CN201699727U - 一种部分可重构的以太网交换机 - Google Patents

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孙志刚
王东
张子文
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本实用新型涉及一种部分可重构以太网交换机。这种交换机是通过对标准以太网交换芯片的级联端口连接FPGA芯片进行扩展，通过对FPGA的编程和重构实现对以太网报文的灵活多样的处理。

Description

一种部分可重构的以太网交换机
技术领域
本发明涉及到以太网交换机的设计，尤其涉及一种部分可重构以太网交换机。
背景技术
随着高性能局域网技术的发展，特别是高性能计算网络和数据中心网络技术的发展，对网络中的互联交换设备的要求越来越高。目前在局域网中，高性能计算网络和数据中心网络中使用的互联交换设备主要有标准的以太网交换机、OpenFlow交换机和Infiniband交换机等。OpenFlow交换机和Infiniband交换机等由于价格过于昂贵或管理控制复杂等原因，目前使用的主要交换设备仍然是以太网交换机。
然而现有的以太网交换机的功能固定，不能对交换机的功能进行扩展。而且采用标准的以太网交换机组成的数据中心网络，使用的生成树协议存在以下缺点：一是为了避免环路的产生，通过产生生成树来进行数据的传输，流量仅集中在生成树上，整个网络的带宽利用率低；二是虽然可以有多条可利用的路径，但由于生成树的限制，流量仅在集中在一个生成树上，多路径、负载均衡等网络特性无法直接用在二层网络之上，没有充分利用到网络中的多条链路。
另外，虽然使用更高层的交换技术例如三层交换，也可以利用网络拓扑的一些特性，但由于高性能局域网络与其他网络的运行环境有极大差别，高性能局域网络特别是在高性能计算和数据中心网络，其特殊的数据交换需求，例如负载均衡或者多路径传输，必须通过特殊的转发机制实现。这存在以下问题：1.传统的数据包转发设备，例如以太网交换机或者IP路由器，除非进行重新设计，否则无法实现这些需求；2.基于软件的转发设备可以通过重新编程很方便的实现不同需求，但是无法以较低成本达到性能要求。
因此，有必要设计一种新的以太网交换机，使得按照这种方法设计的以太网交换机可以在高性能的局域网络中通过重构或部分重构实现新的功能且在价格方面有一定优势。本发明旨在设计一种高性能的局域网交换机，是对标准以太网交换机进行扩展，从而产生一种部分可重构的以太网交换机。
发明内容
本实用新型涉及了一种部分可重构的以太网交换机，包括了两个部分：一是使用标准的以太网交换芯片，完成对从以太网芯片的普通接口和级联接口来的报文的标准的交换处理；二是在标准的以太网交换芯片的级联接口连接一块FPGA芯片，对报文进行特殊的处理，具体的处理方式可由对FPGA芯片进行编程和配置实现。因此是一种基于FPGA的部分可重构以太网交换机。
具体技术方案为：标准的以太网交换芯片的普通接口通过物理层接口芯片连接网络中的主机或下一层的交换机，级联接口连接FPGA芯片的下行接口，FPGA芯片的上行链路通过物理层接口芯片连接上一层的交换机。上一层或下一层的交换机既可以是标准的以太网交换机也可以是本发明的基于FPGA的部分可重构的以太网交换机。
所述的标准的以太网交换芯片完成对以太网报文的全交换，实现标准的以太网交换机的功能；FPGA芯片连接至标准以太网交换芯片的级联接口，是对标准以太网交换芯片的扩展，FPGA芯片不对报文进行全交换，完成从标准以太网交换芯片的级联接口来的数据的一路到多路的转发和从上一层交换机到FPGA芯片的上行接口来的数据的多路到一路的转发。
利用FPGA芯片和连接至FPGA芯片上的存储芯片的支持，FPGA芯片可以通过编程和可重构完成对从以太网级联接口来的报文的灵活处理，不同的处理方法可以完成不同的功能。例如，可以在FPGA芯片中实现对从标准以太网交换芯片的级联接口来的以太网报文，进行负载均衡处理；或利用FPGA芯片和存储芯片的支持实现主机之间的多路径传输等。FPGA芯片实现的具体功能可以通过不同的重构方案来实现。
附图说明
图1为使用FPGA芯片对标准以太网交换芯片的级联端口进行扩展的示意图。
具体实施方式
本发明所给出的设计方法，是对高性能局域网中的交换机的设计。如图1所示，标准的以太网交换芯片的所有普通接口连接主机或下一层的交换机，标准的以太网交换芯片的级联接口连接至FPGA芯片，FPGA芯片的上行链路连接至上一层的交换机，形成一种新型的高性能局域网交换机。利用FPGA芯片可编程和可配置的特性可以对报文进行灵活处理。
连接到标准的交换芯片的普通端口的所有主机或下一层交换机之间是全互联，其作用相当于一个标准的以太网交换机；FPGA芯片对从交换机级联端口来的报文进行处理。使用FPGA对标准以太网芯片的级联接口扩展之后的FPGA芯片中的数据通路上，FPGA不对报文进行全交换，仅完成报文的一路到多路或多路到一路的转发。
FPGA内部分为Ingress和Egress两个处理路径。Ingress路径从标准以太网交换芯片的级联接口接收以太网帧，并将该帧按照FPGA的编程和配置从其上行端口发出，实现转发处理的DMUX功能。Egress路径将从多个上行接口接受的以太网帧进行汇聚，并通过标准以太网芯片的级联端口转发给标准的以太网交换芯片，再由标准的以太网交换芯片按照以太网的转发表进行转发至主机或下一层交换机。由于在Ingress和Egress处理路径上的各种操作可以通过对FPGA的编程重构实现，可以实现对数据的多种不同的操作，例如根据不同的规则进行数据缓冲、流量控制、地址替换等，因此这种新型的交换机上可实现不同的处理功能。
FPGA芯片的外部连接TCAM和SDRAM，用于功能扩展时各种规则的匹配和各种状态信息的保存。

Claims (2)

1.一种部分可重构的以太网交换机，包括以太网交换芯片、FPGA芯片，其特征在于：在以太网交换芯片的级联接口连接一块FPGA芯片。
2.根据权利要求1所述的一种部分可重构的以太网交换机，，其特征在于：以太网交换芯片的普通接口通过物理层接口芯片连接网络中的主机或下一层的交换机，级联接口连接至FPGA芯片的下行接口，FPGA芯片的上行链路通过物理层接口芯片连接上一层的交换机，上一层或下一层的交换机既可以是标准的以太网交换机也可以是基于FPGA的部分可重构的以太网交换机。
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