在線纜moden中實現(xiàn)線速處理

    為了滿足寬帶線纜業(yè)務(wù)的廣泛的市場需求，主要的線纜系統(tǒng)公司和多重系統(tǒng)運營商（MSO）正聯(lián)合起來應(yīng)對特定的市場挑戰(zhàn)。過去，一個關(guān)鍵的問題是制定一個標(biāo)準(zhǔn)的方案，以便于通過線纜產(chǎn)品實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù) 。標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)規(guī)范鼓勵很多廠商開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的用戶產(chǎn)品和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器產(chǎn)品，并且，大批量生產(chǎn)帶來的規(guī)模效益也會自然而然地促使MSO和用戶數(shù)量的增加。標(biāo)準(zhǔn)的用戶產(chǎn)品還使線纜調(diào)制解調(diào)器（Cable modem,CM）的消費者零售模型與傳統(tǒng)的撥號類似。為了做到這一點，線纜產(chǎn)業(yè)制定了自己的技術(shù)規(guī)范稱為線纜業(yè)務(wù)中的數(shù)據(jù)接口規(guī)范（DOCSIS）。一個研究和開發(fā)線纜業(yè)務(wù)的群體CableLabs管理這一標(biāo)準(zhǔn)，以保證供應(yīng)商之間以及設(shè)備類型之間的互操作性。

    在過去的兩年里，美國及世界其他地區(qū)的許多MSO開始提供基于 DOCSIS的高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。這些業(yè)務(wù)的開展是以 DOCSIS規(guī)范的1.0版本和各個生產(chǎn)商提供的第一代系統(tǒng)平臺為基礎(chǔ)的。到2000年底，僅在美國，就有超過三百萬個家庭積極采用了高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，今后幾年，這個數(shù)字還會成倍增加。美國和加拿大的很多MSO正在提供寬帶的線纜modom業(yè)務(wù)，這些運營商包括AT&T、Time  Warner、Media One、Cox、Rogers、等。

    通過推行相應(yīng)的規(guī)范和技術(shù)，通過市場運作，這些第一代的解決方案帶來了巨大的產(chǎn)業(yè)效益。然而，隨著住家應(yīng)用功能和用途的繼續(xù)增加，隨著消費者在生活習(xí)慣上對入戶高速接入的依賴性增強，用戶對高可靠性業(yè)務(wù)和更高性能的需求將會持續(xù)增加。MSO越來越多地要求包括新一代線纜modom終端系統(tǒng)（CMTS）在內(nèi)的高可靠性、高實用性基礎(chǔ)設(shè)施。

    隨著產(chǎn)業(yè)的成熟， “提供范圍更廣的業(yè)務(wù)種類，滿足正在出現(xiàn)的市場份額的需求，”這種要求正在增加。結(jié)果， DOCSIS 的一個新版本應(yīng)運而生，它提供了不同種類的業(yè)務(wù)，并增加了IP電話等新的應(yīng)用。這個新版本就是 DOCSIS 1.1，它定義了一個服務(wù)質(zhì)量（QoS）指標(biāo)的最小集合和一組先進(jìn)的QoS指標(biāo)，這個最小的QoS指標(biāo)集是所有合乎規(guī)范的CMTS 產(chǎn)品都必須滿足的，而先進(jìn)的QoS指標(biāo)則建議CMTS產(chǎn)品滿足，不做強制要求 。 大多數(shù)計算機網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品（交換機和路由器）都已經(jīng)在它們的功能集合中增加了一些QoS的成分。盡管不同的標(biāo)準(zhǔn)委員會還正在從眾多的QoS建議中決定哪些將正式應(yīng)用于Internet?，F(xiàn)在， QoS指標(biāo)已經(jīng)在提供線纜數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備中得到執(zhí)行。隨之而來的業(yè)務(wù)性能改進(jìn)在線纜業(yè)務(wù)量的增加方面將尤為明顯 。向Internet的轉(zhuǎn)變是非常重要的，因為它改變現(xiàn)有的Internet路由模型，使之從對所有的用戶都“盡最大努力”地提供服務(wù)，向?qū)Σ煌臄?shù)據(jù)包和業(yè)務(wù)流區(qū)別對待轉(zhuǎn)變。現(xiàn)在，對不同的數(shù)據(jù)包和業(yè)務(wù)流區(qū)別對待模型已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)了。

    當(dāng)QoS控制能夠以普遍的、端到端的形式在Internet上實現(xiàn)時，就有根據(jù)相應(yīng)的性能保證提供有區(qū)別的服務(wù)可能的。高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包將通過低延遲和低抖動的路由傳送，低優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包則有可能經(jīng)歷較多的延遲和抖動。在線纜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器處理和Internet傳輸過程中，不同應(yīng)用功能對吞吐量的要求將決定它們各自相應(yīng)的業(yè)務(wù)流的優(yōu)先級。甚至，在程序執(zhí)行過程中，高級的應(yīng)用程序動態(tài)地改變相應(yīng)應(yīng)用程序業(yè)務(wù)流的優(yōu)先級也是可能的。

    因為所有的數(shù)據(jù)包不以相同的優(yōu)先級等級處理 ，以請求的（或者交付的）業(yè)務(wù)水平為基礎(chǔ)對不同類別的數(shù)據(jù)包實行不同的收費價格是可行的。將來的Internet用戶有可能對不同類別的業(yè)務(wù)支付不同標(biāo)準(zhǔn)的費用，并且，還可能是以應(yīng)用單位（如每分鐘、每個數(shù)據(jù)包或者每個字節(jié)）為基礎(chǔ)來支付的。因為采用了不同的收費價格，用戶和服務(wù)供應(yīng)商之間的服務(wù)水平協(xié)議（SLA）將詳細(xì)說明已有的各個優(yōu)先級水平、相應(yīng)的費用以及相關(guān)的性能保證。服務(wù)提供和收費模型方面的這些變化，代表著為MSO提供接入的供應(yīng)商的收入的實質(zhì)性增長潛力。

 QoS和線纜 modom終端系統(tǒng)（CMTS）

    在線纜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中， MSO處于最佳位置，對優(yōu)先級業(yè)務(wù)起著看門人的作用。它們介入每一個用戶的服務(wù)水平的約定，對自己的用戶插入Internet的所有數(shù)據(jù)包都能夠恰當(dāng)?shù)貥?biāo)記優(yōu)先級指標(biāo)。事實上，一個MSO的設(shè)備是最先受到信任的設(shè)備（它不為用戶所有），用戶的數(shù)據(jù)包必須通過它才能找到進(jìn)入Internet的路徑。MSO對消費者的數(shù)據(jù)包負(fù)責(zé)，并且，能夠提供不同水平的用戶業(yè)務(wù)，并對用戶收費。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器的CMTS允許的情況下， MSO 還將能夠?qū)τ脩魳I(yè)務(wù)水平的進(jìn)行動態(tài)升級。為了在新的模型中成功運作， MSO 按照時間、數(shù)據(jù)包或者數(shù)據(jù)量，按照線纜modom或者其之后的計算機設(shè)備，逐個對各種業(yè)務(wù)水平的應(yīng)用進(jìn)行詳盡地計數(shù)。產(chǎn)生QoS控制能力的主要源泉將由MSO的CMTS包含的功能特點來提供，CMTS 位于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器車間，在那里，CMTS 提供線纜設(shè)備和Internet的基本連接。

線速處理，確保性能

    通常，一個功能強大，且具備QoS控制功能的 CMTS將提供數(shù)據(jù)包分類、優(yōu)先級標(biāo)注、業(yè)務(wù)流監(jiān)督、連接控制、流量控制、擁塞控制、精細(xì)排隊、時序安排和逐個業(yè)務(wù)流成型等功能。為了完成上述功能，且不對CMTS吞吐量的QoS控制功能產(chǎn)生負(fù)面影響，硬件輔助的QoS處理（線速處理）通常是必須的。具備線速處理的CMTS 將能夠完成所有的QoS控制功能以及與轉(zhuǎn)發(fā)、計數(shù)和測量相關(guān)的全部功能，這些功能要求在最短的數(shù)據(jù)包到達(dá)間隔期望值內(nèi)完成。不采用線速處理，這些功能占用的時間將超過兩個連續(xù)的數(shù)據(jù)包的達(dá)到時間間隔。因此， CMTS 必須在完成對第一個數(shù)據(jù)包的處理的同時，對第二個數(shù)據(jù)包進(jìn)行排隊。一旦超時，排隊深度就會增加，受業(yè)務(wù)影響的數(shù)據(jù)包丟失就會產(chǎn)生，而用戶則會將其理解為服務(wù)水平較低、吞吐量較小、帶寬較窄或者應(yīng)答較慢。結(jié)果，用戶對業(yè)務(wù)性能理解的降低將導(dǎo)致用戶對服務(wù)質(zhì)量的不滿 。

    MSO可能會偏愛能夠通過線速處理提供QoS控制功能的 CMTS 產(chǎn)品。今天，針對Internet中如此高的數(shù)據(jù)速率，只有為數(shù)不多的幾種實用的方法實現(xiàn)線路處理，其中之一是設(shè)計高速定制的ASIC，以實現(xiàn)滿足特定的QoS的處理速度。這種方法成本高，且在標(biāo)準(zhǔn)不斷變化的情況下無法修改。在CMTS中實現(xiàn)線速處理的另一個方法是使用類似汽車裝配生產(chǎn)線的技術(shù)對處理功能實行流水作業(yè)——流水線的每一級僅僅完成整個任務(wù)的一個子集，各個 子任務(wù)級聯(lián)起來，新的任務(wù)（數(shù)據(jù)包）就可以以非常高的速度進(jìn)入流水線。

    流水線方法既可以由軟件實現(xiàn)，也可由硬件實現(xiàn)，還可由兩者組合實現(xiàn)。采用高速處理器時，流水線可以用軟件實現(xiàn)，這樣做的好處是開發(fā)時間相對較短，開發(fā)工具豐富，且開發(fā)環(huán)境已為人們所廣泛理解。然而，不幸的是，大多數(shù)通用處理器在任務(wù)劃分和總線靈活性方面受到限制。新一代的網(wǎng)絡(luò)處理器正試圖通過并行處理來執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)任務(wù)，從而克服上述缺點。一方面，它們處理類似語音流和視頻流這樣的實時數(shù)據(jù)的能力還有待于進(jìn)一步驗證，另一方面，用于網(wǎng)絡(luò)處理器的軟件編譯器能否有效地處理數(shù)據(jù)依賴性以及時序安排和管理等任務(wù)還需要進(jìn)一步觀察。在硬件方案中，流水線算法可以利用可編程邏輯器件（PLD）實現(xiàn)，這樣做既可以避免ASIC非常長的開發(fā)時間，又可以達(dá)到比純軟件方法快得多的速度。硬件層次的性能尤其重要，因為象DOCSIS這樣的標(biāo)準(zhǔn)很可能提高對數(shù)據(jù)包傳輸?shù)臅r延要求。另外，很多現(xiàn)代的PLD包含了有利于CMTS設(shè)計的結(jié)構(gòu)特點。這些結(jié)構(gòu)特點包括高速I/O緩沖器、鎖相環(huán)（PLL）和靈活的嵌入式存儲器結(jié)構(gòu)。組合可編程邏輯和高速處理器構(gòu)成的平衡的設(shè)計方案，可以兼有上述兩種實現(xiàn)方法優(yōu)點——既包括硬件加速的性能，又具備軟件開發(fā)環(huán)境的熟悉，還包含了可重復(fù)編程平臺的靈活性。

I/O功能和鎖相環(huán)

    最新的可PLD支持多種I/O標(biāo)準(zhǔn)和多種邏輯電平。通過兼容多種 I/O電平標(biāo)準(zhǔn)，這些PLD可以在電路板上用作不同器件之間的接口，其邏輯電平可以是3.3V 或者在1.8V~2.5V之間任選。更重要的是，象LVDS低電平差分信號這樣的高速I/O 選項使得PLD能夠達(dá)到更高的性能水平――每個通道高達(dá)840 Mbps 。由于片內(nèi)鎖相環(huán)的參與，這樣的速度是可以達(dá)到的。正如圖1所表示的那樣，鎖相環(huán)在串－并轉(zhuǎn)換電路中實現(xiàn)時鐘倍頻。

<圖1:   基于可編程邏輯的LVDS電路使用多個時鐘信號，可以實現(xiàn)高達(dá)每個通道840 Mbps數(shù)據(jù)傳輸速率。這種操作要求片內(nèi)鎖相環(huán)能夠以8倍于輸入時鐘的速度同步LVDS 轉(zhuǎn)換電路。>

    利用鎖相環(huán)（ PLL）和LVDS，設(shè)計者可以增加系統(tǒng)帶寬。例如，在一個有8個客戶的光交換單元里，每個客戶有兩組總線，每組總線有 8個I/O，但沒有LVDS－PLL 組合，總的I/O引腳數(shù)量為：

8客戶