隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，F(xiàn)C交換機(jī)對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的分析、故障的定位等功能提出新的挑戰(zhàn)。首先提出基于FC交換機(jī)協(xié)議處理芯片的監(jiān)控端口（Monitor Port, MT）軟核的工作原理；然后對(duì)監(jiān)控端口軟核進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；最后在虛擬仿真平臺(tái)和FPGA驗(yàn)證平臺(tái)下對(duì)MT端口的功能和性能分別進(jìn)行仿真和測(cè)試。結(jié)果表明，這種新的智能監(jiān)控模式不僅能夠用于網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管和故障排除，而且可用于流量統(tǒng)計(jì)。

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)的X3T11工作組于1988年開始制定了一種高速串行通信協(xié)議——光纖通道(Fibre Channel，F(xiàn)C)協(xié)議［1］。1997年，光纖通道協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)首次面世，速度為1 Gb/s,現(xiàn)在已發(fā)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(qiáng)以及連接距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)［2］。光纖通道主要在兩大領(lǐng)域中應(yīng)用，一是存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，二是航空電子環(huán)境。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)交換結(jié)構(gòu)及其調(diào)度算法進(jìn)行了大量的研究，根據(jù)研究方法的不同，交換結(jié)構(gòu)調(diào)度算法整體上可以分為純理論分析法和快速啟發(fā)式調(diào)度算法。

純理論分析法主要探討調(diào)度算法的理論基礎(chǔ)，例如吞吐量、時(shí)延、服務(wù)質(zhì)量保證等性能。國(guó)外學(xué)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(shí)延，并且這種算法在輸入和輸出端口上的并行執(zhí)行具有擴(kuò)展性［3］。國(guó)內(nèi)學(xué)者提出一種保證速率的優(yōu)先級(jí)實(shí)時(shí)調(diào)度算法［4］。

快速啟發(fā)式調(diào)度算法是一種易于硬件實(shí)現(xiàn)的調(diào)度算法，主要從其實(shí)用性出發(fā)，以交叉點(diǎn)小緩存、高效、低復(fù)雜度、硬件易實(shí)現(xiàn)作為性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。CARVAJAL G等人提出了在數(shù)據(jù)鏈路層之上添加實(shí)時(shí)層以支持EDF(Earliest Deadline First)調(diào)度機(jī)制，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包無需按照以太網(wǎng)協(xié)議架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)在通道內(nèi)實(shí)時(shí)調(diào)度傳輸［5］。

1 ?FC交換機(jī)芯片的體系結(jié)構(gòu)

FC交換機(jī)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(shù)據(jù)交換，且包含F(xiàn)C MAC控制器、Timer等片上資源，以及交換機(jī)域ID標(biāo)識(shí)接口、鏈路狀態(tài)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(jī)中，完成FC網(wǎng)絡(luò)高速無阻交換、數(shù)據(jù)監(jiān)控、通信配置、時(shí)鐘同步及網(wǎng)絡(luò)管理等功能。使用該芯片可以方便地構(gòu)建FC光纖通道交換網(wǎng)，以此為基礎(chǔ)可以快速實(shí)現(xiàn)用于各任務(wù)子系統(tǒng)間的光纖通道高速互聯(lián)。FC交換機(jī)芯片的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖2所示，交換機(jī)芯片的監(jiān)控功能包括以下幾個(gè)方面：

(1)支持監(jiān)控輸入端口的數(shù)據(jù)功能；

(2)支持監(jiān)控輸出端口的數(shù)據(jù)功能；

(3)支持監(jiān)控含有特殊字段幀的數(shù)據(jù)功能；圖1FC交換機(jī)芯片體系結(jié)構(gòu)

(4)支持與網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)(CPU)之間的幀收發(fā)功能；

(5)支持監(jiān)控、路由方案的在線動(dòng)態(tài)加載，用以完成相應(yīng)的芯片內(nèi)部寄存器配置。

2 ?FC交換機(jī)MT端口工作原理

FC交換機(jī)芯片MT端口模塊中包含以下子模塊：監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)緩沖區(qū)寫控制模塊、信息ID查詢控制模塊、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)緩沖區(qū)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)調(diào)度模塊、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)發(fā)送控制模塊、網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送處理模塊以及網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)相連。MT端口只能被動(dòng)接收來自線卡端口的數(shù)據(jù)幀，而監(jiān)控模式分為輸入監(jiān)控、輸出監(jiān)控和信息ID監(jiān)控。網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)可與MT端口互相通信，MT端口可以轉(zhuǎn)發(fā)來自網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)的幀，或者將接收到的ELS幀轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)。寄存器配置有時(shí)標(biāo)插入設(shè)置、監(jiān)控功能設(shè)置以及信息ID緩沖區(qū)配置等功能。

3 ?FC交換機(jī)MT端口設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

FC交換機(jī)MT端口設(shè)計(jì)包含信息ID查詢控制模塊設(shè)計(jì)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)緩沖區(qū)寫控制模塊設(shè)計(jì)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)調(diào)度模塊設(shè)計(jì)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)發(fā)送控制模塊設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送處理模塊設(shè)計(jì)以及網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)接收處理模塊設(shè)計(jì)。下面將分別對(duì)子模塊設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)描述。

3.1信息ID查詢控制模塊的設(shè)計(jì)

該模塊的設(shè)計(jì)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(jìn)行信息ID的合法性檢測(cè)。同時(shí)，將信息ID合法的CAM表查詢的結(jié)果與MT端口信息數(shù)目寄存器的值進(jìn)行比較，判斷被監(jiān)控幀的有效性。

3.2監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)緩沖區(qū)寫控制模塊的設(shè)計(jì)

該模塊的設(shè)計(jì)思路是根據(jù)監(jiān)控模式、時(shí)標(biāo)使能等相關(guān)信號(hào)的設(shè)置，將來自F端口MAC客戶端口的信號(hào)時(shí)序轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的FIFO接口時(shí)序，同時(shí)，對(duì)幀進(jìn)行時(shí)標(biāo)插入或產(chǎn)生特殊幀信息ID查詢請(qǐng)求等操作。

本模塊設(shè)計(jì)了對(duì)FC幀的接收處理狀態(tài)機(jī)，根據(jù)接收到的幀內(nèi)容及幀標(biāo)識(shí)信號(hào)，將幀進(jìn)行相應(yīng)處理操作，并將處理后的幀輸出至對(duì)應(yīng)緩沖區(qū)，其狀態(tài)機(jī)如圖4所示。

3.3監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)調(diào)度模塊的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)調(diào)度模塊實(shí)現(xiàn)了線卡端口和網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)的FC數(shù)據(jù)幀輸出請(qǐng)求之間的優(yōu)先級(jí)調(diào)度，設(shè)計(jì)中采用輪詢優(yōu)先圖6信息ID監(jiān)控仿真波形級(jí)調(diào)度策略。

圖7MT端口FPGA平臺(tái)驗(yàn)證環(huán)境線卡端口及網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)的幀輸出優(yōu)先級(jí)調(diào)度用狀態(tài)機(jī)來完成。數(shù)據(jù)調(diào)度模塊狀態(tài)機(jī)如圖5所示。狀態(tài)機(jī)有N+3個(gè)狀態(tài)，分別為Idle狀態(tài)、P_0狀態(tài)~P_N+1狀態(tài)；P_0~P_N狀態(tài)對(duì)應(yīng)N+1路線卡端口，P_N+1對(duì)應(yīng)1路網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)。

3.4監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)發(fā)送控制模塊的設(shè)計(jì)

MT端口MAC幀發(fā)送控制模塊實(shí)現(xiàn)了將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)FIFO中的FIFO接口的數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為MAC客戶端發(fā)送接口的時(shí)序，將幀發(fā)送到MT端口MAC中。

3.5MT端口幀發(fā)送處理模塊設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)到MT端口幀發(fā)送數(shù)據(jù)處理模塊完成對(duì)來自網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)待發(fā)送數(shù)據(jù)幀的存儲(chǔ)操作。

3.6MT端口幀接收處理模塊設(shè)計(jì)

MT端口幀接收控制模塊實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)幀的篩選、接收存儲(chǔ)功能，并能識(shí)別和指示非ELS幀丟棄等。本模塊功能為對(duì)MT端口接收到的ELS幀進(jìn)行控制，根據(jù)接收到的幀內(nèi)容及幀類型標(biāo)識(shí)信號(hào)，將數(shù)據(jù)幀存入相應(yīng)緩沖區(qū)或丟棄（非ELS幀）。