線(xiàn)卡通信系統的基本構件

如今高性能通信系統有多種形式，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)的數據轉發(fā)至OC-48 SONET光網(wǎng)絡(luò )的多業(yè)務(wù)轉換裝置；在蜂窩網(wǎng)絡(luò )中，它可能是第三代寬帶無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制器(RNC)，將基站(BTS)的移動(dòng)蜂窩電話(huà)呼叫發(fā)送至公共交換電話(huà)網(wǎng)(PSTN)；在存儲網(wǎng)絡(luò )中，它可以是將服務(wù)器的數據備份至廉價(jià)磁盤(pán)冗余陣列(RAID)的光纖通道存儲轉換器。無(wú)論何種特殊類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò )，這些系統的共同用途是接收來(lái)自信息源的數據，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“基本構件”構建這些系統。
這些系統的中心架構通常由許多功能相似的電路板構成，這些系統通過(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(xiàn)網(wǎng)絡(luò )交換機或存儲域網(wǎng)絡(luò )(SAN)交換機中，能找到數十種這樣的通用電路板。它們運行系統的大多數關(guān)鍵功能，包括接收、處理、轉接及傳輸數據。在本文中，我們將這些功能相似的電路板稱(chēng)為“線(xiàn)卡”。
典型的線(xiàn)卡可劃分為三個(gè)明顯的區域：端口、信息包處理及背板部分，端口部分在線(xiàn)卡和外部之間傳遞格式正確的數據，采用Ethernet或SONET等行業(yè)標準和協(xié)議；信息包處理部分則處理數據，設定其傳送優(yōu)先級，并做好傳輸至其目的地的準備；背板部分的作用是對數據進(jìn)行緩沖、排列、調度，并傳輸至其它的互連線(xiàn)卡，然后反轉路徑，將數據發(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，如路由器，簡(jiǎn)要說(shuō)明線(xiàn)卡的基本功能。存儲和無(wú)線(xiàn)領(lǐng)域的線(xiàn)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(xiàn)卡連接至外部，因此，除其本身外，它必須能夠與系統通信，必須采用通用語(yǔ)言或行業(yè)標準，這部分由兩個(gè)器件構成，一個(gè)器件能夠將數據放置在介質(zhì)(PHY)上，或從介質(zhì)上取得數據，另一個(gè)器件將數據格式化為行業(yè)標準信息包(即成幀器)。
PHY——這個(gè)術(shù)語(yǔ)代表“物理層器件”，它代表開(kāi)放系統互連(OSI)模型的最低層，在采用銅連線(xiàn)的系統中，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)送光數據。在任一情況下，PHY的主要功能是將從介質(zhì)接收的電信號轉換為系統能夠解譯的數據，主要工作是將數據傳輸至線(xiàn)卡和從線(xiàn)卡接收數據。遵從行業(yè)標準、低功耗、集成化或信號抖動(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(chēng)來(lái)自于它的主要功能，將從PHY至線(xiàn)卡其它元件的數據“成幀”和“解幀”為正確的格式。在SONET網(wǎng)絡(luò )，成幀器從PHY取得數據的SONET幀，再將其解幀為另一種系統所用的格式?？蓪祿M(jìn)行智能處理，如虛擬級聯(lián)，從而動(dòng)態(tài)分配帶寬，使系統帶寬的效率更高。
信息包處理——這部分主要包含在廣域網(wǎng)的通信系統中，存儲域網(wǎng)絡(luò )和無(wú)線(xiàn)基礎設施通信系統則相反。信息包處理部分的主要功能是處理數據，做好有效傳送至其目的地的準備。通常采用網(wǎng)絡(luò )處理器(NPU)來(lái)快速處理數據包，并將數據存儲在存儲器(RAM)中。因為路由器中的數據需要發(fā)送至目的地，必須進(jìn)行表查尋，將數據與其適當的基于源地址、優(yōu)先級等條件的目的地址相匹配。網(wǎng)絡(luò )搜索引擎(NSE)適用于運作速率為OC-48(2.5Gb/s)或更高的系統，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可對數據進(jìn)行智能化決策，用于信息包分類(lèi)。這可幫助實(shí)施基于服務(wù)質(zhì)量(QoS)和服務(wù)級別(CoS)等規則的功能，用于區分信息包的優(yōu)先順序。NPU是經(jīng)過(guò)優(yōu)化適合網(wǎng)絡(luò )應用的設備(與通用CPU相比)，能夠實(shí)現多千兆速率的線(xiàn)速處理。
網(wǎng)絡(luò )協(xié)處理器(NCP)——NCP運行非常特別的網(wǎng)絡(luò )功能，如查尋表搜索等，有助于減輕NPU的負擔，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的整體性能。
網(wǎng)絡(luò )搜索引擎(NSE)——NSE的架構優(yōu)化用于表搜索，它可為NPU提供加速表查尋功能，NSE能夠匹配數據，在單個(gè)時(shí)鐘循環(huán)內獲得結果。采用算法方案的相似搜索需要進(jìn)行多重循環(huán)，才能完成一項匹配；因此，NSE可進(jìn)行最高效的表搜索。在運作速率為OC-48(2.5Gb/s)或以上的通信應用中，采用NSE進(jìn)行表搜索是實(shí)現線(xiàn)速處理的必需，通常搜索結果是存儲器中數據的索引指示器，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)儲存表的數據，由NSE決定的索引用來(lái)尋地址存儲器，讀出相應的數據。來(lái)自存儲器的數據經(jīng)過(guò)NCP傳遞回來(lái)，NPU用這些數據來(lái)修改數據包。因此，信息包處理部分的所有元件均協(xié)同工作，為系統提供高速、有效的表搜索。
背板——背板部分是線(xiàn)卡中與系統內的所有其它線(xiàn)卡互連的部分，這部分包括許多關(guān)鍵的系統功能，如時(shí)鐘分配、緩沖、排隊、調度、轉接及最終將數據發(fā)送至另一個(gè)線(xiàn)卡。雖然線(xiàn)卡所有部分的元件均需要計時(shí)功能，但這個(gè)功能做在背板部分。
時(shí)鐘——系統計時(shí)是通信系統所需的關(guān)鍵功能，用來(lái)與其各個(gè)元件協(xié)調計時(shí)，時(shí)鐘用于元件同步、高速時(shí)鐘生成，以及圍繞線(xiàn)卡的計時(shí)分布?？刹捎迷S多類(lèi)型的時(shí)鐘，包括簡(jiǎn)單的晶體振蕩器、頻率計時(shí)發(fā)生器、傳播頻譜計時(shí)發(fā)生器、非零計時(shí)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(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中，控制多數其它元件。在許多情況下，這些邏輯器件可視作系統的智能部分，常常為ASIC、FPGA或CPLD 器件，它們幫助控制其它器件，運行固定的數據處理功能，進(jìn)行信號接口轉換、信息包傳輸調度，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塊(如計時(shí)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(guò)線(xiàn)卡傳遞的數據，由于數據所需的接入速率高，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(gè)器件之間的臨時(shí)儲存點(diǎn)，可能需要多重時(shí)域功能。采用雙端口RAM或FIFO，常?？墒瓜到y設計更簡(jiǎn)單，并且，存儲器常劃分為多個(gè)隊列或FIFO，以方便基于規則、級別或服務(wù)質(zhì)量的信息包傳遞。
轉接元件——線(xiàn)卡的數據可能需要轉接至系統中的任何其它線(xiàn)卡，雖然轉接功能可以獨立進(jìn)行，單獨的轉接卡與所有線(xiàn)卡的背板互連，可能每一個(gè)線(xiàn)卡需要一個(gè)轉接元件。如果線(xiàn)卡上存在多重PHY，轉接元件有助于將數據轉接至正確的PHY，或Quad PHY。如果系統存在線(xiàn)端阻塞（防止由于低優(yōu)先級別的信息包阻塞路徑，導致高優(yōu)先級別的信息包被延誤，）的問(wèn)題，轉接元件有助于重新安排數據通道，以確保首先傳送最高優(yōu)先級別的數據，轉接元件也可用于數據的多路傳輸，或將線(xiàn)卡的多重處理路徑聚集在單個(gè)PHY上，在容許錯誤的系統中，轉接元件也可用于創(chuàng )建發(fā)往多重PHY的冗余型數據路徑，增加數據的可靠性。
PHY——象端口部分的PHY，背板PHY用于將數據傳輸至線(xiàn)卡，及接收來(lái)自線(xiàn)卡的數據，然而，因為背板僅與同一個(gè)系統內的其它線(xiàn)卡相連，PHY支持的標準和協(xié)議常常自有所有權，背板PHY從不需要與外部連接，因此，能夠采用特定系統的最佳速度或協(xié)議運行背板PHY。
總之，今天所用的多數類(lèi)型的通信系統，無(wú)論它是OC-48路由器，W-CDMA無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，或光纖通道開(kāi)關(guān)，數據通過(guò)一系列互連的線(xiàn)卡傳送。采用PHY從外部介質(zhì)接收數據；由成幀器進(jìn)行格式化；在NCP、NSE和存儲器構成的查尋子系統確定數據的正確目的地之后，采用NPU進(jìn)行數據處理和修改；利用可編程邏輯控制和調度數據；由一列雙端口存儲器對數據進(jìn)行緩沖和排列；采用轉接元件進(jìn)行聚集和轉發(fā)；通過(guò)PHY將數據傳輸至背板互連介質(zhì)；最終反轉其路徑，通過(guò)背板部分的另一個(gè)線(xiàn)卡返回信息包處理部分，到達端口部分，后到達外部的目的地。這種極其簡(jiǎn)化的通信系統清楚地表明，如何采用一套通信基本構件來(lái)構建系統的大部分關(guān)鍵功能?！?