FC交換機芯片MT端口軟核的設計與實現

張志禹，許耀斌,曹繼英，喬 雄

(1.西安理工大學 自動化與信息工程學院，陜西 西安 710048；2.長安大學 信息工程學院,陜西 西安 710064)

FC交換機芯片MT端口軟核的設計與實現

張志禹1，許耀斌1,曹繼英2，喬 雄1

(1.西安理工大學 自動化與信息工程學院，陜西 西安 710048；2.長安大學 信息工程學院,陜西 西安 710064)

隨著網絡技術的快速發展，FC交換機對網絡協議的分析、故障的定位等功能提出新的挑戰。首先提出基于FC交換機協議處理芯片的監控端口(Monitor Port, MT)軟核的工作原理；然后對監控端口軟核進行了設計與實現；最后在虛擬仿真平臺和FPGA驗證平臺下對MT端口的功能和性能分別進行仿真和測試。結果表明，這種新的智能監控模式不僅能夠用于網絡監管和故障排除，而且可用于流量統計。

FC交換機；MT端口；虛擬仿真；FPGA驗證

0 引言

美國國家標準委員會的X3T11工作組于1988年開始制定了一種高速串行通信協議——光纖通道(Fibre Channel，FC)協議[1]。1997年，光纖通道協議標準首次面世，速度為1 Gb/s,現在已發展到第六代，速度為32 Gb/s。光纖通道具有高帶寬、高可靠性、通用性強以及連接距離遠等優點[2]。光纖通道主要在兩大領域中應用，一是存儲區域網絡，二是航空電子環境。目前，國內外學者對交換結構及其調度算法進行了大量的研究，根據研究方法的不同，交換結構調度算法整體上可以分為純理論分析法和快速啟發式調度算法。

純理論分析法主要探討調度算法的理論基礎，例如吞吐量、時延、服務質量保證等性能。國外學者提出利用高性能核心交換和路由器來確保吞吐量、速率和時延，并且這種算法在輸入和輸出端口上的并行執行具有擴展性[3]。國內學者提出一種保證速率的優先級實時調度算法[4]。

快速啟發式調度算法是一種易于硬件實現的調度算法，主要從其實用性出發，以交叉點小緩存、高效、低復雜度、硬件易實現作為性能評價指標。CARVAJAL G等人提出了在數據鏈路層之上添加實時層以支持EDF(Earliest Deadline First)調度機制，實時數據包無需按照以太網協議架構的標準在通道內實時調度傳輸[5]。

1 FC交換機芯片的體系結構

FC交換機芯片集成了嵌入式片上處理器，可提供多路線卡端口、MT端口之間數據交換，且包含FC MAC控制器、Timer等片上資源，以及交換機域ID標識接口、鏈路狀態指示接口和多路多種速率下全雙工高速串行SerDes接口。該芯片用于FC交換機中，完成FC網絡高速無阻交換、數據監控、通信配置、時鐘同步及網絡管理等功能。使用該芯片可以方便地構建FC光纖通道交換網，以此為基礎可以快速實現用于各任務子系統間的光纖通道高速互聯。FC交換機芯片的體系結構如圖1所示。

如圖2所示，交換機芯片的監控功能包括以下幾個方面：

(1)支持監控輸入端口的數據功能；

(2)支持監控輸出端口的數據功能；

(3)支持監控含有特殊字段幀的數據功能；

圖1 FC交換機芯片體系結構

圖2 MT端口功能框圖

圖3 MT端口工作原理圖

(4)支持與網絡管理節點(CPU)之間的幀收發功能；

(5)支持監控、路由方案的在線動態加載，用以完成相應的芯片內部寄存器配置。

2 FC交換機MT端口工作原理

FC交換機芯片MT端口模塊中包含以下子模塊：監控數據緩沖區寫控制模塊、信息ID查詢控制模塊、監控數據緩沖區、監控數據調度模塊、監控數據發送控制模塊、網絡管理節點數據發送處理模塊以及網絡管理節點數據接收處理模塊。其工作原理如圖3所示。

MT端口模塊與線卡端口以及網絡管理節點相連。MT端口只能被動接收來自線卡端口的數據幀，而監控模式分為輸入監控、輸出監控和信息ID監控。網絡管理節點可與MT端口互相通信，MT端口可以轉發來自網絡管理節點的幀，或者將接收到的ELS幀轉發給網絡管理節點。寄存器配置有時標插入設置、監控功能設置以及信息ID緩沖區配置等功能。

3 FC交換機MT端口設計實現

FC交換機MT端口設計包含信息ID查詢控制模塊設計、監控數據緩沖區寫控制模塊設計、監控數據調度模塊設計、監控數據發送控制模塊設計、網絡管理節點數據發送處理模塊設計以及網絡管理節點數據接收處理模塊設計。下面將分別對子模塊設計進行詳細描述。

3.1 信息ID查詢控制模塊的設計

該模塊的設計思路是將來自F端口的特殊幀信息的信息ID輸出到CAM表中，進行信息ID的合法性檢測。同時，將信息ID合法的CAM表查詢的結果與MT端口信息數目寄存器的值進行比較，判斷被監控幀的有效性。

3.2 監控數據緩沖區寫控制模塊的設計

該模塊的設計思路是根據監控模式、時標使能等相關信號的設置，將來自F端口MAC客戶端口的信號時序轉化為標準的FIFO接口時序，同時，對幀進行時標插入或產生特殊幀信息ID查詢請求等操作。

本模塊設計了對FC幀的接收處理狀態機，根據接收到的幀內容及幀標識信號，將幀進行相應處理操作，并將處理后的幀輸出至對應緩沖區，其狀態機如圖4所示。

圖4 FC幀的接收處理狀態機

3.3 監控數據調度模塊的設計

數據調度模塊實現了線卡端口和網絡管理節點的FC數據幀輸出請求之間的優先級調度，設計中采用輪詢優先級調度策略。

圖6 信息ID監控仿真波形

圖7 MT端口FPGA平臺驗證環境

線卡端口及網絡管理節點的幀輸出優先級調度用狀態機來完成。數據調度模塊狀態機如圖5所示。狀態機有N+3個狀態，分別為Idle狀態、P_0狀態～P_N+1狀態；P_0～P_N狀態對應N+1路線卡端口，P_N+1對應1路網絡管理節點。

圖5 數據調度模塊狀態機

3.4 監控數據發送控制模塊的設計

MT端口MAC幀發送控制模塊實現了將監控數據FIFO中的FIFO接口的數據信號轉換為MAC客戶端發送接口的時序，將幀發送到MT端口MAC中。

3.5 MT端口幀發送處理模塊設計

網絡管理節點到MT端口幀發送數據處理模塊完成對來自網絡管理節點待發送數據幀的存儲操作。

3.6 MT端口幀接收處理模塊設計

MT端口幀接收控制模塊實現了數據幀的篩選、接收存儲功能，并能識別和指示非ELS幀丟棄等。本模塊功能為對MT端口接收到的ELS幀進行控制，根據接收到的幀內容及幀類型標識信號，將數據幀存入相應緩沖區或丟棄(非ELS幀)。

4 FC交換機MT端口仿真驗證

4.1 MT端口虛擬平臺仿真

由于篇幅有限，以下只對信息ID監控情景得到的虛擬仿真波形進行分析說明。

網絡管理節點配置監控模式寄存器值為0x3，表示為信息ID監控模式；配置CAM表中需要被監控的特殊字段值。往線卡端口輸入不同的FC幀，幀內容中特殊字段有能被匹配到的，也有不能被匹配到的。仿真結果如圖6所示。

從圖6中看到配置CAM表的最后一個特殊字段值為0x100，則在MT端口監控到的數據幀中也包含該特殊字段信息。

4.2 FC交換機MT端口FPGA平臺驗證

4.2.1 FPGA驗證平臺的環境

FPGA原型驗證板是整個原型驗證系統的核心，FC交換機協議處理芯片的原型驗證板可以完成對交換機芯片FPGA原型所有基本功能和系統功能的測試驗證。交換機芯片系統集成后的RTL級代碼，經FPGA工具綜合、實現，下載到FPGA芯片中，實現真實交換機芯片的功能。本研究搭建的MT端口FPGA平臺驗證環境如圖7所示。

4.2.2 FPGA驗證平臺測試

在MT端口的光纖鏈路上接入Finisar測試儀，用以監測光纖鏈路上的FC幀傳輸。光纖鏈路上線后，在Finisar測試儀上可以對抓到的數據包進行解析，解析結果如圖8所示。

圖8 測試儀解析MT端口的FC數據

圖8表示MT端口在信息ID監控模式下監測到從線卡端口0發往線卡端口1的數據，其中CAM表配置的值從16’h1到16’h100，符合邏輯設計中CAM表深度256。該幀的MSGID值為4，屬于監測范圍，所以在MT端口能夠正確監控。TYPE字段為0x49且CSCTL字段為0x04，表明該幀為ASM幀且優先級為4。信息數據長度值為16’h5F3，換算到十進制時值為1523，表明MT監控到的幀為超長幀。

輸入數據監控模式是MT端口只對一個線卡端口進行監控，而信息ID監控模式是特殊的輸入數據監控模式，可以對線卡端口的輸入數據與CAM表配置的敏感信息進行MSGID查詢控制，只要CAM表查詢匹配成功，該幀就會被鏡像到MT端口。由上述結果分析可知，MT端口能夠在FPGA原型驗證板上正確工作。

4.2.3 監控流量統計

FC幀最短幀為9個字段，最長幀為537字段，其中1字段等于4 B，FC對應的數據范圍是36 B～2148 B。為了便于對監控的流量進行統計，驗證時FC幀長度取256個字段，即1 KB數據。假設FC鏈路的速率為2 Gb/s，即帶寬為2 Gb/s，那么用戶獨享帶寬時流量應為200 MB/s。計算方法如下：

流量=帶寬×1 000×0.8/8

其中編碼因子0.8為8b/10b轉換時帶寬利用率，假如數據為8位，經過8b/10b編碼之后數據擴展為10位數據，帶寬利用率為80%。轉換因子8代表8位數據轉化成1 B數據。

本文中用戶最高獨享帶寬的流量為212.5 MB/s，在FPGA驗證平臺上做全雙工無誤碼率的測試，其中線卡端口注入的數據包含有特殊字段的幀數據，如表1所示。

表1 測試數據統計表

下面給出一種特殊的數據傳輸方式，線卡輸入端口唯一，目的端口分別為0、1，且數據幀發往目的端口的比重分別約占20%和80%，則MT端口監控流量如表2所示。由監控流量統計表分析可得，輸入數據端口唯一時，將數據20%和80%比例輸出到線卡端口0和1，端口速率分別為41 MB/s和169 MB/s。信息ID監控只是監控所有數據中存在特殊字段的幀信息，在此不做詳細分析。全雙工無阻交換模式下，端口吞吐量為425 MB。

表2 目的端口不唯一時流量監控表

5 結論

目前這款FC交換機協議處理芯片的MT端口軟核虛擬驗證工作已經完成，FPGA平臺上的測試證明該芯片運行良好。從MT端口軟核設計和實現上來說，可對下一個版本以及其他相關芯片的研發提供一定的借鑒，并且該智能監控技術具有廣泛的應用前景。

[1] 羅燁. FC-AE-RDMA技術的研究與實現[D]. 成都:電子科技大學, 2010.

[2] 林強, 熊華鋼, 張其善. 光纖通道綜述[J]. 計算機應用研究, 2006, 23(2): 9-13.

[3] CHUANG S T, IYER S, MCKEOWN N. Practical algorithms for performance guarantees in buffered crossbars[J]. Proceedings of IEEE INFOCOM, 2005, 2(7):981-991.

[4] 黃永葵. 光纖通道標準及其在航空電子中的應用[J]. 航空電子技術, 2004, 34(4): 1-12.

[5] CARVAJAL G，WU C W，FISCHMEISER S.Evaluation of communication architectures for switched real-time Ethernet[J]. IEEE Transactions on Computers,2014,63(1):218-229.

Design and implementation of MT port soft-core based on FC switch chip

Zhang Zhiyu1,Xu Yaobin1,Cao Jiying2,Qiao Xiong1

(1.School of Automation and Information Engineering,Xi’an University of Technology,Xi’an 710048,China;2.College of Information Engineering,Chang’an University,Xi’an 710064,China)

With the rapid development of network technology, FC switch proposes new challenges for network protocol analysis, fault location function and so on. This paper firstly puts forward working principle based on FC switch protocol processing chip of MT soft-core. Then the MT soft-core is designed and implemented. Finally,under the virtual simulation platform and FPGA verification platform, the function and performance of MT port are simulated and tested respectively. The result shows that this new intelligence monitoring mode not only can be used for network monitoring and troubleshooting, but can be used for traffic statistics.

FC switch; MT port; virtual simulation; FPGA verification

TN47

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.24.011

張志禹，許耀斌,曹繼英，等. FC交換機芯片MT端口軟核的設計與實現[J].微型機與應用，2016,35(24)：36-39.

2016-06-29)

張志禹(1966-)，男，博士，研究生導師，主要研究方向：地震反演和信號處理。

許耀斌(1990-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：通信與信號處理。E-mail：343208854@qq.com。

曹繼英(1990-)，女，碩士，主要研究方向：計算機應用研究。