線卡通信系統(tǒng)的基本構(gòu)件

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(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器(RNC)，將基站(BTS)的移動(dòng)蜂窩電話呼叫發(fā)送至公共交換電話網(wǎng)(PSTN)；在存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中，它可以是將服務(wù)器的數(shù)據(jù)備份至廉價(jià)磁盤冗余陣列(RAID)的光纖通道存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換器。無(wú)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(lái)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(guò)一個(gè)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)或存儲(chǔ)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(gè)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(jí)，并做好傳輸至其目的地的準(zhǔn)備；背板部分的作用是對(duì)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(jiǎn)化說(shuō)明，我們特別研究廣域網(wǎng)(WAN)領(lǐng)域的系統(tǒng)，如路由器，簡(jiǎn)要說(shuō)明線卡的基本功能。存儲(chǔ)和無(wú)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(yǔ)言或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這部分由兩個(gè)器件構(gòu)成，一個(gè)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(gè)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(gè)術(shù)語(yǔ)代表“物理層器件”，它代表開(kāi)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(hào)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(hào)抖動(dòng)性能是端口PHY的部分最重要特性。
成幀器——這個(gè)器件的名稱來(lái)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。可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能處理，如虛擬級(jí)聯(lián)，從而動(dòng)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(chǔ)域網(wǎng)絡(luò)和無(wú)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(lái)快速處理數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)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(jí)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(duì)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(jí)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(guò)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(jiǎn)化NPU和信息包處理部分的其它元件(NSE和存儲(chǔ)器等)之間的互連，無(wú)需附加的界面粘接邏輯，通常NCP將幫助管理儲(chǔ)存在NSE和存儲(chǔ)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(gè)時(shí)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(chǔ)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(chǔ)器——存儲(chǔ)器(由于高性能要求，采用基于SRAM的存儲(chǔ)器)儲(chǔ)存表的數(shù)據(jù)，由NSE決定的索引用來(lái)尋地址存儲(chǔ)器，讀出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。來(lái)自存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)NCP傳遞回來(lái)，NPU用這些數(shù)據(jù)來(lái)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(shí)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(gè)線卡。雖然線卡所有部分的元件均需要計(jì)時(shí)功能，但這個(gè)功能做在背板部分。
時(shí)鐘——系統(tǒng)計(jì)時(shí)是通信系統(tǒng)所需的關(guān)鍵功能，用來(lái)與其各個(gè)元件協(xié)調(diào)計(jì)時(shí)，時(shí)鐘用于元件同步、高速時(shí)鐘生成，以及圍繞線卡的計(jì)時(shí)分布?？刹捎迷S多類型的時(shí)鐘，包括簡(jiǎn)單的晶體振蕩器、頻率計(jì)時(shí)發(fā)生器、傳播頻譜計(jì)時(shí)發(fā)生器、非零計(jì)時(shí)延遲緩沖器、帶PLL的零延遲緩沖器、級(jí)別/信號(hào)譯碼器，以及可編程偏移時(shí)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(hào)接口轉(zhuǎn)換、信息包傳輸調(diào)度，并且常常能夠在單個(gè)器件中集成一些圍繞它的其它功能區(qū)塊(如計(jì)時(shí)裝置和存儲(chǔ)器)。
存儲(chǔ)器——背板普遍需要采用存儲(chǔ)器以緩沖通過(guò)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(chǔ)器，如果存儲(chǔ)器用作背板部分多個(gè)器件之間的臨時(shí)儲(chǔ)存點(diǎn)，可能需要多重時(shí)域功能。采用雙端口RAM或FIFO，常常可使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，并且，存儲(chǔ)器常劃分為多個(gè)隊(duì)列或FIFO，以方便基于規(guī)則、級(jí)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(gè)線卡需要一個(gè)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(jí)別的信息包阻塞路徑，導(dǎo)致高優(yōu)先級(jí)別的信息包被延誤，）的問(wèn)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(jí)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(gè)PHY上，在容許錯(cuò)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(lái)自線卡的數(shù)據(jù)，然而，因?yàn)楸嘲鍍H與同一個(gè)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(wú)論它是OC-48路由器，W-CDMA無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，或光纖通道開(kāi)關(guān)，數(shù)據(jù)通過(guò)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(chǔ)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(chǔ)器對(duì)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(guò)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(guò)背板部分的另一個(gè)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(jiǎn)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(lái)構(gòu)建系統(tǒng)的大部分關(guān)鍵功能?！?