CN204392269U - 一种全可编程sdn高速网卡 - Google Patents

Abstract

一种全可编程SDN高速网卡。它以可编程逻辑单元为核心,配备高速网络接口,插在主机主板PCI-E插槽上使用，为主机提供多端口高速网络连接，更进一步地,可以全可编程硬件的形式实现SDN数据通路，在卡上实现SDN网络交换，使主机成为SDN交换机。

Description

一种全可编程SDN高速网卡

技术领域：

本实用新型涉及通信领域，具体而言，涉及一种网卡。

背景技术：

软件定义网络SDN是目前网络研究热点，其核心是数据平面与控制平面分离,将控制平面抽象,以上层软件统一操作,给网络设计规划与管理提供了极大的灵活性。目前，OPENFLOW是使用最广泛的一种SDN协议，已成为SDN的事实标准。通过OPENFLOW协议，网络交换设备以外的控制器可以对网络交换设备的包转发等行为规则进行编程和管理，使控制器对整个网络中交换设备的运行进行集中控制和管理成为可能。基于OPENFLOW的交换机现在已陆续有少量面市，但已公布的OPENFLOW的交换机中，数据通道的方案均为软件处理或有限自定义ASIC，处理性能较低或用户自定义程度不高，尚未不能以全可编程硬件的形式全面支持SDN网络数据平面。

实用新型内容：

本实用新型提供了一种全可编程高速网卡，插在主机主板PCI-E插槽上使用，为主机提供多端口高速网络连接，更进一步地,可以在卡上实现SDN网络交换，使主机成为SDN交换机。本网卡具有高速率PCI-E接口,用于连接可编程逻辑器件与主机CPU，并配备高速网络端口，满足高速网络研究与商用需求，而且，可以全可编程硬件的形式实现SDN数据通路。

本实用新型采用现场可编程门阵列FPGA为核心器件，通过多通道PCI-E总线与主机CPU通讯，以支撑多端口网络连接产生的巨量数据流量。

此外，本实用新型不仅拥有多个1GE网络接口，还配备了多个10GE光网络接口，以适应目前网络研究与应用前沿的需求。

更进一步地，本实用新型可利用现场可编程门阵列FPGA，全可编程的设计SDN数据通路硬件结构，可以满足各种自定义需求。

本实用新型可以配合拥有PCI-E插槽的主机，搭建高性能、低功耗的传统网络系统、SDN/Openflow交换机系统，硬件性能强大并易扩展，参考设计丰富且灵活多变，自底向上硬件和软件两个层面的可编程性保障各类网络系统节点的实现。

附图说明：

图1为本实用新型的硬件系统框图；

图2为FPGA内部结构图。

具体实施方式：

下面结合附图对本实用新型做详细描述。

如图1所示,本实用新型的硬件系统包含以下部分：

FPGA，现场可编程门阵列，以硬件描述语言编程，设计内部数字电路，实现芯片功能自定义，是本系统的核心部件。FPGA和千兆网络接口、万兆网络接口、动态/静态存储器、PCI-E 2.0金手指连接器、高速板间连接器相连。

千兆网络接口，包含若干个1000M/100M/10M三速自适应RJ45电口或光网络接口,由物理层芯片PHY经通信专用总线(GMII,RGMII,SGMII,QSGMII等)接入FPGA,提供网络通信路径。其中物理层芯片PHY可提供多种高级附加网络功能，包括同步以太网，IEEE 1588协议支持等。千兆网络接口和FPGA相连。

万兆网络接口，包含若干个SFP+或XFP接口，以提供10Gbps以太网或广域网接入，接口直连FPGA的高速串行收发口或通过10Gbps物理层芯片转接FPGA。万兆网络接口和FPGA相连。

动态/静态存储器,FPGA外挂有动态/静态存储器,用于暂存网络数据包和用户数据。动态存储器含SDRAM，DDRSDRAM，RLDRAM，静态存储器含FLASH，EMMC，EEPROM，SRAM，QDR等。动态/静态存储器模与FPGA相连。

PCI-E 2.0金手指连接器，符合2.0版PCI-E协议，配备若干条5Gbps高速通道，形式为标准PCI-E金手指，插在主机主板PCI-E插槽上，用以连接主机CPU，与CPU实现高速通讯。在板内，PCI-E 2.0金手指连接器与FPGA相连；跨板与主机主板PCI-E插槽相连。

高速板间连接器，自定义若干电源、时钟、低速单端信号线，高速差分信号线等，接入FPGA，可根据用户实际需求扩展子卡。高速板间连接器与FPGA相连。

电源管理模块，提供上下电时序控制，电压实时监控，功率监测等功能。

可FPGA内部逻辑设计框图见图2，具体结构如下：

网络接口模块，在FPGA内构建的接口驱动器，用于对接外部网络侧PHY芯片。其对外接口形式可以是MII，GMII，SGMII，RGMII和1000BaseX等。网络接口和三速以太网模块相连。

三速以太网模块AXI_ETH是一个三速(10/100/1000Mb/s)MAC(介质访问控制)，支持MII，GMII，SGMII，RGMII和1000BaseX等网络接口模块。在此MAC模块中，构建了MDIO接口，用来连接PHY，管理PHY上寄存器，配置PHY功能、查看状态、处理中断；用AXI4-Lite总线连接上层控制系统，AXI4-Lite slave接口提供了非突发模式传输的读和写控制数据。而发送和接收数据则是通过AXI4-Stream接口。AXI_ETH通过内部总线将接收到的网络通信包送入SDN Openflow主模块，经处理后由SDN Openflow主模块发至相应的MAC向网络送出。三速以太网模块和网络接口模块、软件定义网络SDN Openflow主模块相连。

openflow_switch_core为软件定义网络SDN Openflow主模块，设计遵循openflow协议，数据进来后经过仲裁，包解析，根据action进行处理，然后由对应端口的MAC，发送上网络。软件定义网络SDN Openflow主模块和三速以太网模块、DMA模块相连。

DMA模块，直接存储器访问(Direct Memory Access，DMA)允许内部的硬件子系统独立地直接读写系统存储器，而不需绕道CPU。在本系统中，SDN Openflow主模块和主机CPU均可直接访问此模块，以实现对网络数据包的缓存、交换等动作。DMA模块和SDNOpenflow主模块、先进可扩展接口AXI相连。

先进可扩展接口AXI总线。AXI(Advanced eXtensible Interface)是一种总线协议，该协议是ARM公司提出的AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture)3.0协议中最重要的部分，是一种面向高性能、高带宽、低延迟的片内总线。它可将一个或多个AXI memory-mapped主设备连接至一个或者多个AXI memory-mapped从设备，支持的AXI协议有AXI3，AXI4，和AXI4-Lite。在我们的系统中，先进可扩展接口AXI总线和三速以太网模块、SDN Openflow主模块、DMA、PCI-E模块相连。

PCI-E模块，含PCI-E控制器和外连接口。负责将主机CPU发来的PCI-E数据解析成内部数据经AXI总线分发到相应模块，将由AXI总线接收来的本板需要发往主机CPU的数据封装为PCI-E传输形式，通过外连接口经PCI-E总线发往主机CPU；检测设备的中断请求信息，产生PCIE中断。PCI-E模块与先进可扩展接口AXI总线相接。

Claims (5)

1.一种SDN网卡，其包括如下部件：FPGA、动态或静态存储器、插槽连接器，板间连接器，电源管理模块；FPGA分别与动态或静态存储器、插槽连接器、板间连接器、电源管理模块相连接；插槽连接器又与外部主机CPU相连进行通讯；板间连接器又与外部扩展子卡相连；电源管理模块与上述各部件相连；

其特征在于：还包括与FPGA相连接的多个网络接口，网络接口又与外部的数据接口连接进行通讯。

2.根据权利要求1所述的网卡，其特征在于，所述多个网络接口分为两种：千兆网络接口和万兆网络接口。

3.根据权利要求1或2所述的网卡，其特征在于：千兆网络接口，包含若干个1000M/100M/10M三速自适应RJ45电口或光网络接口，由物理层芯片经通信专用总线接入FPGA；万兆网络接口，包含若干个SFP+或XFP接口，提供10Gbps以太网或广域网接入，接口直连FPGA的高速串行收发口或通过10Gbps物理层芯片转接FPGA。

4.根据权利要求1或2所述的网卡，其特征在于：所述插槽连接器为PCI-E 2.0金手指连接器。

5.根据权利要求1或2所述的网卡，其特征在于，FPGA内部包括：网络接口模块、三速以太网模块、SDN Openflow主模块、DMA模块、可扩展接口AXI总线、PCI-E模块；

网络接口模块外接所述多个网络接口，经过三速以太网模块后连接到SDNOpenflow主模块；DMA模块外接动态/静态存储器，与SDN Openflow主模块相连接进行数据通讯；可扩展接口AXI总线分别与三速以太网模块、SDN Openflow主模块、DMA、PCI-E模块相连；PCI-E模块内部与先进可扩展接口AXI总线相接，并外接PCI-E2.0金手指，与外部主机CPU相连，将外部主机CPU发来的PCI-E数据解析成内部数据经可扩展接口AXI总线分发到各模块。