一种低延迟的交换机和交换机系统的制作方法

本发明涉及交换机，具体的说，涉及一种数据传输低延迟的交换机和交换机系统。

背景技术：

1、近年来，从局域网到城域网，从城域网到广域网，以太网技术以惊人的速度正占据着越来越多的市场，尤其在企业网络和运营商网络中，以太网技术越来越多地成为毫无争议的选择。从快速以太网到千兆以太网，再到万兆以太网，技术上的更新满足了新一代互联网技术所带来的高速带宽增长和新一代应用的需求。在金融交易等系统中，为了能更快的获得市场信息并获得订单，需要对系统的数据传输延迟进行不断的优化以提升系统整体性能，低延迟的交换机和低延迟的网卡等硬件系统正在越来越多地被金融服务商进行部署。

2、典型的千兆和万兆交换机具有24-48个千兆或者万兆网络接口，接口可以是电信号或者是光信号。图1是传统的以太网交换机组网原理及网络传输过程框图，数据从外部网络输入，经过交换机10分发到至少一个服务器11，每个服务器11至少包括中央处理器(cpu)113、内存114、pcie插槽115和fpga加速卡112，fpga加速卡112插在pcie插槽上，运行pcie协议，与cpu113通信。该fpga加速卡112通过光模块利用千兆/万兆以太网络接收来自外部的数据报文，待fpga加速卡112处理完成后，再将处理后的结果返回交换机10，并通过交换机10转发至外部网络或者其他服务器11。

3、在数据处理过程中，网络报文数据首先从交换机10的输入端口(例如光模块)输入至内部交换芯片101，经过交换机10的内部处理，通过交换机10的交换芯片101发送至输出端口(例如光模块)，再经过输出端口(例如光模块)由千兆/万兆以太网络传送至服务器11上的fpga加速卡112，经过fpga加速卡112的数据处理，由fpga加速卡112上的pcie接口通过pcie协议的数据格式发送至主板上的cpu113，再经过cpu113上承载的软件处理，生成新的回复报文，并通过cpu113上的pcie接口以pcie协议的数据格式发送给fpga加速卡112，回复报文进一步经过fpga加速卡112上fpga芯片的处理，通过fpga加速卡112的千兆/万兆以太网络端口(例如光模块)发送，并经过千兆/万兆以太网络再次发送给交换机10的输入端口(例如光模块)，这一系列的处理路径，数据在千兆/万兆以太网络上传输的距离长，导致数据传输效率低下，产生了大量的延迟。例如，在采用千兆交换机以千兆以太网速率进行通讯的情况下，这一延迟通常超过数十毫秒，在采用万兆交换机以万兆以太网速率进行通讯的情况下，这一延迟也高达数百微秒甚至数毫秒。并且，由于传统数据传输路径都是将标准的pcie插槽设置在服务器内的，pcie插槽上插接标准的pcie卡，这些pcie卡都是运行pcie协议的，而pcie协议的延迟通常比以太网协议的大，这也是造成数据传输延迟的原因之一。此外，pcie协议不支持组网大规模传输。

4、然而，对于延迟敏感的应用领域而言，例如金融高频交易，或者是银行交易系统的分布式微服务架构高速数据处理，即使采用万兆交换机或者更高速率的交换机和网络速率，由于数据处理路径过长等原因带来的上述延迟仍会严重影响系统性能。此外，受限于光模块占据较大的体积和功耗，fpga加速卡112一般具备1或2个千兆或者万兆接口(例如光模块)，每个fpga加速卡的网络连接带宽也限制在2gbps或者20gbps，对于一些需要大量数据汇聚的应用，例如数据汇聚节点，fpga实现的业务路由交换等加速应用，无法发挥出fpga加速卡的带宽优势。此外，对于倡导节能减排的金融数据中心来说，如何降低传输功耗，也是技术探索的重要方向。

5、因此，有必要发明一种新的交换机及交换机系统，能够有效降低数据传输的延迟、降低数据传输功耗、有效增加fpga加速卡的输入输出网络带宽。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种低延迟的交换机，包含一个交换芯片和至少一个光模块接口，所述交换芯片连接至所述光模块接口以及至少一个pcie插槽，所述交换芯片支持电路交换模式或分组交换模式，所述pcie插槽支持pcie3.0标准规范或比pcie3.0标准更高的标准规范。

2、优选地，所述交换机包括时钟管理模块，其中所述pcie插槽接收时钟管理模块的参考时钟，所述参考时钟的频率范围为25mhz～161.133mhz.

3、优选地，所述参考时钟的频率为100mhz、156.25mhz或161.133mhz.

4、优选地，所述交换芯片支持至少24个端口或48个端口。

5、优选地，所述交换芯片的端口的数据传输速率为千兆以太网或万兆以太网协议或更高速率的以太网协议所支持的速率。

6、优选地，所述交换机还包括至少一个物理层芯片、控制模块、电源模块和风扇模块，所述交换芯片连接至所述至少一个物理层芯片，所述至少一个物理层芯片连接至所述至少一个光模块接口。

7、优选地，所述pcie插槽的尺寸为八通道插槽或十六通道插槽。

8、本发明还提供了一种低延迟的交换机系统，包含如前面所述的交换机以及fpga加速卡，所述fpga加速卡与所述交换机中的pcie插槽相连接，所述fpga加速卡经配置使与之连接的pcie插槽的至少部分接口与以太网协议相适配，以便传输以太网协议数据，经设置后的所述交换芯片与所述fpga加速卡相适配。

9、优选地，所述fpga加速卡的端口的数据传输速率与所述交换芯片的端口的数据传输速率相等。

10、优选地，所述fpga加速卡经配置使与之连接的所述pcie插槽的接口中除了所述部分接口之外的其余接口中的至少部分接口还与pcie协议相适配，以便传输pcie协议数据。

11、本发明提供的技术方案与现有技术相比，至少具有以下优点：

12、本发明的交换机以及交换机系统克服了现有技术不在交换机内部设置pcie插槽的惯性思维，因为以太网交换机中的交换芯片不支持pcie协议。本发明创造性地在交换机中设置pcie插槽，为传输以太网协议数据提供了载体，本领域技术人员只需要配置与该pcie插槽相适配的fpga加速卡，同时设置交换芯片使之与所述fpga加速卡相适配，就能实现在以太网协议下传输高速数据。本实施例的交换机的数据传输路径相比于现有技术，从服务器-交换机之间数十米的千兆/万兆以太网络缩短至交换机内部的pcie插槽至交换芯片的传输路径，传输路径大大缩短，有效降低了数据处理的延迟，提高数据传输的速率，提升系统响应速度，尤其适合于金融、数据中心等对延迟敏感的业务领域。由于传输路径的缩短，不需要再通过光纤互联，大大降低了交换机的整体功耗，同时也节约了数据传输的硬件成本，有利于实现绿色环保低碳运营；通过pcie插槽实现高密度的多达8-16路的以太网数据连接，大大提升了数据传输带宽，尤其适用于高负载类型的应用。

技术特征：

1.一种低延迟的交换机(30)，包含一个交换芯片(301)和至少一个光模块接口(304-1,304-2,304-3……304-48)，其特征在于，所述交换芯片(301)连接至所述光模块接口(304-1,304-2,304-3……304-48)以及至少一个pcie插槽(302-1，302-2)，所述交换芯片(301)支持电路交换模式或分组交换模式，所述pcie插槽(302-1，302-2)支持pcie3.0标准规范或比pcie3.0标准更高的标准规范。

2.根据权利要求1所述的交换机(30)，其特征在于，所述交换机包括时钟管理模块(309)，其中所述pcie插槽(302-1，302-2)接收时钟管理模块的参考时钟，所述参考时钟的频率范围为25mhz～161.133mhz。

3.根据权利要求2所述的交换机(30)，其特征在于，所述参考时钟的频率为100mhz、156.25mhz或161.133mhz。

4.根据权利要求1-3所述的交换机(30)，其特征在于，所述交换芯片(301)支持至少24个端口或48个端口。

5.根据权利要求1-4任一项所述的交换机(30)，其特征在于，所述交换芯片(301)的端口的数据传输速率为千兆以太网或万兆以太网协议或更高速率的以太网协议所支持的速率。

6.根据权利要求1-5任一项所述的交换机(30)，其特征在于，所述交换机还包括至少一个物理层芯片(303-1,303-2,303-3……303-48)、控制模块(310)、电源模块(307)和风扇模块(308)，所述交换芯片(301)连接至所述至少一个物理层芯片(303-1,303-2,303-3……303-48)，所述至少一个物理层芯片(303-1,303-2,303-3……303-48)连接至所述至少一个光模块接口(304-1,304-2,304-3……304-48)。

7.根据权利要求1-6任一项所述的交换机(30)，其特征在于，所述pcie插槽(302-1，302-2)的尺寸为八通道插槽或十六通道插槽。

8.一种低延迟的交换机系统(40,40-1)，包含如权利要求1-7任一项所述的交换机(30)以及至少一个fpga加速卡(305-1，305-2)，其特征在于，所述fpga加速卡(305-1，305-2)与所述交换机(30)中的pcie插槽(302-1，302-2)相连接，所述fpga加速卡(305-1，305-2)经配置使与之连接的pcie插槽(302-1，302-2)的至少部分接口与以太网协议相适配，以便传输以太网协议数据，经设置后的所述交换芯片与所述fpga加速卡相适配。

9.根据权利要求8所述的交换机系统，其特征在于，所述fpga加速卡(305-1，305-2)的端口的数据传输速率与所述交换芯片(301)的端口的数据传输速率相等。

10.根据权利要求8-9中的任一项所述的交换机系统，其特征在于，所述fpga加速卡(305-1，305-2)经配置使与之连接的所述pcie插槽(302-1，302-2)的接口中除了所述部分接口之外的其余接口中的至少部分接口还与pcie协议相适配，以便传输pcie协议数据。

技术总结
本发明公开本发明提供了一种低延迟的交换机及交换机系统，其中交换机包含一个交换芯片和至少一个光模块接口，所述交换芯片连接至所述光模块接口以及至少一个PCIE插槽，所述交换芯片支持电路交换模式或分组交换模式，所述PCIE插槽支持PCIE3.0标准规范或比PCIE3.0标准更高的标准规范。本发明的交换机及系统的数据传输路径相比于现有技术，传输路径大大缩短，有效降低了数据处理的延迟和功耗，同时也节约了成本，并提升了数据传输带宽。

技术研发人员：李秋明
受保护的技术使用者：南京芯蕴科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12