CN1480857A - 双光口智能千兆以太网卡 - Google Patents

Abstract

本发明涉及计算机网络技术领域，发明了一种双光口智能千兆以太网卡。该网卡由于设计了两个光纤千兆以太网接口，所以其网络速度可高达2Gb/s。同时，由于在网卡上嵌入了高性能的处理器和大容量的存储器，使该网卡具有了普通千兆网卡所不具备的特殊功能，这些功能主要有：用户空间驱动、IP包负载平衡、IP包四层过滤、服务器远程交互式管理等。该网卡采用64Bit/66MHz PCI接口，符合PCI V2.2总线规范。该网卡可用于对网络处理能力要求较高的服务器中，利用该网卡强大的网络处理能力，可以将很多需要服务器才能处理的负载卸载到网卡上，由网卡上的处理器进行处理，从而减轻了对服务器的压力，提高了整个系统的处理能力。

Description

双光口智能千兆以太网卡

本发明涉及计算机网络技术领域，特别是涉及一种双光口智能千兆以太网卡。

本发明提出了一种新型的、高性能的以太网卡，称之为iGea-DF双光口智能千兆以太网卡。在名称定义中，双光口是指该网卡具有两个光纤接口；智能是指在网卡上嵌入了高性能的处理器，使其可以对网络数据进行处理；千兆是指每个光纤接口的速度均为1000Mbps；以太网卡是指该网卡符合以太网的规范标准，可以用于以太网中。

随着计算机的发展进入网络时代，服务器—客户机应用模式得到了极大地发展，并日益成为最主要的应用模式之一。在这种应用模式中，服务器的一项主要工作就是对网络数据包的收发和处理。而随着互联网的不断发展，宽带网络的日益普及，对服务器性能的要求也越来越高。通常情况下，人们会一味地通过提高服务器中CPU的工作频率、扩充服务器的内存、提高磁盘存储的容量和速度等方法来提高服务器的性能。但当以太网从百兆网一步跃入千兆网时代，人们发现对一个千兆以太网数据流的处理可以轻易地消耗掉一个Pentium 4处理器的的大部分处理能力，通过进一步的研究人们发现此时的CPU的主要工作是在响应中断并做一些打包、拆包、差错校验、对网络数据包的地址进行过滤等比较简单但比较费时的I/O类操作，使其无法发挥其强大的计算能力以提供更为有用的服务。

针对上述问题，可以在网卡上设计专门的用于I/O处理的智能I/O处理器，将一大部分TCP/IP协议下载的网卡上执行。通常智能I/O处理器都是RISC处理器，具有较高的时钟频率，平均每条指令只需要一个时钟周期，因而具有较高的MIPS值。针对I/O处理需求，I/O处理器还具有较快的中断响应速度和实时的处理能力，利用智能I/O处理器设计的网卡通常也称之为智能网卡。

本发明的目的是提供一种符合千兆以太网标准的双光口智能千兆以太网卡。与普通千兆网卡相比，由于该网卡设计了两个光纤千兆以太网接口，所以其网络速度可高达2Gb/s。同时，由于在网卡上嵌入了高性能的处理器和大容量的存储器，使该网卡具有了普通千兆网卡所不具备的特殊功能，这些功能主要有：用户空间驱动、IP包负载平衡、IP包四层过滤、服务器远程交互式管理等。该网卡采用64位66MHz PCI接口，符合PCI V2.2总线规范。该网卡可用于对网络处理能力要求较高的服务器中，利用该网卡强大的网络处理能力，可以将很多需要服务器才能处理的负载卸载到网卡上，由网卡上的处理器进行处理，从而减轻了对服务器的压力，提高了整个系统的处理能力。此外，由于该网卡配有双光口，还可为系统负载平衡提供硬件支持。

以下结合附图进一步说明本发明的详细内容。

图1是双光口智能千兆位以太网卡电路框图；

图2是图1中的微处理器Intel80200电路框图；

图3是图1中的存储控制器PCI接口Intel80312电路框图；

图4是图1中的千兆位以太网Intel82543控制器电路框图。

图1为双光口智能千兆位以太网卡的逻辑框图。网卡上带有嵌入式微处理器，本发明中采用了Intel公司的80310芯片组，包括Intel公司的80200 CPU和Intel公司的I/O伴片80312(I/O伴片：指专门为该CPU设计的、用于增强其I/O接口能力的集成电路)，其程序存储器采用了Intel公司的28F640 8MB Flash Memory，其数据存储器采用了支持ECC的144线SODIMM内存条。该网卡将插在主机的64位/66MHz PCI 12总线插槽中使用，网卡通过I/O伴片的PCI接口和主机PCI总线直接相连。在网卡方面，I/O伴片还提供了存储控制器以及PCI-PCI桥接电路，I/O伴片通过双向的请求总线和微处理器相连，并为微处理器提供用于访存的时钟，同时I/O伴片、微处理器和SDRAM共享一条SDRAM存储总线。此外，I/O伴片还连接了闪存用于存储卡上的操作系统和用户程序；连接了LED指示灯用于显示卡上程序的运行状态；连接了串口用于卡上程序的调试。这一部分主要用以实现网卡的智能性。

在I/O伴片桥接出来的二级PCI总线上，连接了两片千兆以太网控制器芯片，以太网控制器之后又顺序连接了串行解串器电路和光纤收发器模块，串行解串器用于将输出的并行数据串行化和将输入的串行数据解串并行化，光纤收发器模块用于完成电光/光电变换，并通过它将光纤和网卡相连。这一部分实现了2Gbps网络带宽设计。

在上述的设计中，主机的64位/66MHz PCI总线所提供的带宽为4.27Gbps，两片千兆以太网控制器芯片所需要的带宽为2Gbps，主机PCI所提供的性能足以满足网络测需求，可见，该网卡的体系结构设计是合理的。

具体在本发明中，我们选用了Intel80310芯片组和Intel82543GC千兆以太网控制器芯片为主要芯片实现上述设计思想。

80200 CPU和伴片80312一起构成的Intel 80310智能I/O处理器芯片组。其中，80200、80312和SDRAM三者共享一条64位宽、100Mhz数据通道，80200的时钟由外部晶振OSC提供，存储总线时钟由80312提供，其数据存储器采用了支持ECC的128MB 144线SODIMM内存条；80200和80312之间通过一组16位宽的请求总线直接相连。Intel I/O伴片80312和PCI接口直接连接，在80312的闪存总线上连接有闪存，LED指示灯和串口UART。程序存储器采用了Intel 28F640 8MB Flash Memory，它通过一条8位宽的总线与80312相连，用于存储网卡上的实时操作系统和用户程序。

在80312桥接的二级PCI总线上连接了两片Intel 82543GC千兆以太网控制器芯片，每片82543都有外部晶振OSC为其提供时钟，并连接有EEPROM电路Atmel公司的93C46用于存储该控制器的以太网地址等配置信息。每片82543都连接有Agilent公司的串行解串器电路HDMP-1646，用于将输出数据串行化和将输入数据解串并行化。HDMP-1646再和Infineon公司的光纤收发器接口相连，HDMP-1646用于完成电光/光电变换，并通过它将光纤和网卡相连。

1是光纤收发器接口，2是串并并串变换器，3是晶振，4是千兆以态网MAC控制器，5是E2PROM，6是微处理器，7是同步动态随机存取存储器，8是内存，9是LED指示器，10是串口，11是存储控制器PCI接口，12是PCI接口(64 bit/66MHz)。

微处理器6，用于与存储控制器11连接，再通过SRRAM总线与同步

动态随机存储器7连接；二个千兆以太网MAC控制器4分别与存储控制器11连接，同时通过二个串并并串变换器2接收光纤收发器1接收输入光信号。微处理器6连接有外部晶体振荡器；

存储控制器11连接有内存8、LED指示器9和串口10；

千兆以太网控制器4连接有外部晶体振荡器3，E2PROM 5。

微处理器6和伴片存储控制器11一起构成智能I/O处理芯片组。

网卡软件部分包括嵌入式实时操作系统软件、网卡的驱动程序和应用层API。

图2是图1中微处理器6，采用Intel 80200 CPU的逻辑框图。该网卡基于Intel公司的新一代智能I/O处理器Xscale 80310芯片组设计，其中，80200 CPU的核心为高性能的StrongARM SA-110，该处理器具有7阶超级流水线，内置32KB的指令缓存和32KB的数据缓存，核心电压为1.5V，主频高达733MHz，而功耗则低至500mW。CPU可连接至64位100MHz存储总线，支持PC100 SDRAM，支持ECC，访存带宽高达800MB/

图3是图1中存储控制器11 I/O伴片，采用Intel I/O伴片80312的逻辑框图。80312内建有符合PCI2.2规范的64位66MHz的PCI接口和PCI桥，以及支持512MB的ECC PC100 SDRAM存储控制器、SRAM/ROM/Flash接口、1个消息单元、2个地址翻译单元、3通道DMA控制器、I2C总线接口等电路，上述电路都通过一条64位100MHz的内部总线相连。

图4是图1中千兆以太网4，采用Intel 82543GC千兆以太网控制器逻辑框图。82543是Intel的高集成度、高性能、第二代千兆以太网控制器，该芯片提供了32/64位和33/66MHz PCI2.2接口，以及TBI、GMII、MII等网络接口，支持全双工、半双工工作模式，支持自动协商功能，支持IEEE802.3x流量控制，提供IEEE802.3 MII管理接口。此外，还可以将IP、TCP/UDP的校验求和任务下载执行，减轻主机负载。提供基于校验和错误的包过滤功能，支持多种包过滤模式，支持IEEE802.1q VLAN

为了充分发挥64位66MHz PCI的能力，本发明中在卡上二级PCI上设计了双千兆光口，可以使其总的性能高达2Gbps。这两片82543的PCI接口信号和80312的二级PCI接口信号直接相连。其光纤通道Serdes电路采用了Agilent的HDMP-1646A收发器，其光纤收发器采用了Infineon的V23826-K305多模光纤收发器。

智能网卡的主要工作过程如下：网卡上的智能I/O处理器运行Vxworks操作系统及以太网控制器82543驱动程序，I/O处理器首先会在本地内存中开辟接收和发送数据缓冲区，并利用MU消息单元与主机通讯，告知本地内存接收和发送数据缓冲区大小和首地址，同时获得主机在其存储器中开辟的接收和发送数据缓冲区大小和首地址；当接收网络数据包时，I/O处理器启动二级PCI到本地内存的DMA控制器，将到达千兆以太网82543的IP包从千兆以太网82543的FIFO直接DMA至I/O处理器的本地内存；然后I/O处理器即可对这一IP包进行分析，例如可对来自某些IP地址的IP包进行内容分析或丢弃等处理、对该IP包进行拆包等；I/O处理器重复上述接收过程，当接收数据缓冲区中的IP包数据到达一定的阈值时，I/O处理器启动本地内存到主机内存的DMA操作，将这些收到的IP包数据DMA到主机的接收数据缓冲区中；然后通过Doorbell通知主机已经将IP包数据送达；主机接到Doorbell送来的中断，响应该中断并对这些IP包数据进行进一步的处理；当发送网络数据包时，主机首先将要发送的数据置于发送数据缓冲区内；然后通过Doorbell通知I/O处理器；I/O处理器收到Doorbell送来的中断后，响应该中断并启动主机内存到本地内存的DMA操作；DMA操作完成后，I/O处理器将本地内存发送缓冲区中的数据封装成IP包；然后在启动本地内存到千兆以太网82543的FIFO的DMA操作，将该IP包从网上发送出去。

网卡上数据的处理流程以及采用的方式、方法，包括用户空间驱动、IP包负载平衡、IP包四层过滤、服务器远程交互式管理等。

可以看出，在上述简单的收发数据报过程中，只需要主机进行很少的操作，而大部分的工作如IP包打包、拆包、CRC生成、校验、DMA启动、IP包过滤等操作都可以由I/O处理器来完成，极大地减轻了主机在处理网络相关数据时的负载，提高了整个系统的性能。该卡主要特点有：

√带高速CPU、大容量内存、双千兆光口，与主机PCI接口直接相连

√网卡可以开辟大缓冲区，允许主机长处理延迟

√网卡和主机接口可控制，可以实现全用户态访问、零中断、批量传送、流量控制

√网卡可进行预过滤，可根据情况丢弃无用包、错误包和非关键性数据包

√可以利用第二网络接口进行负载平衡，将部分网络负载转移给负载较轻的服务器

√可以对主机进行远程监控、重启、报警网卡的主要技术指标如下：

√基于66MHz/64bit的PCI总线，符合PCI局部总线协议V2.2

√采用IntelXScale^TM 80310(600MHz)高性能I/O处理器设计

√64~256MB PCI00 SDRAM主存，访存带宽高达800MB

√8MB Flash程序存储器

√提供RS-232通讯接口，用于程序调试

√双千兆光纤以太网接口，支持全双工

√支持VxWorks嵌入式操作系统，方便开发

√提供了可编程的计时器，中断控制器和JTAG接口

为充分发挥iGea-DF双光口智能千兆以太网卡的性能，需要在服务器上运行智能驱动程序。该驱动运行在操作系统之上，主要用以实现用户空间高速通信，减少通信中主机CPU的参与，以提高网络包接收、发送能力和对网络包的处理能力，。该驱动程序主要解决了以下关键技术：存储映射、页表管理、用户空间驱动、缓冲区管理和API、应用多线程、多线程实时优先级调度技术。

该驱动的主要优点有：

√对标准百兆网卡、千兆网卡和智能千兆网卡提供统一的用户接口

√穿过主机操作系统内核，数据直达用户空间内存，释放主机CPU资源

√多线程应用能充分利用主机资源

√直接使用用户进程缓冲区，减少操作系统核心到用户空间内存拷贝

√免去核心频繁内存分配和不必要的协议处理

√能使用大的缓冲区(可到GB级)，减少高峰期丢包率

√当网络到达包数超过处理能力时，减少不必要的中断处理和DMAiGea-DF双光口智能千兆以太网卡发明效果体现在：

1)智能网卡。iGea-DF双光口智能千兆以太网卡在设计上采用了高性能的I/O处理器和大容量内存，使之具备强大的数据处理能力，I/O性能更为卓越。能够在加快事务处理速度的同时，对来自网上的数据进行处理，从而可以极大地减轻服务器的负载。

2)高性能。高达2Gbps的网络带宽，是普通千兆网卡的两倍。

3)兼容性强。该网卡与普通的千兆网卡完全兼容，网卡与主机采用64位66MHz PCI接口，符合PCI V2.2规范，可适用于任何提供了64位66MHz PCI的服务器。网卡网络接口采用千兆以太网规范所规定的单模光纤接口，可以和任何标准的千兆以太网交换机相连接使用。

4)可移植性强。iGea-DF双光口智能千兆以太网卡可工作在任何基于Linux、Unix及Windows的系统中。

5)可管理性强。可以在远程通过网卡对主机进行远程监控、重启、报警等操作，实现了对服务器的远程交互式管理。

6)支持包过滤。可以利用卡上的处理器实现分别在链路层、网络层和传输层对网络包进行过滤，可根据情况丢弃无用包、错误包和非关键性数据包，从而实现了对IP包的四层过滤功能，

7)支持负载平衡。可以利用第二网络接口进行负载平衡，将部分网络负载转移给负载较轻的服务器，实现了对IP包的负载平衡。

                      英文缩略语解释ECC：Error Correction Code，纠错码FIFO：First In First Out，先入先出存储器Flash Memory：闪速存储器GMII：Gigabit Media Independent Interface，千兆比特媒体无关接口I/O：Input/Output，输入/输出I2C：Inter-Integrated Circuit，内部集成电路Icache：指令缓存IEEE：Institute for Electrical and Electronic Engineers，电气和电子工程师学会IP：Internet Protocol，网际协议JTAG：Joint Test Action Group，联合测试行动组LED：Light Emitting Diode，发光二极管MAC：Media Access Controller，媒体存取控制器MII：Media Independent Interface，媒体无关接口MIPS：Million Instructions Per Second，每秒百万条指令MU：Message Unit，消息单元PCI：Peripheral Component Interface，周边元件扩展接口RISC：Redundant Instruction Set Computer，精简指令集计算机ROM：  Read Only Memory，只读存储器SDRAM：Synchronous Dynamic Random Access Memory，同步动态随机存取存储器Serdes：Serializer/Deserializer，串行解串器SODIMM：Small Outline Dual Inline Memory Module，小型双列存储器模块SRAM：Static Random Access Memory，静态随机存取存储器TBI：Ten Bit Interface，10比特接口TCP：Transmission Control Protocol，传输控制协议UART：＝Universal Asynchronous Receiver Transmitter，通用异步收发器UDP：User Datagram Protocol，用户数据报协议VLAN：Virtual Local Area Network，虚拟局域网Vxworks：Windriver公司开发的一种嵌入式实时操作系统

Claims (5)

1.双光口智能千兆以太网卡的设计及实现方法：该网卡可用于对网络处理能力要求较高的服务器中，利用该网卡强大的网络处理能力，可以将很多需要服务器才能处理的负载卸载到网卡上，由网卡上的处理器进行处理，从而减轻了对服务器的压力，提高了整个系统的处理能力，双光口智能千兆以太网卡设计及实现方法的特征在于：网卡体系结构；2Gbps网络带宽设计与实现；数据处理技术及网卡相关软件。

2.根据权利要求1所述，其网卡体系结构特征在于：网卡上带有嵌入式微处理器，本发明中采用了Intel公司的80310芯片组，包括Intel公司的80200 CPU和Intel公司的I/O伴片80312(I/O伴片：指专门为该CPU设计的、用于增强其I/O接口能力的集成电路)，其程序存储器采用了Intel公司的28F640 8MB Flash Memory，其数据存储器采用了支持ECC的144线SODIMM内存条。

3.根据权利要求1所述，其2Gbps网络带宽设计与实现特征在于：基于二级PCI总线的双千兆以太网，本发明中采用了两片Intel的82543GC千兆以太网控制器，其光纤通道Serdes电路采用了Agilent公司的HDMP-1646A收发器，其光纤收发器采用了Infineon公司的V23826-K305多模光纤收发器。

4.根据权利要求1所述数据处理技术包括网卡上数据的处理流程以及采用的方式、方法，包括用户空间驱动、IP包负载平衡、IP包四层过滤、服务器远程交互式管理等。

5.根据权利要求1所述的网卡软件部分包括嵌入式实时操作系统软件、网卡的驱动程序和应用层API。

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