使用賽靈思 FPGA加速包處理

如果只需要修改 MAC 目標地址，F(xiàn)EPP 在接受到包時收到的“任務(wù)”將會被使用，例如，流修改表（圖 3）中的規(guī)則 2。對規(guī)則 2 預(yù)先配置的內(nèi)容包括：指定操作碼（覆蓋）、OpLoc（在包中所處的位置，比如第 2 層）、OpOffset（距離啟始位置的偏移）、掩碼類型（使用什么字節(jié)）以及修改數(shù)據(jù)（實際覆蓋的數(shù)據(jù)）等。執(zhí)行的結(jié)果是使用預(yù)先配置的修改數(shù)據(jù)覆蓋從第 2 層位置開始的 6 個字節(jié)。

圖 3 – 簡單 MAC 目的地地址覆蓋修改

另一種覆蓋實例是如規(guī)則 6 所示的方案，例如我們希望修改某個特定的 TCP 標志，如 ACK、SYN 或者 FIN（參見圖 4）。該規(guī)則將使用操作碼（覆蓋）、OpLoc（第 4 層）、OpOffset（從第 4 層開始 0 偏移）、掩碼類型（使用字節(jié) 14）和位掩碼（字節(jié)中的那些位需要掩蔽）。我們可以使用掩碼類型來包含或是排除特定的字節(jié)，從而指定多個字段實現(xiàn)覆蓋。

圖 4 – TCP 標志的覆蓋修改

我們的覆蓋功能不僅限于數(shù)據(jù)流修改規(guī)則表中存儲的內(nèi)容，而且還能包括作為關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)流任務(wù)表 (Flow Action Table) 中的內(nèi)容?？梢酝ㄟ^指定規(guī)則，讓傳輸?shù)?FEPP 的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)成為任務(wù)的組成部分，從而顯著擴展可用于修改的數(shù)據(jù)的范圍。其結(jié)果，舉例來說，是可以覆蓋整個 VLAN 標記范圍。

我們的插入/刪除功能能夠?qū)崿F(xiàn)甚至更為復(fù)雜的包修改。以規(guī)則 5（參見圖 5）為例，使用我們的插入/刪除功能。包括操作碼（插入/刪除）、OpLoc（第 2 層）、OpOffset（從第 12 個字節(jié)開始）、ISize（插入數(shù)據(jù)大?。?22 個字節(jié)）、DSize（刪除的字節(jié)大小 ＝ 2個字節(jié)）和Insert Data（0x8847，MPLS 標簽）等與規(guī)則5相關(guān)的各種任務(wù)，將刪除現(xiàn)有的 EtherType，并插入新的 EtherType=8847，這說明新的包將是一個 MPLS 單播包，接著是由插入數(shù)據(jù)所指定的 MPLS 標簽組。

圖 5 – MPLS 標簽插入修改

布局規(guī)劃與時序收斂

在設(shè)計我們獨特的包處理器過程中，我們面臨的最嚴峻挑戰(zhàn)是 FPGA 設(shè)計復(fù)雜程度不斷增大，路由和使用密度的增加，各種 IP 核的集成，多種硬邏輯對象的使用（如 BRAM、GTP、DSP 以及類似對象），以及在項目最早期階段的數(shù)據(jù)流規(guī)劃不足等。我們發(fā)布的 Phase 1 Virtex-5 FPGA 的bit文件建立在較低的使用密度之上，特別是較低的 BRAM 使用密度基礎(chǔ)之上，結(jié)果導(dǎo)致相對簡單的時序收斂。在稍后階段因為增加了新的重要功能，導(dǎo)致 BRAM 的利用密度接近 97%，我們開始強烈意識到優(yōu)化布局規(guī)劃的重要意義，以及產(chǎn)品生命周期初期的決策將對后期造成怎樣的影響。

布局規(guī)劃的主要目標通過減少路由延遲來改進時序。為此，在設(shè)計分析過程中非常重要的事情就是將數(shù)據(jù)流和管腳配置納入考慮范圍?，F(xiàn)在已經(jīng)與 ISE? Y合一起的賽靈思 PlanAheadTM工具作為布局規(guī)劃和時序分析的單點工具 (point tool)，為我們提供了如何在高利用率的使用設(shè)計中為了實現(xiàn)時序收斂而需要穿越重重復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的交互分析和可視化功能。PlanAhead 使我們能深入了解我們的設(shè)計，即我們需要提供最少數(shù)量的約束條件來引導(dǎo)映射、布置以及布線工具充分滿足我們的時序要求。我們發(fā)現(xiàn)，要做到這一點，往往需要在基于模塊的設(shè)計區(qū)域約束之外優(yōu)化放置一部分關(guān)鍵的 BRAM。

回想起來，如果我們在項目最初階段即花更多的時間使用 PlanAhead 來進行假定方案的驗證，幫助我們看到最佳的數(shù)據(jù)流和管腳，我們在設(shè)計后期的任務(wù)就會輕松許多。

動態(tài)自適應(yīng)包處理

我們的整數(shù)流加速子系統(tǒng)能夠在最高的靈活程度下以線速檢查并和修改包，同時能夠動態(tài)地與應(yīng)用層業(yè)務(wù)進行交互，實現(xiàn)高度自適應(yīng)的包處理。Virtex-class FPGA 是重要的實現(xiàn)手段，提供了一個前一代 FPGA 無法實現(xiàn)的片上系統(tǒng)平臺，加速基于內(nèi)容的路由以及實施重要包處理功能。

我們的新一代實施方案不僅能夠顯著提升性能、進一步加強高速緩沖的能力，同時還能添加新功能。通過在單個賽靈思 Virtex-6 FPGA 中升級我們的 FAST 芯片組，我們不僅能夠?qū)⑿乱淮?FAST 的功能、接口和性能提升到一個前所未有的水平，同時還能縮小電路板空間并降低功耗要求，從而實現(xiàn)單芯片深度包處理協(xié)處理器單元。