CN202143081U

CN202143081U - 智能双冗余千兆以太网处理板卡

Info

Publication number: CN202143081U
Application number: CN201120270239U
Authority: CN
Inventors: 张望远; 刘煜; 王维兴
Original assignee: 716th Research Institute of CSIC
Current assignee: 716th Research Institute of CSIC
Priority date: 2011-07-28
Filing date: 2011-07-28
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2021-07-28

Abstract

本实用新型涉及一种智能、可快速切换、并且可减轻系统负担的智能双冗余千兆以太网处理板卡。该板卡通过引入智能网络处理芯片，将切换过程定位在本板上进行，在实现冗余网络设计和快速切换的同时，又能大大减轻系统主机的负担，提高整个网络系统的实时性，可靠性和可用性。同时，该板卡还扩展了8个网络交换端口，可方便快速的进行组网和数据交换功能。本实用新型的板上运行VxWorks操作系统，通过软件切换技术实现双冗余千兆网络的快速切换，且采用加固的PCI总线技术，可广泛应用于对可靠性和实时性要求较高的工业网络环境中。

Description

智能双冗余千兆以太网处理板卡

技术领域

本实用新型涉及一种板卡，特别是一种智能双冗余千兆以太网处理板卡。

背景技术

现代工业网络的发展趋势对网络设备的可靠性和有效性的要求越来越高，为了提高网络设备的可靠性和有效性，在网卡中引入双冗余设计是一项十分必要的举措。当双冗余网卡中的其中一路网络出现故障时，可迅速切换到冗余备份的另一路，确保网络可靠。由于双网切换对于实时性要求很高，如何快速地实现双冗余网卡的切换就成了一项关键的技术。

目前采用的双冗余网卡多是基于主机的软件切换技术，依靠系统主机对双网的链路状态进行轮询来达到双网的切换目的。要求切换的速度越快，轮询的频率就越高，主机切换任务上的开销就越大。由于双网切换对于实时性要求很高，因此，当系统主机运算任务较重时，双网切换方式无疑成为系统性能提升的瓶颈。并且该网卡可能与系统其它设备形成竞争，相互影响。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种提高整个网络系统的实时性和可靠性的智能双冗余千兆以太网处理板卡。

实现本实用新型目的的技术解决方案为：一种智能双冗余千兆以太网处理板卡，包括主控制器、存储模块、PCI非透明桥模块、PCI双千兆以太网模块、百兆以太网物理层模块、百兆以太网交换模块和RS232串口模块，所述存储模块、PCI非透明桥模块、PCI双千兆以太网模块、百兆以太网物理层模块、百兆以太网交换模块和RS232串口模块分别与主控制器相连接，其中PCI非透明桥模块实现主控制器和外部主板的之间的桥接，主控制器通过PCI双千兆以太网模块扩展两路千兆以太网接口，主控制器通过百兆以太网物理层模块扩展一路百兆以太网接口，主控制器通过百兆以太网交换模块扩展了8路百兆交换端口，主控制器通过RS232串口模块扩展了两路RS232串口。

本实用新型与现有技术相比，其有益效果为：1）智能双冗余千兆以太网处理板卡通过引入一种智能的网络处理器，在不增加主机负担的前提下，通过本板上运行的软件切换技术，可智能、快速的实现双冗余千兆网口的切换，切换时间小于1ms，大大提高系统的实时性和可靠性；2）本实用新型的板卡可提供8路百兆交换端口，可方便快速地进行数据交换和组网功能；3）本实用新型的板卡采用加固PCI总线技术，可有效的应用在工业环境中。

下面结合附图对本实用新型作进一步详细的描述。

附图说明

图1为本实用新型的智能双冗余千兆以太网处理板卡结构框图。

图2为本实用新型的智能双冗余千兆以太网处理板卡两片SDRAM接口配置图。

图3为本实用新型的智能双冗余千兆以太网处理板卡仲裁和中断分配示意图。

图4 本实用新型的软件切换工作状态迁移图。

具体实施方式

结合图1，本实用新型的一种智能双冗余千兆以太网处理板卡，包括主控制器、存储模块、PCI非透明桥模块、PCI双千兆以太网模块、百兆以太网物理层模块、百兆以太网交换模块和RS232串口模块，所述存储模块、PCI非透明桥模块、PCI双千兆以太网模块、百兆以太网物理层模块、百兆以太网交换模块和RS232串口模块分别与主控制器相连接，其中PCI非透明桥模块实现主控制器和外部主板的之间的桥接，主控制器通过PCI双千兆以太网模块扩展两路千兆以太网接口，主控制器通过百兆以太网物理层模块扩展一路百兆以太网接口，主控制器通过百兆以太网交换模块扩展了8路百兆交换端口，主控制器通过RS232串口模块扩展了两路RS232串口。PCI非透明桥通过CPCI总线的J1连接器和外部主板连接，千兆以太网接口、百兆以太网接口、百兆以太网交换接口和RS232串口通过CPCI总线的J3-J5连接至外部设备。

所述主控制器为Intel IXP425网络处理器。所述存储模块包括Flash存储器、EEPROM配置芯片和两片SDRAM内存。所述PCI非透明桥模块为PLX6254芯片。所述PCI双千兆以太网模块为Intel 82546芯片。所述百兆以太网交换模块为RTL8309交换芯片。

本实用新型的智能双冗余千兆以太网处理板卡的主要功能是基于网络处理器IXP425的CPCI总线外围板，由网络处理器，FLASH，SDRAM组成智能系统，运行VxWorks操作系统，可通过软件切换技术对千兆双冗余网络进行切换。对外可提供10/100/1000M以太网接口、10/100M以太网交换接口、RS232接口等。

以下为各子系统部分的技术途径：

a. 主控制器采用的是Intel的IXP425网络处理器，主频最高可以达到533MHz，其内嵌XScale核心和3个网络处理引擎，还包含了SDRAM控制器、PCI接口控制器、扩展总线、UART接口以及GPIO接口等。

b. 两片SDRAM内存位于专用SDRAM接口上，使用SDRAM控制器来控制SDRAM。SDRAM设备位宽32位，容量64MB。

c. FLASH存储器位于扩展总线上，数据线16位、地址线24位，时钟信号由GPIO15提供，片选信号CS#[0]，容量16MB。

d. 以太网接口包括2路10/100/1000M接口和1路10/100M以太网接口。其中2路10/100/1000M接口由PCI双千兆以太网模块扩展而来，具体芯片为Intel 82546，连接至IXP425的PCI控制器接口。IXP425集成2个网络处理引擎，即网络处理引擎0（NPE0）和网络处理引擎1（NPE1），1路10/100M以太网接口通过百兆以太网物理层模块扩展得到，物理层芯片为RTL8201，连接至网络处理引擎1（NPE1）上。

e. 主控制器通过以太网交换芯片RTL8309扩展了8路百兆以太网交换端口，交换芯片提供MII接口与网络处理引擎0（NPE0）互连。

f. RS232通讯接口位于IXP425的UART接口。

g. PCI桥芯片采用PLX6254，配置为非透明工作方式。

本实用新型的板卡运行VxWorks操作系统，当板卡与主设备相连上电运行时，板上的操作系统通过软件对双网的链路状态进行轮询，来达到双网的切换目的。由于软件切换是在本板上实现的，这样在很大程度上减轻了主机的负担，双网切换时间小于1ms，大大提高了双网切换速度。

下面结合实施例对本实用新型作进一步详细的描述:

本实用新型的系统框图如图1所示，系统的主控制器为IXP425网络处理器，与FLASH、EEPROM和两片SDRAM组成智能处理系统，其中SDRAM设备位于专用SDRAM接口上，使用SDRAM控制器来控制SDRAM，SDRAM设备位宽32位，容量64MB。FLASH设备位于扩展总线上，数据线16位、地址线24位，时钟信号由GPIO15提供，片选信号CS#[0]，容量16MB。IXP425还通过GPIO总线控制串行EEPROM，时钟和数据信号分别为GPIO 6和GPIO 7。IXP425通过PCI总线与外部主设备相连，外部主设备可经由非透明桥通过PCI总线来访问主芯片，IXP425芯片的PCI总线上还扩展了双千兆的网络控制器Intel 82546，实现双千兆的网络端口。通过其UART接口，IXP425扩展了两个RS232通信串口，可供系统通信和调试。IXP425内部集成了两个网络处理器引擎(NPE)，其中一个NPE通过物理层芯片RTL8201实现了10/100M网络接口功能，另一个NPE通过MII接口与10/100M以太网交换芯片RTL8309相连，扩展了8口的全交换以太网端口。

Intel IXP425和SDRAM的连接如图2所示，SDRAM总共由两块容量为32MB的SDRAM组成，总容量为64MB，即512Mbit。两片SDRAM组成一个BANK，IXP425最多可支持两个BANK，由于只使用了一组BANK，信号SDM_CS_N[1:0]中仅用到了SDM_CS_N0，只有使用了两组BANK，SDM_CS_N1才会被用到，而不论读操作还是写操作，每次都仅仅只会使用SDM_CS_N[1:0]中的一个信号。

本实用新型的仲裁和中断分配示意图如图3所示，仲裁分布情况为：IXP425使用的其PCI总线仲裁器；Intel 82546使用REQ/GNT1；PLX6254使用REQ/GNT0。板上PCI总线中断方面，IXP425通过扩展GPIO总线，GPIO[8：11]提供4个中断输入信号。各设备中断分布情况如下所示：PLX6254的S端IDSEL=PCI_AD23, S_INT#=PCI_INTD#；PLX6254的P端IDSEL=CPCI_IDSEL, P_INT#=CPCI_INTA#；Intel 82546的IDSEL=PCI_AD24, INTA#=PCI_INTA#, INTB#=PCI_INTB#。

智能双冗余千兆以太网处理板卡软件切换工作状态迁移图如图4所示：双冗余网卡根据链路状态的不同，其工作状态可分为四种。状态1是当前网卡和备份网卡都处于良好状态；状态2是当前网卡良好，备份网卡故障；状态3是当前网卡故障，备份网卡良好；状态4是当前网卡和备份网卡都有故障。根据故障监测模块的监测结果，双冗余网卡的状态在这四种状态之间迁移。智能双冗余千兆以太网处理板卡具体的状态迁移过程如下所述：当工作在状态1时，若当前网卡发生故障，切换至状态3，若备份网卡故障，切换至状态2，若当前网卡和备份网卡同时发生故障，切换至状态4；工作在状态2时，若备份网卡故障解除，切换至状态1，若当前网卡故障，切换至状态4，若当前网卡发生故障且备份网卡工作解除，切换至状态3；工作在状态3时，若当前网卡故障解除，切换至状态1，若备份网卡故障，切换至状态3，若发生切换操作，将备份网卡切换为当前网卡，切换至状态2；工作在状态4时，若当前网卡和备份网卡故障同时解除，切换至状态1，若当前网卡故障解除，切换至状态2，若备份网卡故障解除，切换至状态3。在状态之间迁移的过程中，设备切换任务根据实际情况来决定是否执行切换操作以及其他的辅助操作。

切换任务为周期运行任务，由网卡初始化时发起。在任务中周期性的对两个通道的状态进行判断，只有在检测到状态3向状态2的转换，即在工作通道出现故障并且备用通道正常的情况下才进行通道切换。切换就是工作通道与备用通道交换，因此必须保证两个通道具有相同的物理地址和IP地址，否则切换时间达不到要求甚至不能收发数据。为保证两个通道物理地址相同，在初始化通道时只读取第一个通道的物理地址，将此地址在初始化第二个通道时写入到寄存器与设备结构变量中，这样就保证了物理地址的相同。对于IP地址，在切换时读取工作通道的IP地址，将此IP地址设置到备用通道即可。在传统的双冗余网卡中，切换任务完全由主机来实现，切换任务周期时间选择需要在切换时间要求和系统开销间平衡，如果周期时间太大则切换时间要求不能满足，如果周期时间太小则系统开销将增大，影响到应用程序的执行，周期时间在20ms到50ms比较合适。由于本实用新型采取了智能的处理系统，切换任务完全在本板上运行，不用考虑主板系统开销的问题，双网切换时间可控制在1ms之内。

本实用新型的板卡可对外提供双冗余的10/100/1000M以太网口和多路10/100M交换端口。可智能、快速的实现双冗余千兆网口的切换，大大提高系统的实时性和可靠性。

Claims

1.一种智能双冗余千兆以太网处理板卡，其特征在于，包括主控制器、存储模块、PCI非透明桥模块、PCI双千兆以太网模块、百兆以太网物理层模块、百兆以太网交换模块和RS232串口模块，所述存储模块、PCI非透明桥模块、PCI双千兆以太网模块、百兆以太网物理层模块、百兆以太网交换模块和RS232串口模块分别与主控制器相连接，其中PCI非透明桥模块实现主控制器和外部主板的之间的桥接，主控制器通过PCI双千兆以太网模块扩展两路千兆以太网接口，主控制器通过百兆以太网物理层模块扩展一路百兆以太网接口，主控制器通过百兆以太网交换模块扩展了8路百兆交换端口，主控制器通过RS232串口模块扩展了两路RS232串口。

2.根据权利要求1所述的智能双冗余千兆以太网处理板卡，其特征在于，所述主控制器为Intel IXP425网络处理器。

3.根据权利要求1或2所述的智能双冗余千兆以太网处理板卡，其特征在于，所述存储模块包括Flash存储器、EEPROM配置芯片和两片SDRAM内存。

4.根据权利要求1或2所述的智能双冗余千兆以太网处理板卡，其特征在于，所述PCI非透明桥模块为PLX6254芯片。

5.根据权利要求1或2所述的智能双冗余千兆以太网处理板卡，其特征在于，所述PCI双千兆以太网模块为Intel 82546芯片。

6.根据权利要求1或2所述的智能双冗余千兆以太网处理板卡，其特征在于，所述百兆以太网交换模块为RTL8309交换芯片。