1、FC交换机芯片结构
FC交换机芯片端到端的时延是最重要的指标[4][5]。因此，交换机芯片内部交换网采用何种结构是整个交换机芯片的关键所在。目前的主流交换结构有共享总线式结构、共享缓存式结构和带VOQ（虚拟输出队列）的Crossbar结构和共享缓存等结构。由于FC协议采用基于Buffer到Buffer信用管理的流控机制，即可以通过反馈机制来调整当前网络流量，使网络流量与网络可用资源相协调，是一种闭环控制算法的网络机构机制，因此比较适合采用CrosssBar交换结构。FC交换芯片结构的主要功能就是把源N端口的帧交换到各个目的N端口。每个N端口都有一个3字节的标识符，类似于以太网的MAC地址。图1给出了一个FC交换机芯片的简单协议构架。交换端口在交换机中的线路接口卡（线卡）实现[7][8]。线卡是构建FC交换机底层数据通道的核心部分，主要由光收发模块、物理层芯片、MAC处理、转发引擎和串行收发器几个部分组成。交换机芯片主要是实现时钟提取，串并转换，编码解码等FC-0、FC-1和FC-2层的功能。数据经过物理层后，被提交给MAC层处理模块，该模块负责光纤通道帧的定界，CRC校验，EOF检测以及更新和处理各种可能的链路服务命令等。之后，数据进入转发引擎模块，将数据通过串行收发器传送给交换网结构进行交换。
2、基于分布式调度的核心交换电路设计
本文设计和实现的FC交换机芯片核心电路如图2所示。包括FCMAC模块、FC帧接收控制及输入调度模块、Crossbar模块、FC帧发送控制及输出调度模块等[9]。网络数据帧首先由通信端口的Serdes及PCS模块进行串并转换和解码，然后经FCMAC进入FC帧接收发送控制模块的帧接收缓冲区，在帧头进入时即提取其D_ID、优先级等信息，根据D_ID获知其目的端口，通过VOQ排队、轮询及优先级（2级）调度等手段，将此帧转发到对应FC交换机端口，再由PCS及Serdes模块编码、并串转换后发出。FCMAC控制器为FC交换机的各个端口分别调用，每个端口分别连接FCMAC来实现FC网络数据通信。FCMAC实现FC-FS标准规定的FC-1和FC-2层的部分功能，如FC端口状态机，对数据帧进行解析、封装等功能。FC帧接收发送控制及输入输出调度模块又可分为帧接收控制及输入调度模块和帧发送控制及输出调度模块。FC数据帧分别在输入时和输出时进行分布式调度。帧接收控制及输入调度模块对接收到的数据帧进行排序和VOQ入队管理以及VOQ调度。帧发送控制及输出调度模块实现数据帧请求调度及输出等功能。CrossBar模块实现M路交换机端口之间用于数据交换的交叉开关通路的建立和关闭，由多个多路选择器构成。
2.1FCMAC模块
FCMAC实现FC-FS标准规定的FC-1和FC-2层的部分功能，核心是FC端口状态机，对数据帧进行解析、封装等功能[10][11]。FCMAC模块包括管理接口模块、信用管理模块、介质访问控制器（MAC）模块、链路控制单元模块、统计模块等。其中MAC是最主要功能模块。主要实现的功能有：端口状态机（PSM）、帧控制和数据检测，包括PSM、RXFSM、发送数据仲裁和发送数据选择。链路控制单元实现了FC-FS协议所描述的输入数据的字同步和对齐功能。这个模块同时提供帧发送时的CRC校验码。
2.2FC帧接收控制及输入调度模块
本文研究和设计的FC交换机采用分布式调度，即在输入和输出端分别调度；输入端采用时间窗（固定时钟周期）调度；输出端采用公平轮询与优先级相结合的方法[12]。FC交换机所接收和发送的FC帧可划分为单播、多播及广播三种类型。帧数据从FCMAC输入到帧接收模块后，根据该帧的D_ID字段判断该帧属于单播、多播或是广播，通过CS_CTL/Priority字段、F_CTL字段、OX_ID字段得到其优先级、E端口路由等信息，根据相关信息决定路由。FC交换机支持的FC帧格式定义如图3所示。路由查找的4种情形如表1所示，通过对FC帧头的D_ID字段进行路由选择，可以得到帧路由的目的地址。FC帧接收控制及输入调度模块如图4所示。FCMAC接收到新数据，将其写入当前可用的缓冲区。同时，提取得到24bit的D_ID，判断帧类型。若此帧为广播，优先级为最高。若为多播则根据D_ID查询多播表，将查得的目的端口掩码写入多播VOQ；若为单播，则根据其目的端口是其进入对应VOQ。
2.3FC交换机交叉开关模块
每个输入端口可以通过Crossbar连接至M个输出端口，CrossBar模块实现M路交换机端口之间用于数据交换的交叉开关通路的建立和关闭，由各端口数据线的连接及其多路选择开关构成[13][14]。CrossBar在内部是无阻塞的，它可以支持所有端口同时线速交换数据。一个CrossBar只要同时闭合多个交叉节点(crosspoint)，多个不同的端口就可以同时传输数据。本文中涉及到的FC交换机的Crossbar的交换结构组成如图5所示。Crossbar采用多个多路复用器实现，多路复用器的选通控制信号根据交换机端口的数据发送请求以及该多路复用器对应的交换机端口的状态生成，即当某一路端口发生请求且与其对应的目的端口对其调度有效时，多路复用器打开，该端口与多路复用器对应的通信端口建立数据通路连接。此时，建立连接端口的数据通过多路复用器发送给通信端口，从而实现其选择输出的功能。
2.4FC帧发送控制及输出调度模块
FC帧发送控制及输出调度模块如图6所示。每个输出端口按优先级与公平轮询结合的方法调度。有数据帧输出请求的时候，调度器按照请求优先级从高到低依次处理。如有高优先级请求，则查询其中是否有多播或广播请求，如有多播或广播请求，则向以公平轮询方式指向的当前高优先级多播或广播请求发送允许，如没有多播或广播请求，则向以公平轮询方式指向的当前高优先级单播请求发出允许；如没有高优先级请求，如存在一般优先级请求，则查询其中是否有多播或广播请求，如有多播或广播请求，则向以公平轮询方式指向的当前多播或广播请求发送允许，如没有多播或广播请求，则向以公平轮询方式指向的当前高优先级单播请求发出允许。若被允许的输入端口确认连接，则数据传输开始。等待数据传输结束，释放允许，可以开始下一次调度。
3、结束语
本文通过对FC交换机芯片的结构和路由方式的研究，针对FC交换机芯片设计中的核心交换电路的设计及实现，提出一种基于交叉开关和输入输出端分布式调度的交换电路设计和实现方法，并详细介绍了该电路包含的子模块及其实现。功能仿真验证表明，该核心交换电路功能正确，满足芯片基本的交换功能需求。该核心电路的设计和实现对FC交换机的设计奠定了有效的基础，同时也对基于其他网络协议的交换机实现具有一定的借鉴意义。
作者：王玉欢 田泽 杨海波 李攀 霍卫涛 单位：中国航空计算技术研究所
