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線卡通信系統(tǒng)的基本構(gòu)件

作者:Cypress半導(dǎo)體公司產(chǎn)品市場經(jīng)理 Richard Quon 時間:2004-07-23 來源: 收藏
如今高性能通信系統(tǒng)有多種形式,在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中,它也許是路由器,或是將以太局域網(wǎng)(LAN)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至OC-48 SONET光網(wǎng)絡(luò)的多業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)換裝置;在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中,它可能是第三代寬帶無線網(wǎng)絡(luò)控制器(RNC),將基站(BTS)的移動蜂窩電話呼叫發(fā)送至公共交換電話網(wǎng)(PSTN);在存儲網(wǎng)絡(luò)中,它可以是將服務(wù)器的數(shù)據(jù)備份至廉價磁盤冗余陣列(RAID)的光纖通道存儲轉(zhuǎn)換器。無論何種特殊類型的網(wǎng)絡(luò),這些系統(tǒng)的共同用途是接收來自信息源的數(shù)據(jù),決定它需要發(fā)至何處,并有效地將它傳送至目的地。為了支持這些關(guān)鍵功能,需要有一套通用通信元件或“基本構(gòu)件”構(gòu)建這些系統(tǒng)。
這些系統(tǒng)的中心架構(gòu)通常由許多功能相似的電路板構(gòu)成,這些系統(tǒng)通過一個終端連接至外部;在另一端它們互相連接在一起。在路由器、無線網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)或存儲域網(wǎng)絡(luò)(SAN)交換機(jī)中,能找到數(shù)十種這樣的通用電路板。它們運(yùn)行系統(tǒng)的大多數(shù)關(guān)鍵功能,包括接收、處理、轉(zhuǎn)接及傳輸數(shù)據(jù)。在本文中,我們將這些功能相似的電路板稱為“線卡”。
典型的線卡可劃分為三個明顯的區(qū)域:端口、信息包處理及背板部分,端口部分在線卡和外部之間傳遞格式正確的數(shù)據(jù),采用Ethernet或SONET等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議;信息包處理部分則處理數(shù)據(jù),設(shè)定其傳送優(yōu)先級,并做好傳輸至其目的地的準(zhǔn)備;背板部分的作用是對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖、排列、調(diào)度,并傳輸至其它的互連線卡,然后反轉(zhuǎn)路徑,將數(shù)據(jù)發(fā)送至它的正確的目的地。為了簡化說明,我們特別研究廣域網(wǎng)(WAN)領(lǐng)域的系統(tǒng),如路由器,簡要說明線卡的基本功能。存儲和無線領(lǐng)域的線卡的端口和背板部分可能具有相似的功能和元件。然而,它們不需要信息包處理功能。
端口部分的主要功能是將線卡連接至外部,因此,除其本身外,它必須能夠與系統(tǒng)通信,必須采用通用語言或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),這部分由兩個器件構(gòu)成,一個器件能夠?qū)?shù)據(jù)放置在介質(zhì)(PHY)上,或從介質(zhì)上取得數(shù)據(jù),另一個器件將數(shù)據(jù)格式化為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信息包(即成幀器)。
PHY——這個術(shù)語代表“物理層器件”,它代表開放系統(tǒng)互連(OSI)模型的最低層,在采用銅連線的系統(tǒng)中,PHY可直接連接至物理介質(zhì),或者連接光模組,以便在光纖鏈路上發(fā)送光數(shù)據(jù)。在任一情況下,PHY的主要功能是將從介質(zhì)接收的電信號轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)能夠解譯的數(shù)據(jù),主要工作是將數(shù)據(jù)傳輸至線卡和從線卡接收數(shù)據(jù)。遵從行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、低功耗、集成化或信號抖動性能是端口PHY的部分最重要特性。
成幀器——這個器件的名稱來自于它的主要功能,將從PHY至線卡其它元件的數(shù)據(jù)“成幀”和“解幀”為正確的格式。在SONET網(wǎng)絡(luò),成幀器從PHY取得數(shù)據(jù)的SONET幀,再將其解幀為另一種系統(tǒng)所用的格式??蓪?shù)據(jù)進(jìn)行智能處理,如虛擬級聯(lián),從而動態(tài)分配帶寬,使系統(tǒng)帶寬的效率更高。
信息包處理——這部分主要包含在廣域網(wǎng)的通信系統(tǒng)中,存儲域網(wǎng)絡(luò)和無線基礎(chǔ)設(shè)施通信系統(tǒng)則相反。信息包處理部分的主要功能是處理數(shù)據(jù),做好有效傳送至其目的地的準(zhǔn)備。通常采用網(wǎng)絡(luò)處理器(NPU)來快速處理數(shù)據(jù)包,并將數(shù)據(jù)存儲在存儲器(RAM)中。因?yàn)槁酚善髦械臄?shù)據(jù)需要發(fā)送至目的地,必須進(jìn)行表查尋,將數(shù)據(jù)與其適當(dāng)?shù)幕谠吹刂贰?yōu)先級等條件的目的地址相匹配。網(wǎng)絡(luò)搜索引擎(NSE)適用于運(yùn)作速率為OC-48(2.5Gb/s)或更高的系統(tǒng),提供高性能的查尋功能,為了提高處理性能,采用網(wǎng)絡(luò)協(xié)處理器(NCP)卸載NPU的工作任務(wù)。
網(wǎng)絡(luò)處理器(NPU)——NPU可對數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化決策,用于信息包分類。這可幫助實(shí)施基于服務(wù)質(zhì)量(QoS)和服務(wù)級別(CoS)等規(guī)則的功能,用于區(qū)分信息包的優(yōu)先順序。NPU是經(jīng)過優(yōu)化適合網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的設(shè)備(與通用CPU相比),能夠?qū)崿F(xiàn)多千兆速率的線速處理。
網(wǎng)絡(luò)協(xié)處理器(NCP)——NCP運(yùn)行非常特別的網(wǎng)絡(luò)功能,如查尋表搜索等,有助于減輕NPU的負(fù)擔(dān),它還可用作橋接芯片,簡化NPU和信息包處理部分的其它元件(NSE和存儲器等)之間的互連,無需附加的界面粘接邏輯,通常NCP將幫助管理儲存在NSE和存儲器中的表,并幫助將NPU的搜索要求傳遞至表,優(yōu)化搜索性能。這有助于大幅提高系統(tǒng)的整體性能。
網(wǎng)絡(luò)搜索引擎(NSE)——NSE的架構(gòu)優(yōu)化用于表搜索,它可為NPU提供加速表查尋功能,NSE能夠匹配數(shù)據(jù),在單個時鐘循環(huán)內(nèi)獲得結(jié)果。采用算法方案的相似搜索需要進(jìn)行多重循環(huán),才能完成一項(xiàng)匹配;因此,NSE可進(jìn)行最高效的表搜索。在運(yùn)作速率為OC-48(2.5Gb/s)或以上的通信應(yīng)用中,采用NSE進(jìn)行表搜索是實(shí)現(xiàn)線速處理的必需,通常搜索結(jié)果是存儲器中數(shù)據(jù)的索引指示器,用于決定信息包的優(yōu)先順序、目的地等。
存儲器——存儲器(由于高性能要求,采用基于SRAM的存儲器)儲存表的數(shù)據(jù),由NSE決定的索引用來尋地址存儲器,讀出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。來自存儲器的數(shù)據(jù)經(jīng)過NCP傳遞回來,NPU用這些數(shù)據(jù)來修改數(shù)據(jù)包。因此,信息包處理部分的所有元件均協(xié)同工作,為系統(tǒng)提供高速、有效的表搜索。
背板——背板部分是線卡中與系統(tǒng)內(nèi)的所有其它線卡互連的部分,這部分包括許多關(guān)鍵的系統(tǒng)功能,如時鐘分配、緩沖、排隊(duì)、調(diào)度、轉(zhuǎn)接及最終將數(shù)據(jù)發(fā)送至另一個線卡。雖然線卡所有部分的元件均需要計(jì)時功能,但這個功能做在背板部分。
時鐘——系統(tǒng)計(jì)時是通信系統(tǒng)所需的關(guān)鍵功能,用來與其各個元件協(xié)調(diào)計(jì)時,時鐘用于元件同步、高速時鐘生成,以及圍繞線卡的計(jì)時分布??刹捎迷S多類型的時鐘,包括簡單的晶體振蕩器、頻率計(jì)時發(fā)生器、傳播頻譜計(jì)時發(fā)生器、非零計(jì)時延遲緩沖器、帶PLL的零延遲緩沖器、級別/信號譯碼器,以及可編程偏移時鐘緩沖器。
邏輯——固定功能的邏輯器件或可編程邏輯器件用于所有的通信系統(tǒng)中,控制多數(shù)其它元件。在許多情況下,這些邏輯器件可視作系統(tǒng)的智能部分,常常為ASIC、FPGA或CPLD 器件,它們幫助控制其它器件,運(yùn)行固定的數(shù)據(jù)處理功能,進(jìn)行信號接口轉(zhuǎn)換、信息包傳輸調(diào)度,并且常常能夠在單個器件中集成一些圍繞它的其它功能區(qū)塊(如計(jì)時裝置和存儲器)。
存儲器——背板普遍需要采用存儲器以緩沖通過線卡傳遞的數(shù)據(jù),由于數(shù)據(jù)所需的接入速率高,通常采用靠近背板互連部分的SRAM存儲器,如果存儲器用作背板部分多個器件之間的臨時儲存點(diǎn),可能需要多重時域功能。采用雙端口RAM或FIFO,常??墒瓜到y(tǒng)設(shè)計(jì)更簡單,并且,存儲器常劃分為多個隊(duì)列或FIFO,以方便基于規(guī)則、級別或服務(wù)質(zhì)量的信息包傳遞。
轉(zhuǎn)接元件——線卡的數(shù)據(jù)可能需要轉(zhuǎn)接至系統(tǒng)中的任何其它線卡,雖然轉(zhuǎn)接功能可以獨(dú)立進(jìn)行,單獨(dú)的轉(zhuǎn)接卡與所有線卡的背板互連,可能每一個線卡需要一個轉(zhuǎn)接元件。如果線卡上存在多重PHY,轉(zhuǎn)接元件有助于將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接至正確的PHY,或Quad PHY。如果系統(tǒng)存在線端阻塞(防止由于低優(yōu)先級別的信息包阻塞路徑,導(dǎo)致高優(yōu)先級別的信息包被延誤,)的問題,轉(zhuǎn)接元件有助于重新安排數(shù)據(jù)通道,以確保首先傳送最高優(yōu)先級別的數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)接元件也可用于數(shù)據(jù)的多路傳輸,或?qū)⒕€卡的多重處理路徑聚集在單個PHY上,在容許錯誤的系統(tǒng)中,轉(zhuǎn)接元件也可用于創(chuàng)建發(fā)往多重PHY的冗余型數(shù)據(jù)路徑,增加數(shù)據(jù)的可靠性。
PHY——象端口部分的PHY,背板PHY用于將數(shù)據(jù)傳輸至線卡,及接收來自線卡的數(shù)據(jù),然而,因?yàn)楸嘲鍍H與同一個系統(tǒng)內(nèi)的其它線卡相連,PHY支持的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議常常自有所有權(quán),背板PHY從不需要與外部連接,因此,能夠采用特定系統(tǒng)的最佳速度或協(xié)議運(yùn)行背板PHY。
總之,今天所用的多數(shù)類型的通信系統(tǒng),無論它是OC-48路由器,W-CDMA無線網(wǎng)絡(luò),或光纖通道開關(guān),數(shù)據(jù)通過一系列互連的線卡傳送。采用PHY從外部介質(zhì)接收數(shù)據(jù);由成幀器進(jìn)行格式化;在NCP、NSE和存儲器構(gòu)成的查尋子系統(tǒng)確定數(shù)據(jù)的正確目的地之后,采用NPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和修改;利用可編程邏輯控制和調(diào)度數(shù)據(jù);由一列雙端口存儲器對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖和排列;采用轉(zhuǎn)接元件進(jìn)行聚集和轉(zhuǎn)發(fā);通過PHY將數(shù)據(jù)傳輸至背板互連介質(zhì);最終反轉(zhuǎn)其路徑,通過背板部分的另一個線卡返回信息包處理部分,到達(dá)端口部分,后到達(dá)外部的目的地。這種極其簡化的通信系統(tǒng)清楚地表明,如何采用一套通信基本構(gòu)件來構(gòu)建系統(tǒng)的大部分關(guān)鍵功能。■



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