基于千兆以太网的高速数据传输系统设计

林瑜

摘 要： 千兆以太网高速数据的传输经常出现超负荷现象，为解决这一问题，设计兼顾吞吐量、应用兼容性和独立处理能力的千兆以太网高速数据传输超负荷监控系统。系统的负荷监控模块主要进行千兆以太网高速数据传输的超负荷检测，并给出超负荷数据的数据特征。负荷监管模块根据该数据特征，为其选取较为合理的超负荷缩减方式，主要有单相监管、旁路监管和混合监管。单相监管进行数据特征单一负荷的缩减工作；旁路监管进行数据特征复杂负荷的缩减工作；混合监管将单相监管和旁路监管的特点融合，是系统的默认超负荷缩减方式。系统实现部分给出了系统监控结果传输代码，以及监控服务器显示流程图。经实验验证可知，所设计的系统拥有吞吐量和应用兼容性高、独立处理能力强的特点。

关键词： 千兆以太网； 高速数据传输； 超负荷监控系统； 吞吐量

中图分类号： TN948.64?34； TN912.3 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）06?0144?04

Abstract： In order to solve this problem that the Gigabit Ethernet high?speed data transmission often appears in the overload phenomenon， an overload monitoring system for the Gigabit Ethernet high?speed data transmission was designed， which takes account of the throughput， application compatibility and independent processing capacity. The load monitoring module of the system is used to detect the overload of the Gigabit Ethernet high?speed data transmission， and give the data characteristics of the overload data. The load supervision module selects a reasonable overload reduction mode for itself according to the data characteristics， including the single?phase supervision， bypass supervision and mixed supervision. The single?phase supervision performs the single load reduction for the data characteristics. The bypass supervision performs the complex load reduction for the data characteristics. The mixed supervision is a default overload reduction mode of the system， which fuses the characteristics of the single?phase supervision and bypass supervision. The transmission code of the system supervision result and display flow chart of the supervision server are given in the third part of this paper. The experimental verification results show that the system has the characteristics of high throughput， high application compatibility and strong independent processing capacity.

Keywords： Gigabit Ethernet； high?speed data transmission； overload monitoring system； throughput

0 引 言

电子科技的不断发展使人们的生活愈加丰富多彩，而各领域对电子科技成果的需求也越来越高，千兆以太网应运而生。近年来，千兆以太网高速数据的传输经常出现超负荷现象，以往仅借助中央处理器进行传输监控的系统渐渐被淘汰。千兆以太网高速数据传输超负荷监控系统的产生，正逐渐解决这一问题[1?3]。但以往设计的千兆以太网高速数据传输超负荷监控系统局限性较强，人们期盼着性能更高的千兆以太网高速数据传输超负荷监控系统的产生[4?5]。

之前设计的千兆以太网高速数据传输超负荷监控系统的吞吐量和应用兼容性不高、独立处理能力不强，如文献[6]设计基于Web的千兆以太网高速数据传输超负荷监控系统，该系统作为较为早期的设计成果，能够通过Web网页对千兆以太网的高速数据传输负荷进行解析和显示。该系统的各项性能虽不高，但却为后期的设计指引了方向。文献[7]设计基于同步机器人的千兆以太网高速数据传输超负荷监控系统，该系统是对文献[6]中系统的改进，其利用机器人的可移动性能，增强了系统的应用兼容性和独立处理能力，但由于机器人的存储量有限，故该系统的吞吐量不高。文献[8]设计基于单片机的千兆以太网高速数据传输超负荷监控系统，该系统在千兆以太网高速数据传输通道上加入单片机，利用单片机体积小、处理能力强的特点，对数据传输负荷进行实时、高效监控和处理，在各领域的应用中发挥了重要作用。但该系统的吞吐量仍需进一步提升。文献[9]提出基于INET?CNC的千兆以太网高速数据传输超负荷监控系统，该系统在Web 服务器中加入INET?CNC软件，INET?CNC软件能够使系统在无人为操作的情况下，自动进行千兆以太网高速数据传输负荷的监控。整个系统的吞吐量和独立处理能力较高，但应用兼容性不高。

为了解决上述系统存在的局限性，设计出一种兼顾吞吐量、应用兼容性和独立处理能力的千兆以太网高速数据传输超负荷监控系统，以满足人们日益增长的需求。

1 千兆以太网高速数据传输超负荷监控系统设计

1.1 系统整体架构设计

千兆以太网高速数据传输超负荷监控系统由负荷检测模块、负荷监管模块和监控服务器组成，如图1所示。

图1中的负荷检测模块利用处理器、检测器和负荷资料库对以太网高速数据传输的负荷情况进行检测，将超负荷的高速传输数据传给负荷监管模块进行超负荷缩减，最终的监控结果将反馈给监控服务器，供用户查看、使用。

1.2 负荷检测模块设计

负荷检测模块主要进行千兆以太网高速数据传输的超负荷检测，并确定负荷的数据特征。该模块所进行的工作是千兆以太网高速数据传输超负荷监控系统的基本流程，负荷检测工作的准确性直接影响着系统的独立处理能力。

负荷检测模块由处理器、检测器和负荷资料库组成，处理器进行千兆以太网高速数据传输负荷的筛选工作，其将超负荷的传输通道筛选出来传递给检测器。检测器利用英寸技术，专门针对超负荷传输通道进行数据超负荷检测。英寸技术首先将检测出的负荷量较大的数据，通过负荷资料库确定该数据的特征类型，进而实现超负荷缩减。若缩减后的负荷仍会造成传输超负荷，检测器则继续按照由大至小的顺序检测传输负荷量，最终将传输通道的超负荷状态调至正常状态。图2是检测器与负荷资料库接口电路示意图。

由图2可知，负荷检测模块的检测器能够向负荷资料库发送传输控制指令，即负荷资料库应在控制指令的监控下进行工作，检测器也会为其工作计时。与此同时，负荷资料库根据互补晶体逻辑，对自身的工作进行计时，并将计时结果传回检测器，进行两种计时的对比，最终得出最为准确的计时结果。

传输控制指令里主要包含負荷识别、数据传输控制和数据特征标准协议。因此，在负荷资料库中，只有符合数据特征标准协议的数据，其传输负荷才能够被识别和控制。这样设计能够在一定程度上排除处理器的处理误差，提高了千兆以太网高速数据传输超负荷监控系统的独立处理能力。而且，负荷资料库中的数据是不断更新的，可间接提高系统吞吐量。

检测器与负荷资料库的接口电路主要由缓冲器和协议收发器组成。由于千兆以太网高速数据传输超负荷监控系统的存储能力有限，故缓冲器的加入避免了高速数据传输负荷的传输拥堵。协议收发器能够对数据特征标准协议进行识别和传输，排除系统在不正常工作状态下，数据特征标准协议中信息被非法修改的情况。经负荷资料库处理后的传输负荷将传输到负荷监管模块进行超负荷缩减。

1.3 负荷监管模块设计

负荷监管模块的工作由负荷标准监管和监控结果监管两部分组成，负荷标准监管给予传输负荷标准处理方案，负荷监管模块根据该方案对传输负荷进行缩减。监控结果监管对负荷标准监管的结果进行解析、汇总和存储，其主要解析工作是查询监控结果的内存状态和信息乱码率，解析结果将汇总后生成报表并存储。用户不能对解析进程进行人为干预，但可以手动写入新的解析语言，也能够对所生成的报表进行修改。

负荷监管模块对超负荷缩减工作的监管方式有三种，分别是单相监管、旁路监管以及混合监管。负荷监管模块会为传输负荷自动选择较为适合的监管方式，以提高千兆以太网高速数据传输超负荷监控系统的吞吐量和独立处理能力。单相监管配置图如图3所示。

由图3可知，对于数据特征比较单一的负荷，负荷监管模块会为其选择单相监管。单相监管的负荷处理设备直接通过路由器与用户的监控服务器相连，其特点是效率高，主要表现在收发负荷数据快、处理速度快两方面，能够最大化地提高千兆以太网高速数据传输超负荷监控系统的吞吐量和独立处理能力。但单相监管存在传输安全性不高、线路易发生故障等缺点，故在进行数据特征较为复杂的超负荷缩减工作时，应选择旁路监管，如图4所示。

由图4可知，旁路监管在单相监管的基础上，于各传输通道上安装了负荷监管器和负荷分流器。负荷监管器能够对传输通道进行检测和控制。一旦检测出传输通道的损伤或拥堵，负荷监管器便会在第一时间采取相应的手段进行控制，并将传输通道的状态发送给用户。负荷分流器的设计本质是为了避免传输通道的拥堵，但是实际应用中，负荷监管器也会在传输通道损伤和拥堵的情况下，临时调用负荷分流器将不正常传输通道上的传输负荷合理分配到其他传输通道中。

旁路监管能够完成所有数据特征的超负荷缩减工作，独立处理能力较强，但其工作效率不如旁路监管。在千兆以太网高速数据的传输中，数据特征往往并不能单纯依靠其复杂程度衡量，故常将旁路监管和单相监管的特点相融合，构成混合监管。图5是混合监管配置图。如图5所示，混合监管在融合旁路监管和单相监管优点的同时，克服了两种方式的各自缺陷。如用户无特殊要求，负荷监管模块的监管方式将默认为混合监管。

混合监管在旁路监管的基础上设计了后台服务器，其作用是对传输负荷进行特征识别，将传输负荷合理分配给旁路监管和单相监管。当负荷监管模块进行单相监管时，后台服务器将关闭负荷监管器和负荷分流器，并对单相监管实施流程控制，保证其运行安全性；当模块进行旁路监管时，后台服务器将提供控制策略（包括P2P下载和上传策略、负荷分流策略等）以提高其处理效率。

2 千兆以太网高速数据传输超负荷监控系统实现

2.1 监控结果传输代码设计

监控服务器通过路由器接收千兆以太网高速数据传输超负荷监控系统的最终监控结果，用户可利用监控服务器在网页上实时查看监控结果。路由器传输监控结果的代码设计如下：

Read_Monitor Results（）；

//路由器读取监控结果

Deferblack（0x000006B）； //缓冲

Monitor Results=Monitor Results_16c21（）；

//采集监控结果

Difference analysis Amount（230，178，Monitor Results，Black，White）；

x_0=y[1]； //系統初次电压监控

Per1 = （x_0*100/2048）； //计算电压标准差值

Electric tension1 = Per1*21；

x_1=y[2]； //系统二次电压监控

Electric tension2=（x_1*100/2048）*21；

Difference analysis Amount（230，198，Electric tension2，Black，White）；

x_2=y[3]； //系统三次电压监控

Electric tension3=（x_2*100/2048）*21；

Difference analysisAmount（230，218，Electric tension3，Black，White）；

2.2 监控服务器显示流程设计

千兆以太网高速数据传输超负荷监控系统软件提供的监控服务器显示流程图如图6所示。

由图6可知，监控服务器显示系统监控的流程为：监控服务器在接收监控结果前，软件先对监控服务器进行初始化，再进行监控结果的读取工作。为了令监控结果能够较为完整地显示在监控服务器上，需对监控结果的格式进行转换。当监控结果读取接收后，软件会初始化数据包，再调用数据包对监控结果进行打包处理，将监控结果的格式转换成用户所选格式。若用户所选格式不能直接被监控服务器接收，软件将发出控制指令，为监控服务器下载显示数据包，再进行显示；若能够直接接收，则直接对监控结果进行显示。

3 实验验证

根据设计初衷，对本文所设计的千兆以太网高速数据传输超负荷监控系统依次进行吞吐量、应用兼容性以及独立处理能力的验证实验。

各界对千兆以太网高速数据传输超负荷监控系统的吞吐量要求较高，吞吐量也是保证系统实现超负荷合理监控的基础。在吞吐量验证实验中，实验选择的对比实验对象是基于INET?CNC的千兆以太网高速数据传输超负荷监控系统，实验结果如表1所示。

由表1可知，本文系统的吞吐量高于基于INET?CNC的千兆以太网高速数据传输超负荷监控系统的吞吐量。表1中的并发连接数代表系统的吞吐能力，可见，本文系统的超高吞吐量并未影响到自身吞吐能力，验证了本文系统吞吐量高的特点。

为验证本文系统的应用兼容性，实验随机选取了6种以太网常用软件，本文系统对这6种软件的判断能力越高、数据超负荷识别误差越小，系统的应用兼容性就越高。本文系统应用兼容性实验结果如表2所示。

由表2可知，本文系统对上述6款软件的判断能力均高于95%，且不存在识别误差，验证了本文系统应用兼容性高的特点。

在独立处理能力的验证中，实验将系统对上述6种软件的独立处理能力输出，并额外选取了2种不常用的以太网软件进行了实验，将实验结果汇总成曲线图，如图7所示。

由图7能够清楚地得出，本文系统对常用软件的独立处理能力维持在[[1×107]Kb/s，[1.1×107] Kb/s]之间，对不常用软件平均独立处理能力也高达[0.97×107] Kb/s，验证了本文系统独立处理能力强的特点。

4 结 论

本文设计兼顾吞吐量、应用兼容性和独立处理能力的千兆以太网高速数据传输超负荷监控系统。系统的负荷监控模块主要进行千兆以太网高速数据传输的超负荷检测，并给出超负荷数据的数据特征。负荷监管模块根据该数据特征，为其选取较为合理的超负荷缩减方式，主要有单相监管、旁路监管和混合监管。单相监管进行数据特征单一负荷的缩减工作；旁路监管进行数据特征复杂负荷的缩减工作；混合监管将单相监管和旁路监管的特点融合，是系统的默认超负荷缩减方式。系统实现部分给出了系统监控结果传输代码，以及监控服务器显示流程。经实验验证可知，所设计的系统拥有吞吐量和应用兼容性高、独立处理能力强的特点。

参考文献

[1] 李杰，任勇峰，李辉景，等.基于千兆以太网的高速图像数据传输系统实现[J].电视技术，2015，39（21）：40?43.

[2] 袁阳，孟李林.基于FPGA的千兆以太网数据传输设计[J].电子科技，2016，29（2）：156?158.

[3] 赵文达，赵建，曲锋，等.嵌入式千兆网高清视频传输系统设计[J].液晶与显示，2014，29（3）：383?388.

[4] 宗安，姚振东，佘勇，等.多普勒天气雷达高速数据采集系统的设计[J].成都信息工程学院学报，2015，30（2）：136?143.

[5] 侯义合，张冬冬，丁雷.基于FPGA+MAC+PHY的千兆以太网数传系统设计[J].科学技术与工程，2014，14（19）：275?279.

[6] 童天成，叶建芳.新型即插即用星载计算机千兆以太网系统设计[J].微型机与应用，2015，34（15）：40?43.

[7] 潘波，朱伟，袁静.基于SerDes的千兆以太网设计与实现[J].微处理机，2014，35（1）：32?34.

[8] 贺春艳，庹先国，刘勇，等.一种低成本高速以太网?RS 485网关设计[J].自动化与仪表，2014，29（8）：24?28.

[9] 王浩，李磊，杨洁，等.基于以太网传输的高速32通道数据采集系统[J].核科学与工程，2015，35（4）：780?784.