转发的数据帧类型，并根据数据帧类型将数据分为时间敏感数据和非时间敏感数据，然后将时间敏感数据和非时间敏感数据按优先级分配到入栈端口队列中；

所述入栈端口队列在时间敏感数据的传输过程中按照优先级对数据帧进行分类调度，在非时间敏感数据的传输过程中对数据帧进行缓冲存储，所述入栈端口队列通过查询队列映射关系表获知MAC地址，然后根据MAC地址将数据帧通过队列交叉矩阵转发到对应的出栈端口队列；

所述队列映射关系表用于交换装置维护的数据交换处理信息表，包括CAM表和vlan.data表，CAM表用于保存学到的MAC地址将数据帧转发到对应的目的MAC地址端口处，vlan.data表用于保存VLAN相关的信息主要用于控制相对应的VLAN的流量转发、简化网络的管理以及丢弃非VLAN字段的信息提高网络的安全性；

所述队列交叉矩阵采用互联矩阵的方式将处理后的数据帧与出栈端口进行多对多方式互联，通过对数据帧的直接转发实现数据帧的快速交换处理；

所述出栈端口队列按照优先级将时间敏感数据和非时间敏感数据转发给后端链路设备。

所述入栈端口队列、队列映射关系表、出栈端口队列均为若干个，且满足一一对应关系。

本发明还提出了一种融合式快速数据交换方法，包括以下步骤：

S1：帧解析模块接收并识别前端链路设备传来的待转发的数据帧，获得以太网数据帧的优先级标志位信息，并将解析结果发送给队列模式控制模块；

S2：队列模式控制模块通过解析结果识别待转发的数据帧类型，并根据数据帧类型将数据分为时间敏感数据和非时间敏感数据，然后将时间敏感数据和非时间敏感数据按优先级分配到入栈端口队列中；

S3：入栈端口队列在时间敏感数据的传输过程中按照优先级对数据帧进行分类调度，在非时间敏感数据的传输过程中对数据帧进行缓冲存储，所述入栈端口队列通过查询队列映射关系表获知MAC地址，然后根据MAC地址将数据帧通过队列交叉矩阵转发到对应的出栈端口队列；

S4：出栈端口队列按照优先级将时间敏感数据和非时间敏感数据转发给后端链路设备。

作为优选，所述步骤S1中帧解析模块对以太网数据帧802.1Q字段中的PriorityCode Point优先级标志位解析，Priority Code Point优先级标志位为3bit，若为保留的空字节则指示该以太网数据帧为非时间敏感数据；若为000、001、010、011则指示该以太网数据帧为时间敏感数据；解析时提取以太网数据帧的VLAN字段、源MAC地址和目的MAC地址字段。

作为优选，所述步骤S2中队列模式控制模块识别待转发的数据帧类型，若为时间敏感数据，此时队列模式控制模块置1，此时入栈端口队列和出栈端口队列将依据时间敏感数据的优先级进行分类调度；若为非时间敏感数据，此时队列模式控制模块置0，此时入栈端口队列和出栈端口队列将不区分优先级，按照QoS机制进行以太网数据帧交换。

作为优选，所述步骤S3中入栈端口队列的运行模式包括：丢弃模式、端口流量控制模式和基于优先级的流量控制模式；

在丢弃模式中，若入栈端口队列无法识别拥塞状态，则入栈端口队列接收到的所有帧都由拥塞控制函数评估，其中复制帧被丢弃；

在端口流量控制模式中，链路设备通过暂停帧或冲突消息被告知入栈端口队列不能接受更多的数据，如果链路设备识别暂停请求，则入栈端口队列不会丢弃任何传入数据；如果链路设备不识别暂停帧或冲突消息，则入栈端口队列的缓冲区控制函数将在数据到达入栈端口队列丢弃数据；

在基于优先级的流量控制模式中，链路设备通过暂停帧被告知入栈端口队列中QoS类拥塞策略，则链路设备停止调度QoS类的数据帧；如果链路设备不识别暂停帧或冲突消息，入栈端口队列的缓冲区控制函数将在数据到达入栈端口队列之前丢弃数据。

本发明中网络交换设备对待转发的数据进行敏感性识别，对于非时间敏感数据的交换传输，入栈端口队列和出栈端口队列将实现数据包缓冲的功能，通过查找队列映射关系表将直接按照数据包的目的MAC地址将数据包通过队列交叉矩阵转发到对应的端口，降低数据包在交换设备中的停留时间；对于时间敏感数据，队列模式控制模块将区分数据帧的优先级，将不同优先级的数据帧调度到对应的优先级队列中，通过查找队列映射关系表后按照数据包的目的MAC地址将数据帧转发到对应优先级的出栈端口队列中，入栈端口队列和出栈端口队列将按照对应的优先级调度策略进行数据转发。本发明通过在同一装置中的不同类型的数据帧交换策略，实现不同类型数据帧的快速转发处理，解决了传统存储转发方式在数据处理时延时大，对进入交换机的数据包进行错误检测，导致时间敏感数据在交换装置中的处理时间过长，影响工业生产效率的问题。

附图说明

图1为本发明的融合式快速数据交换框架图；

图2为本发明的一种融合式快速数据交换方法的流程示意图。

具体实施方式

下面通过附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明的一种融合式快速数据交换装置，包括按顺序依次连接的帧解析模块、队列模式控制模块、入栈端口队列、队列映射关系表、队列交叉矩阵、出栈端口队列；

所述帧解析模块用于提供队列系统中切换帧传输方式所需的信息，包括对以太网数据帧的优先级标志位进行解析，并将解析结果发送给队列模式控制模块；具体为所述帧解析模块对以太网数据帧802.1Q字段中的Priority Code Point优先级标志位解析，Priority Code Point优先级标志位为3bit，若为保留的空字节则指示该以太网数据帧为非时间敏感数据；若为000、001、010、011则指示该以太网数据帧为时间敏感数据；解析时提取以太网数据帧的VLAN字段、源MAC地址和目的MAC地址字段。所述队列模式控制模块通过帧解析模块发送过来的解析结果识别待转发的数据帧类型，并根据数据帧类型将数据分为时间敏感数据和非时间敏感数据，然后将时间敏感数据和非时间敏感数据按优先级分配到入栈端口队列中；具体为所述队列模式控制模块识别待转发的数据帧类型，若为时间敏感数据，此时队列模式控制模块置1，此时入栈端口队列和出栈端口队列将依据时间敏感数据的优先级进行分类调度；若为非时间敏感数据，此时队列模式控制模块置0，此时入栈端口队列和出栈端口队列将不区分优先级，按照QoS机制进行以太网数据帧交换。

所述入栈端口队列在时间敏感数据的传输过程中按照优先级对数据帧进行分类调度，在非时间敏感数据的传输过程中对数据帧进行缓冲存储，所述入栈端口队列通过查询队列映射关系表获知MAC地址，然后根据MAC地址将数据帧通过队列交叉矩阵转发到对应的出栈端口队列；入栈端口队列的运行模式包括：丢弃模式、端口流量控制模式和基于优先级的流量控制模式；

在丢弃模式中，若入栈端口队列无法识别拥塞状态，则入栈端口队列接收到的所有帧都由拥塞控制函数评估，其中复制帧被丢弃；

在端口流量控制模式中，链路设备通过暂停帧或冲突消息被告知入栈端口队列不能接受更多的数据，如果链路设备识别暂停请求，则入栈端口队列不会丢弃任何传入数据；如果链路设备不识别暂停帧或冲突消息，则入栈端口队列的缓冲区控制函数将在数据到达入栈端口队列丢弃数据；

在基于优先级的流量控制模式中，链路设备通过暂停帧被告知入栈端口队列中QoS类拥塞策略，则链路设备停止调度QoS类的数据帧；如果链路设备不识别暂停帧或冲突消息，入栈端口队列的缓冲区控制函数将在数据到达入栈端口队列之前丢弃数据。

所述队列映射关系表用于交换装置维护的数据交换处理信息表，包括CAM表和vlan.data表，CAM表用于保存学到的MAC地址将数据帧转发到对应的目的MAC地址端口处，vlan.data表用于保存VLAN相关的信息主要用于控制相对应的VLAN的流量转发、简化网络的管理以及丢弃非VLAN字段的信息提高网络的安全性；

所述队列交叉矩阵采用互联矩阵的方式将处理后的数据帧与出栈端口进行多对多方式互联，通过对数据帧的直接转发实现数据帧的快速交换处理；

所述出栈端口队列按照优先级将时间敏感数据和非时间敏感数据转发给后端链路设备。

所述入栈端口队列、队列映射关系表、出栈端口队列均为若干个，且满足一一对应关系。

参阅图2，一种融合式快速数据交换方法的具体操作步骤为：

S1：帧解析模块接收并识别前端链路设备传来的待转发的数据帧，获得以太网数据帧的优先级标志位信息，并将解析结果发送给队列模式控制模块；

S2：队列模式控制模块通过解析结果识别待转发的数据帧类型，并根据数据帧类型将数据分为时间敏感数据和非时间敏感数据，然后将时间敏感数据和非时间敏感数据按优先级分配到入栈端口队列中；

S3：入栈端口队列在时间敏感数据的传输过程中按照优先级对数据帧进行分类调度，在非时间敏感数据的传输过程中对数据帧进行缓冲存储，所述入栈端口队列通过查询队列映射关系表获知MAC地址，然后根据MAC地址将数据帧通过队列交叉矩阵转发到对应的出栈端口队列；

S4：出栈端口队列按照优先级将时间敏感数据和非时间敏感数据转发给后端链路设备。

实施例1

如图1所示，网络交换设备包括互相连接的帧解析模块、队列模式控制模块、入栈端口队列0、入栈端口队列1、入栈端口队列2、队列映射关系表0、队列映射关系表1、队列映射关系表2、队列交叉矩阵、出栈端口队列0、出栈端口队列1、出栈端口队列2。

待转发的数据帧进入到数据交换装置，帧解析模块对以太网数据帧进行校验和数据帧类型识别，对于校检错误的数据帧则直接进行丢弃；对于完整的以太网数据帧提取数据帧的优先级标志位进行数据帧类型判断：对于Priority Code Point字段为空，该数据属于非时间敏感数据，此时队列模式控制模块置0，入栈端口队列和出栈端口队列将不区分优先级，按照QoS机制进行以太网数据帧交换，此时出栈端口的队列不区分优先级，功能为数据缓冲区，提高端口的数据存储转发性能，数据交换功能完成；

对于Priority Code Point字段为0~3，该数据属于时间敏感数据，此时队列模式控制模块置1，入栈端口队列将依据时间敏感数据的优先级进行分类调度；依据PriorityCode Point优先级标志位的值将数据帧放到对应的入栈端口队列中，例如字段为0的数据进入队列0；字段为1的数据进入队列1；字段为2的数据进入队列2；字段为3的数据进入队列3；

待转发的时间敏感数据到达队列映射关系表，将会查找MAC、VLAN信息，获取时间敏感数据的转发目的地址以及VLAN域；

获取转发目的地址以及VLAN域的时间敏感数据将会通过队列交叉矩阵转发到对应的出栈端口，在出栈端口处同样对时间敏感数据的优先级进行分配，出栈端口则按照设定的时间敏感数据优先级调度顺序将时间敏感数据进行调度，字段为0的数据进入出栈队列0；字段为1的数据进入出栈队列1；字段为2的数据进入出栈队列2；字段为3的数据进入出栈队列3。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种融合式快速数据交换装置，其特征在于，包括按顺序依次连接的帧解析模块、队列模式控制模块、入栈端口队列、队列映射关系表、队列交叉矩阵、出栈端口队列；

所述帧解析模块用于提供队列系统中切换帧传输方式所需的信息，包括对以太网数据帧的优先级标志位进行解析，并将解析结果发送给队列模式控制模块；

所述队列模式控制模块通过帧解析模块发送过来的解析结果识别待转发的数据帧类型，并根据数据帧类型将数据分为时间敏感数据和非时间敏感数据，然后将时间敏感数据和非时间敏感数据按优先级分配到入栈端口队列中；

所述入栈端口队列在时间敏感数据的传输过程中按照优先级对数据帧进行分类调度，在非时间敏感数据的传输过程中对数据帧进行缓冲存储，所述入栈端口队列通过查询队列映射关系表获知MAC地址，然后根据MAC地址将数据帧通过队列交叉矩阵转发到对应的出栈端口队列；

所述队列映射关系表用于交换装置维护的数据交换处理信息表，包括CAM表和vlan.data表，CAM表用于保存学到的MAC地址将数据帧转发到对应的目的MAC地址端口处，vlan.data表用于保存VLAN相关的信息用于控制相对应的VLAN的流量转发、简化网络的管理以及丢弃非VLAN字段的信息提高网络的安全性；

所述队列交叉矩阵采用互联矩阵的方式将处理后的数据帧与出栈端口进行多对多方式互联，通过对数据帧的直接转发实现数据帧的快速交换处理；

所述出栈端口队列按照优先级将时间敏感数据和非时间敏感数据转发给后端链路设备；

所述队列模式控制模块识别待转发的数据帧类型，若为时间敏感数据，此时队列模式控制模块置1，此时入栈端口队列和出栈端口队列将依据时间敏感数据的优先级进行分类调度；若为非时间敏感数据，此时队列模式控制模块置0，此时入栈端口队列和出栈端口队列将不区分优先级，按照QoS机制进行以太网数据帧交换。

2.根据权利要求1所述的一种融合式快速数据交换装置，其特征在于，所述帧解析模块对以太网数据帧的802.1Q字段中的Priority Code Point优先级标志位解析，PriorityCode Point优先级标志位为3bit，若为保留的空字节则指示以太网数据帧为非时间敏感数据；若为000、001、010、011则指示以太网数据帧为时间敏感数据；解析时提取以太网数据帧的VLAN字段、源MAC地址和目的MAC地址字段。

3.根据权利要求1所述的一种融合式快速数据交换装置，其特征在于，所述入栈端口队列、队列映射关系表、出栈端口队列均为若干个，且满足一一对应关系。

4.根据权利要求1所述的一种融合式快速数据交换装置，其特征在于，所述入栈端口队列的运行模式包括：丢弃模式、端口流量控制模式和基于优先级的流量控制模式；

在丢弃模式中，若入栈端口队列无法识别拥塞状态，则入栈端口队列接收到的所有帧都由拥塞控制函数评估，其中复制帧被丢弃；

在端口流量控制模式中，链路设备通过暂停帧或冲突消息被告知入栈端口队列不能接受更多的数据，如果链路设备识别暂停请求，则入栈端口队列不会丢弃任何传入数据；如果链路设备不识别暂停帧或冲突消息，则入栈端口队列的缓冲区控制函数将在数据到达入栈端口队列丢弃数据；

在基于优先级的流量控制模式中，链路设备通过暂停帧被告知入栈端口队列中QoS类拥塞策略，则链路设备停止调度QoS类的数据帧；如果链路设备不识别暂停帧或冲突消息，入栈端口队列的缓冲区控制函数将在数据到达入栈端口队列之前丢弃数据。

5.根据权利要求1所述的一种融合式快速数据交换装置，其特征在于，所述待转发的数据帧在被转发到出栈端口队列之前都被完全存储和验证正确的帧校验序列FCS，满足以下条件之一的数据帧传输按照直通式转发模式进行转发：

（1）、出栈端口队列和优先级必须启用直通式转发，队列模式控制模块标志位置1；

（2）、入栈端口队列和优先级必须启用直通式转发，队列模式控制模块标志位置1；

（3）、所述出栈端口队列的工作速率低于入栈端口队列，依据每个出栈端口队列配置的速度启用直通式转发，但如果出口速率值大于入口速率值，则不进行直通转发。

6.一种融合式快速数据交换方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：帧解析模块接收并识别前端链路设备传来的待转发的数据帧，获得以太网数据帧的优先级标志位信息，并将解析结果发送给队列模式控制模块；

S2：队列模式控制模块通过解析结果识别待转发的数据帧类型，并根据数据帧类型将数据分为时间敏感数据和非时间敏感数据，然后将时间敏感数据和非时间敏感数据按优先级分配到入栈端口队列中；

所述步骤S2中队列模式控制模块识别待转发的数据帧类型，若为时间敏感数据，此时队列模式控制模块置1，此时入栈端口队列和出栈端口队列将依据时间敏感数据的优先级进行分类调度；若为非时间敏感数据，此时队列模式控制模块置0，此时入栈端口队列和出栈端口队列将不区分优先级，按照QoS机制进行以太网数据帧交换；

S3：入栈端口队列在时间敏感数据的传输过程中按照优先级对数据帧进行分类调度，在非时间敏感数据的传输过程中对数据帧进行缓冲存储，所述入栈端口队列通过查询队列映射关系表获知MAC地址，然后根据MAC地址将数据帧通过队列交叉矩阵转发到对应的出栈端口队列；

S4：出栈端口队列按照优先级将时间敏感数据和非时间敏感数据转发给后端链路设备。

7.根据权利要求6所述的一种融合式快速数据交换方法，其特征在于，所述步骤S1中帧解析模块对以太网数据帧的802.1Q字段中的Priority Code Point优先级标志位解析，Priority Code Point优先级标志位为3bit，若为保留的空字节则指示以太网数据帧为非时间敏感数据；若为000、001、010、011则指示以太网数据帧为时间敏感数据；解析时提取以太网数据帧的VLAN字段、源MAC地址和目的MAC地址字段。

8.根据权利要求6所述的一种融合式快速数据交换方法，其特征在于，所述步骤S3中入栈端口队列的运行模式包括：丢弃模式、端口流量控制模式和基于优先级的流量控制模式；

在丢弃模式中，若入栈端口队列无法识别拥塞状态，则入栈端口队列接收到的所有帧都由拥塞控制函数评估，其中复制帧被丢弃；

在端口流量控制模式中，链路设备通过暂停帧或冲突消息被告知入栈端口队列不能接受更多的数据，如果链路设备识别暂停请求，则入栈端口队列不会丢弃任何传入数据；如果链路设备不识别暂停帧或冲突消息，则入栈端口队列的缓冲区控制函数将在数据到达入栈端口队列丢弃数据；

在基于优先级的流量控制模式中，链路设备通过暂停帧被告知入栈端口队列中QoS类拥塞策略，则链路设备停止调度QoS类的数据帧；如果链路设备不识别暂停帧或冲突消息，入栈端口队列的缓冲区控制函数将在数据到达入栈端口队列之前丢弃数据。

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