[发明专利]一种基于FPGA的电力交换机流量监控系统及监控方法

说明书

本发明公开了一种基于FPGA的电力交换机流量监控系统及监控方法，其特征在于包括PHY芯片、FPGA接收MAC模块、流量监控模块、交换芯片、处理器以及FPGA发送MAC模块。PHY芯片是以太网报文传输的物理通道；FPGA接收MAC模块完成以太网报文的解码操作，可以获得以太网报文数据内容；流量监控模块是对需要流量控制的报文进行流量监控；交换芯片完成以太网报文的转发；处理器模块完成相关的配置工作以及与FPGA进行通信；FPGA发送MAC模块把报文转发到PHY芯片，然后发送到远端电力通信设备。对于多个以太网接口可以方便的实现功能复制，降低产品开发周期，扩展方便，利用FPGA实现，灵活性高。

技术领域

本发明涉及电力系统自动化技术领域，具体涉及一种基于FPGA的电力交换机流量监控系统及流量监控算法。

背景技术

电力专用交换机是专门为电力系统智能变电站中用于以太网通信的交换机，主要对智能变电站中采样值报文(SV报文)和GOOSE报文进行特殊处理的交换机，可以实现报文在交换机内部驻留延时测量功能。

在需要提供QoS服务时，交换器要具备流量监管和流量整形的功能，从而实现对端口流量进行流量控制。目前主要有两种令牌桶算法来实现流量监控，分别是单速率三色标记算法和双速率三色标记算法。它们都是根据评估结果对以太网报文打颜色标记，即绿色、黄色和红色，根据报文的颜色把报文标记为丢弃、转发或者改变优先级等操作。令牌桶是网络设备的内部存储池，而令牌则是以给定速率填充令牌桶的虚拟信息包长度。每个到达的令牌都会从数据队列领出相应的数据包进行发送，发送完数据后令牌被删除。

根据IEEE 802.3中对以太网报文的定义，如图1所示，一条以太网报文由前导码、帧起始定界符、目的地址、源地址、以太网类型长度、数据和帧校验序列组成。

图2为单速率三色标记算法示意图：在单速率三色流量监控机制中，有两个令牌桶C桶和E桶，Tc表示C桶中的令牌数，Te表示E桶中令牌数，两桶的总容量分别为承诺突发尺寸(CBS)和超额突发尺寸(EBS)，CBS的值比EBS要小。初始状态时两桶是满的，即Tc和Te初始值分别等于CBS和EBS。令牌的承诺速率是CIR，通常是先往C桶中添加令牌，等C桶满了，再往E桶中添加令牌，当两桶都被填满时，新产生的令牌将会被丢弃。

在色盲模式下，对收到的报文进行评估，报文的长度设为b，步骤为：

如果bTc，则报文标记为绿色，且C桶中的令牌数减b，

如果TcbTe，则报文标记为黄色，且E桶Te令牌数减少b，

若bTe，则报文标记为红色，两桶总令牌数都不减少，

目前该方案应用比较广泛，但是使用到了两个令牌桶，比一个桶控制要复杂一些。

如图3所示，为双速率三色标记算法：与单速率三色标记算法不同，双速率三色标记算法的两个令牌桶C桶和P桶填充令牌的速率不同，C桶填充速率为承诺速率CIR，P桶为峰值速率PIR；两桶的容量分别为CBS和PBS。用Tc和Tp表示两桶中的令牌数目，初始状态时两桶是满的，即Tc和Tp初始值分别等于CBS和PBS。Tc的值每1/CIR秒更新一次，Tp的值每1/PIR秒更新一次，添加令牌时先添加CBS桶，CBS桶满后再添加PBS桶。如果到达的报文速率大于PIR，超过Tp+Tc部分无法得到令牌，报文被标记为红色，未超过Tp+Tc而从P桶中获取令牌的报文标记为黄色，从C桶中获取令牌的报文被标记为绿色；当报文速率小于PIR，大于CIR时，报文不会得不到令牌，但超过Tp部分报文将从P桶中获取令牌，被标记为黄色报文，从C桶中获取令牌的报文被标记为绿色；当报文速率小于CIR时，报文所需令牌数不会超过Tc，只从C桶中获取令牌，所以只会被标记为绿色报文。

在色盲模式下，对收到的报文进行评估，报文的长度设为b，步骤为：

如果bTp，则报文标记为红色，令牌数均不减少；