基于FPGA的高速數據中繼器設計的研究

1 前言

高速以太網可以滿足新的容量需求，解決了低帶寬接入、高帶寬傳輸的瓶頸問題，擴大了應用范圍，并與以前的所有以太網兼容。全雙工的以太網協(xié)議并無傳輸距離的限制，只是在實際應用中，物理層技術限制了最大的傳輸距離。不過可以通過使用高性能的收發(fā)器或鏈路擴展器來延長以太網鏈路的長度。但是面向流量高達數十G的高速以太網中，如何快速、可靠地實現數據的轉發(fā)與鏈路延伸并不是一件很容易的事情。尤其是高速以太網中，對設備時延非常敏感，因此要求數據中繼設備處理速度有足夠的快、同時還能夠對轉發(fā)的數據進行簡單分析與處理，才能實現高速、可靠的數據轉發(fā)功能。另一方面，在10G以太網標準出臺之前，就已經有多家廠商推出了基于10G以太網標準草案的10G以太網設備。國外廠商如Foundry、Cisco、Enterasys、Extreme、Forcel0、Nortel、A1catel、Juniper、Avaya、HP、Riverstone等公司紛紛推出了10G以太網設備，國內幾家著名的通信設備制造商，像華為、港灣也研發(fā)出具有自主知識產權的10G以太網產品。不同公司的產品、設備在對協(xié)議實現的一致性、互操作性、穩(wěn)定性、成熟性等方面都有所不同，因此要設計并實現一個可靠、高速數據中繼器必須深入研究高速以太網標準，并充分考慮其設計的靈活性，因此本文提出了一個基于FPGA的高速數據中繼器設計方案。

2 高速數據中繼器功能分析

高速數據中繼器主要需完成以下功能是對外部光纖鏈路發(fā)送過來的高速、大量數據處理，主要包括有： 10G以太網的物理層處理。包括將10Gbps光信號轉換為電信號和將10Gbps高速串行數據轉換為低速率的并行數據，便于上層處理；10G以太網的鏈路層處理。包括對10Gbps數據進行PCS解碼和MAC控制的鏈路層處理，最后輸出完整的MAC幀；對MAC幀格式進行判斷來識別其中封裝的上層數據是協(xié)議報文還是數據報文；對IP數據報文進行查表處理，看是否有發(fā)往本機的IP報文；將需要上交到轉發(fā)進行深層次IP層處理的數據報文封裝成內部數據報文格式并上交；將需要上交到板極處理機的協(xié)議報文和發(fā)往本路由器的IP報文封裝成內部協(xié)議報文格式并上交。

數據中繼器對需要轉發(fā)出去的數據需要完成如下處理：對交換發(fā)送過來的數據報文進行內部格式判斷，決定是否進行查表處理；對不需要進行查表的IP報文直接從內部頭中提取目的MAC地址；對需要查表的IP報文進行查表處理，若查表命中則返回目的MAC地址，若不命中則將該數據報文上交到板極處理機；對得到目的MAC地址的報文進行以太網格式封裝；對板極處理機下發(fā)的協(xié)議報文和封裝好的以太網幀進行合路處理；10G以太網的鏈路層處理。包括對MAC幀進行MAC控制鏈路層處理和PCS編碼；10G以太網的物理層處理。包括并/串轉換和電/光轉換。其處理流程如圖一所示

圖 一：高速數據中繼器數據處理流程

3 方案的選取與實現

從以上輸入處理和輸出處理流程來看，物理層和鏈路層的功能可以通過選擇相應的商用器件來實現，實現起來并不復雜；但圖1中虛線框內的處理功能是在10Gbps的高速率下進行的，實現起來比較困難。目前在高速數據處理中，能完成這部分功能的處理器件可分為固定功能器件和可編程器件兩種，其中固定功能器件主要指ASIC（Application Specific Integrated Circuit），可編程器件又有FPGA（Field Programmable Gate Array）和NP（Network Processor）兩種，下面對這三種器件進行比較。

首先能夠同時提供極高轉發(fā)性能和較低成本的只有ASIC芯片了。ASIC的硬件資源最為豐富，處理能力是NP不能比擬，萬兆核心層設備采用ASIC是對于性能的一種保障。但是它的先天不足也是無法回避的，由于ASIC的固定特性一直無法解決路由器對多業(yè)務支持的需求，ASIC芯片一旦產出后，其原有的功能無法添加，也可以把業(yè)內目前需要的功能都做在ASIC里面，但是現在主流的很多技術如MPLS、QoS等都是只停留在草案階段，還未標準化，所以現在就做死在ASIC里面顯然是有很大風險的。由此可看出，ASIC可為任何固定功能提供高性能，但卻幾乎沒有靈活性和可擴展性。第二種NP，目前網絡處理器（NP）技術是業(yè)內非常受歡迎的技術之一，NP技術本身就是通過廠家自己編寫微碼的方式對網絡協(xié)議處理進行優(yōu)化，通過內置微引擎的方式實現加速處理，性能是CPU無法比擬的。這樣的結構注定了NP就比ASIC擁有更多的靈活性，對新增業(yè)務的支持能力永遠都比ASIC強。但是NP也有其自身不能克服的缺點，NP的硬件資源對比ASIC肯定還是有很大差距的，所以其在處理海量多業(yè)務時轉發(fā)性能下降很快，不能達到線速。

第三種是FPGA，FPGA對任何高速并行數據處理都非常理想，具有可編程的能力和較高的靈活性，便于實現多業(yè)務支持，同時，由于其可編程性是通過硬件實現的，因此可以提供較高的高速數據處理性能?？紤]到硬件的可編程性沒有軟件靈活，所以最新的FPGA上可以加上一個微處理器的核心(core)，加上了微處理器核心的FPGA，在可編程性上變得“軟硬兼?zhèn)洹薄?除了加上微處理器的核心，FPGA芯片公司還花大力開發(fā)芯片的高速I/O，通過網絡友好的功能，該類型FPGA可提供高性能數據和網絡控制處理功能。這使他們成為WAN/MAN/LAN網絡中專用高速數據處理的理想候選器件，并將在靈活性/性能間進行折衷的控制權交到用戶手中。此外，FPGA對任何高速數據的并行處理都比較理想，而且具有非常的靈活性和擴展性，且開發(fā)周期短，能夠形成具有自主知識產權的內核，最終還可以形成自己的ASIC，因此在本文設計中選擇了FPGA作為高速數據處理的核心部件。