CN113923173B - 网络交换设备数据面快速启动恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种网络交换设备数据面快速启动恢复方法，通过将所述网络交换设备上电或复位，通过fpga将预先保存好的配置数据发送至所述网络交换设备中的交换芯片中，以使交换芯片将所述配置数据加载至交换芯片中的寄存器和表项中，将所述数据面启动的同时，还将控制面进行启动，采用控制面与数据面分离，并行启动的方式，可以让数据面先于控制面启动。在数据面启动之前，数据面就可以完成二层或三层的数据转发，实现了在低功耗情况下，对网络交换设备数据面进行快速稳定的启动及恢复。

Description

网络交换设备数据面快速启动恢复方法

技术领域

本发明属于计算机技术领域，具体涉及一种网络交换设备数据面快速启动方法。

背景技术

在对设备“高可靠性、故障恢复快”要求很严格的应用场景下，对于网络交换设备而言，在没有受到物理损坏的情况下，其需要具备快速启动恢复数据面转发能力，且在网络交换设备因受到电磁干扰或者网络攻击而出现故障时，必须能快速启动恢复数据面的转发能力，以便及时将重要信息传递到各自所在的专有网络中。

目前，国内外网络交换设备的快速启动及故障恢复技术主要有三种技术方案：

(1)待机技术：关机时，***首先把cpu寄存器、网络芯片的相关寄存器、及其其他需要保存的信息保存在ram(random access memory，随机存取存储器)中。然后关闭除ram外的其他所有器件的电源。下次启动时，***根据ram中保存的信息，迅速恢复到关机前的状态。这种技术可以在一秒内恢复***，但是仍需要给ram等必要器件供电，功耗较高。

(2)休眠技术：开机时，***首先启动bootloader(引导加载程序)，对休眠***的相关硬件设备进行初始化，然后把快照映像从闪存复制到ram，不经过正常的启动流程，实现***的快速启动。这种技术既能加快启动速度，又能克服待机技术功耗高的缺点。但需要将操作***、应用程序完成启动后的cpu寄存器、网络芯片寄存器、以及ram信息制作成快速映像，制作快速映像的方法是主要的技术难点。目前已经开放出一些基础技术，但是还不成熟。

(3)常规启动及故障恢复优化：一般把***的启动分成固件、内核，以及应用程序启动。针对比较耗时的部分进行优化。目前研究比较多的有rc脚本优化、内核压缩算法优化、文件***优化等方面。发生故障时，也可以使用这种方式，实现快速恢复，传统交换设备的启动，一般都是需要等待控制平面启动完成，并重新生成转发表后，才能够恢复数据面转发能力，数据面转发能力恢复很慢。

因此，亟需一种低功耗的对网络交换设备数据面进行快速稳定的启动及恢复方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种网络交换设备数据面快速启动恢复方法，实现了在低功耗情况下，对网络交换设备数据面进行快速稳定的启动及恢复。

一方面，本发明提供了一种网络交换设备数据面快速启动恢复方法，所述方法包括：

S1、将所述网络交换设备上电或复位；

S2、通过fpga将预先保存好的配置数据发送至所述网络交换设备中的交换芯片中，以使交换芯片将所述配置数据加载至交换芯片中的寄存器和表项中。

进一步地，所述配置数据具体为交换芯片转发数据所需的配置数据，所述配置数据预先保存在flash存储器中，所述配置数据具体包括固有配置固件和动态配置固件。

进一步地，所述固有配置固件具体为满足所述交换芯片基本功能配置的固件，所述动态配置固件具体为***运行过程中动态扩展配置的固件。

进一步地，所述步骤S2具体包括以下分步骤：

S21、通过fpga将所述配置数据读取至所述fpga内部的配置缓冲区；

S22、通过fpga依次检测所述动态配置固件中每一条配置是否为结束标识，若是，则结束动态配置固件的加载，并执行步骤S24，若否，则执行步骤S23；

S23、判断对应配置是否有效，若是，则将对应配置发送至交换芯片中，若否，则丢弃当前对应配置；

S24、通过fpga将固有配置固件将发送至所述交换芯片中。

进一步地，其特征在于，所述配置数据具体由寄存器的值构成。

进一步地，每一条配置数据具体包括控制位、节点号、节点内偏移和配置数据的值，所述控制位具体为描述配置数据的控制信息，所述交换芯片的寄存器被划分到各个区域，每一个区域为一个节点，所述节点号具体为配置寄存器对应的节点地址，所述节点内偏移具体为节点内的偏移地址，与所述节点号共同构成寄存器在全局唯一的地址，所述配置数据的值为根据控制位、节点号、节点偏移进行寻址到的交换芯片的寄存器或表项的值。

进一步地，在所述步骤S1和所述步骤S2之间，还包括：

A1、当所述网络交换设备上电或复位后，通过底层数据面快速恢复组件向所述fpga发送数据传输恢复指令，以使所述fpga将预先保存好的配置数据发送至所述网络交换设备中的交换芯片中。

进一步地，将所述数据面启动的同时，还将控制面进行启动。

进一步地，将所述控制面进行启动，具体包括如下分步骤：

B1、启动引导加载程序；

B2、启动实时操作***；

B3、启动根文件***；

B4、运行协议模块。

与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

(1)本发明通过将所述网络交换设备上电或复位，通过fpga将预先保存好的配置数据发送至所述网络交换设备中的交换芯片中，以使交换芯片将所述配置数据加载至交换芯片中的寄存器和表项中，将所述数据面启动的同时，还将控制面进行启动，采用控制面与数据面分离，并行启动的方式，可以让数据面先于控制面启动。在数据面启动之前，数据面就可以完成二层或三层的数据转发，实现了在低功耗情况下，对网络交换设备数据面进行快速稳定的启动及恢复。

(2)本发明中将交换芯片的配置，以固件的形式，保存在flash存储器中。在设备出现故障重启时，先有fpga将配置读取到其内部设置的配置缓冲区中，fpga内部的时序远远快于***设备，这样可以加快固件配置加载的速度。

附图说明

图1所示为本发明实施例提供的网络交换设备数据面快速启动恢复方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请提出了一种网络交换设备快速启动恢复方法，如图1所示为本申请实施例提出的一种网络交换设备数据面快速启动恢复方法的流程示意图，该方法包括以下步骤：

步骤S1、将所述网络交换设备上电或复位。

步骤S2、通过fpga将预先保存好的配置数据发送至所述网络交换设备中的交换芯片中，以使交换芯片将所述配置数据加载至交换芯片中的寄存器和表项中。

在本申请实施例中，在所述步骤S1和所述步骤S2之间，还包括：

A1、当所述网络交换设备上电或复位后，通过底层数据面快速恢复组件向所述fpga发送数据传输恢复指令，以使所述fpga将预先保存好的配置数据发送至所述网络交换设备中的交换芯片中。

在具体应用场景中，在硬件上电复位或***运行过程中出现问题需要数据面恢复，由底层数据面快速恢复firmware组件向fpga发送一条数据传输恢复指令后或者以硬件的方式向fpga发送一个数据面传输快速恢复的信号，然后fpga从flash存储芯片中取出配置数据，通过交换芯片特殊的配置通道送入交换芯片，fpga(Field Programmable GateArray，现场可编程逻辑门阵列)，fpga器件属于专用集成电路中的一种半定制电路，是可编程的逻辑列阵，能够有效的解决原有的器件门电路数较少的问题。

在本申请实施例中，所述配置数据具体为交换芯片转发数据所需的配置数据，所述配置数据预先保存在flash存储器中，所述配置数据具体包括固有配置固件和动态配置固件，所述配置数据具体由寄存器的值构成。

所述固有配置固件具体为满足所述交换芯片基本功能配置的固件，所述动态配置固件具体为***运行过程中动态扩展配置的固件。

在具体的应用场景中，***上电或者复位后，就进行数据面的启动。交换芯片所需二层及三层转发的配置数据，以固件(配置数据固件分为固有配置固件、动态配置固件)的形式保存在flash中，所谓固有配置固件是指满***换芯片基本功能配置，如时钟、pcie、serdes、二层、三层等的配置，一旦设备硬件设计确定，其配置基本不会改变。动态配置固件，是指在***运行过程中动态扩展的配置，flash的区域划分可简单划分为固有配置固件区域和动态配置固件区域。

在本申请实施例中，所述步骤S2具体包括以下分步骤：

S21、通过fpga将所述配置数据读取至所述fpga内部的配置缓冲区；

S22、通过fpga依次检测所述动态配置固件中每一条配置是否为结束标识，若是，则结束动态配置固件的加载，并执行步骤S24，若否，则执行步骤S23；

S23、判断对应配置是否有效，若是，则将对应配置发送至交换芯片中，若否，则丢弃当前对应配置；

S24、通过fpga将固有配置固件将发送至所述交换芯片中。

在具体应用场景中，Fpga发送的配置固件是以条目的形式，一条一条罗列，每一条配置都是固定的格式，交换芯片从该配置通路后，S23中的有效性判断，是指交换芯片对收到的配置数据的格式进行检查，如果格式不符则从交换芯片内部链路上直接丢弃。

***上电或复位时，fpga读取flash中的固有配置固件区域中读取配置数据，保存到自身内部缓冲区，然后再由交换芯片通过主动配置通道(其与fpga之间通信总线时钟是由交换芯片提供的)，从fpga的缓冲区中读取固有配置固件中的配置数据。交换芯片通过该专用配置通道读取固有配置固件中的配置数据后，通过芯片内部逻辑，将配置数据配置到内部的寄存器或者表项中。

动态配置固件是动态改变的，其配置数据是由cpu决定的，是在运行过程中cpu周期性地将一些重要配置，写入到flash的动态配置固件区。动态配置固件的加载，是通过交换芯片另外一个专用配置通道完成的，该配置通道是一个被动的通道，其在与fpga之间的通信总线上是作为从机，总线上的时钟是由fpga提供，采用这种分通道配置的方式，是因为我们预先并不能确定是否有动态配置，需要配置到交换芯片，所以由fpga去检测flash中动态配置固件的结束标志，如果在检测到结束标志之前，发现有配置数据，检测其有效性，将有效的配置加载到芯片内部的寄存器和表项中。关于固有固件与动态配置固件，配置的时序，这是结合交换芯片冷复位的时序来确定的。

也就是说，***上电或者复位时，fpga控制自主交换芯片的的复位时序，在复位交换芯片之前，fpga从flash中将动态配置固件读取到自身分配的动态配置缓冲区，等待固有固件配置完成之后，配置动态配置固件。配置动态配置固件时，先检测从动态配置固件缓冲区读出来的配置数据，若为结束标志，则动态配置固件的加载结束。若不是动态配置结束标志，则检测配置数据的有效性，若有效则将其发送到自主交换芯片的被动配置通道，否则继续从动态配置固件区继续读取下一条配置。

在本申请实施例中，每一条配置数据具体包括控制位、节点号、节点内偏移和配置数据的值，所述控制位具体为描述配置数据的控制信息，所述交换芯片的寄存器被划分到各个区域，每一个区域为一个节点，所述节点号具体为配置寄存器对应的节点地址，所述节点内偏移具体为节点内的偏移地址，与所述节点号共同构成寄存器在全局唯一的地址，所述配置数据的值为根据控制位、节点号、节点偏移进行寻址到的交换芯片的寄存器或表项的值。

在具体应用场景中，flash存储芯片保存了交换芯片的配置数据，包括二层或三层的寄存器及表项的配置。根据交换芯片的特性，所有的配置数据都由寄存器的值构成，即使是表项数据，也是通过寄存器间接配置。故配置数据区域的格式由一条一条的数据寄存器配置值组成，每一条配置数据由四部分组成：

控制位：8位数据，用于描述配置数据的一些控制信息。目前仅三个值有效，0代表本条数据有效，255代表数据无效，230代表配置结束标志。

节点号：8位数据。交换芯片的寄存器划分到各个区域，每一个区域称之为一个节点。节点号描述了配置寄存器对应的节点地址。

节点内偏移：16位数据。节点内的偏移地址，与节点号一起构成了寄存器全局唯一的地址。

配置数据的值：为根据控制位、节点号、节点偏移进行寻址到的交换芯片的寄存器或表项的值，也是64位的寄存器的值。

fpga按照顺序读取flash中配置区域的配置数据，根据配置数据条目中的控制字段的不同值，决定该条配置数据是上送交换芯片的专用配置通道，或者直接丢弃(当配置需要延时时，可能就需要在flash中加入一些无效配置，这种无效配置仅用来做延时处理)，根据配置数据的控制位可以确定配置是否已经加载完毕。

综上，也就是说，***上电或者复位后，就进行数据面的启动。交换芯片所需二层及三层转发的配置数据，以固件(配置数据固件分为固有配置固件、动态配置固件)的形式保存在flash中，fpga从flash中读取交换芯片所需要的配置数据，并将配置数据保存到自己内部的配置数据缓冲区中,对于固有配置数据，由交换芯片通过主动配置通道，来主动读取；而对于动态配置数据，则有fpga将其送到交换芯片的被动配置通道(fpga与交换芯片，都可以配置配置通道的通道速率，将该接口做成专用通道，避免在使用通用器件时，受到通用器件速率限制，其目的在于配置数据能够快速到达交换芯片)，交换芯片得到配置数据之后，通过其内部逻辑，将配置数据加载到自己的寄存器和表项中

在本申请实施例中，将所述数据面启动的同时，还将控制面进行启动，将所述控制面进行启动，具体包括如下分步骤：

B1、启动引导加载程序；

B2、启动实时操作***；

B3、启动根文件***；

B4、运行协议模块。

具体的，控制面的启动大致经过bootloader也即引导加载程序、kernel也即实时操作***、rootfs也即根文件***、运行协议模块几个阶段。将网络交换设备控制面启动过程的各个阶段，概要描述如下：

bootloader的实现严重依赖于硬件的体系架构。一般来说，bootloader分为stage1和stage2两个阶段，stage1主要完成硬件初始化，包括cpu主频设置、关闭dcache、icache可打开也可关闭、关闭看门狗、初始化内存、设置堆栈指针，把stage2的代码复位到内存中，为bootloader的stage2阶段准备好运行环境，以及跳转到stage2的c入口点；stage2主要初始化本阶段使用到的硬件(例如:mmu等)、检测虚拟内存与物理内存的映射机制、把内核及根文件***复制到内存中、设置内核启动参数，最后调用内核。

kernel主要负责完成对内存、进程、文件、设备、网络等资源的管理，kernel与各种工具组成了操作***。

rootfs根文件***是linux操作***中用于明确存储设备(常见的是磁盘，也有基于nand flash的固态硬盘)或分区上的文件的方法和数据结构；即在存储设备上组织文件的方法。操作***中负责管理和存储文件信息的软件机构称为文件管理***，简称文件***。文件***由三部分组成：文件***的接口，对对象操作和管理的软件集合，对象及属性。从***角度来看，文件***是对文件存储设备的空间进行组织和分配，负责文件存储并对存入的文件进行保护和检索的***。具体地说，它负责为用户建立文件，存入、读出、修改、转储文件，控制文件的存取，当用户不再使用时撤销文件等。

协议模块主要是运行专用网络交换设备需要的协议，完成特定的功能。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种网络交换设备数据面快速启动恢复方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、将所述网络交换设备上电或复位；

S2、通过fpga将预先保存好的配置数据发送至所述网络交换设备中的交换芯片中，以使交换芯片将所述配置数据加载至交换芯片中的寄存器和表项中；

所述配置数据具体为交换芯片转发数据所需的配置数据，所述配置数据预先保存在flash存储器中，所述配置数据具体包括固有配置固件和动态配置固件；

所述固有配置固件具体为满足所述交换芯片基本功能配置的固件，所述动态配置固件具体为***运行过程中动态扩展配置的固件；

所述步骤S2具体包括以下分步骤：

S21、通过fpga将所述配置数据读取至所述fpga内部的配置缓冲区；

S22、通过fpga依次检测所述动态配置固件中每一条配置是否为结束标识，若是，则结束动态配置固件的加载，并执行步骤S24，若否，则执行步骤S23；

S23、判断对应配置是否有效，若是，则将对应配置发送至交换芯片中，若否，则丢弃当前对应配置；

所述步骤S23中进行的有效性判断，指交换芯片对收到的配置数据的格式进行检查，若格式不符则从交换芯片内部链路上直接丢弃；

S24、通过fpga将固有配置固件将发送至所述交换芯片中；

***上电或复位时，fpga读取flash中的固有配置固件区域中读取配置数据，保存到自身内部缓冲区，由交换芯片通过主动配置通道，从fpga的缓冲区中读取固有配置固件中的配置数据，其与fpga之间通信总线时钟由交换芯片提供；

交换芯片通过该专用配置通道读取固有配置固件中的配置数据后，通过芯片内部逻辑，将配置数据配置到内部的寄存器或者表项中；

动态配置固件的加载，通过交换芯片另外一个专用配置通道完成，该配置通道为一个被动的通道，其在与fpga之间的通信总线上作为从机，总线上的时钟由fpga提供。

2.如权利要求1所述的网络交换设备快速启动恢复方法，其特征在于，所述配置数据具体由寄存器的值构成。

3.如权利要求1所述的网络交换设备快速启动恢复方法，其特征在于，每一条配置数据具体包括控制位、节点号、节点内偏移和配置数据的值，所述控制位具体为描述配置数据的控制信息，所述交换芯片的寄存器被划分到各个区域，每一个区域为一个节点，所述节点号具体为配置寄存器对应的节点地址，所述节点内偏移具体为节点内的偏移地址，与所述节点号共同构成寄存器在全局唯一的地址，所述配置数据的值为根据控制位、节点号、节点偏移进行寻址到的交换芯片的寄存器或表项的值。

4.如权利要求1所述的网络交换设备数据面快速启动恢复方法，其特征在于，在所述步骤S1和所述步骤S2之间，还包括：

A1、当所述网络交换设备上电或复位后，通过底层数据面快速恢复组件向所述fpga发送数据传输恢复指令，以使所述fpga将预先保存好的配置数据发送至所述网络交换设备中的交换芯片中。

5.如权利要求1所述的网络交换设备数据面快速启动恢复方法，其特征在于，将所述数据面启动的同时，还将控制面进行启动。

6.如权利要求5所述的网络交换设备数据面快速启动恢复方法，其特征在于，将所述控制面进行启动，具体包括如下分步骤：

B1、启动引导加载程序；

B2、启动实时操作***；

B3、启动根文件***；

B4、运行协议模块。