在線(xiàn)纜moden中實(shí)現線(xiàn)速處理

    為了滿(mǎn)足寬帶線(xiàn)纜業(yè)務(wù)的廣泛的市場(chǎng)需求，主要的線(xiàn)纜系統公司和多重系統運營(yíng)商（MSO）正聯(lián)合起來(lái)應對特定的市場(chǎng)挑戰。過(guò)去，一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題是制定一個(gè)標準的方案，以便于通過(guò)線(xiàn)纜產(chǎn)品實(shí)現高速的數據業(yè)務(wù) 。標準的技術(shù)規范鼓勵很多廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)標準的用戶(hù)產(chǎn)品和數據轉發(fā)器產(chǎn)品，并且，大批量生產(chǎn)帶來(lái)的規模效益也會(huì )自然而然地促使MSO和用戶(hù)數量的增加。標準的用戶(hù)產(chǎn)品還使線(xiàn)纜調制解調器（Cable modem,CM）的消費者零售模型與傳統的撥號類(lèi)似。為了做到這一點(diǎn)，線(xiàn)纜產(chǎn)業(yè)制定了自己的技術(shù)規范稱(chēng)為線(xiàn)纜業(yè)務(wù)中的數據接口規范（DOCSIS）。一個(gè)研究和開(kāi)發(fā)線(xiàn)纜業(yè)務(wù)的群體CableLabs管理這一標準，以保證供應商之間以及設備類(lèi)型之間的互操作性。

    在過(guò)去的兩年里，美國及世界其他地區的許多MSO開(kāi)始提供基于 DOCSIS的高速數據業(yè)務(wù)。這些業(yè)務(wù)的開(kāi)展是以 DOCSIS規范的1.0版本和各個(gè)生產(chǎn)商提供的第一代系統平臺為基礎的。到2000年底，僅在美國，就有超過(guò)三百萬(wàn)個(gè)家庭積極采用了高速數據業(yè)務(wù)，今后幾年，這個(gè)數字還會(huì )成倍增加。美國和加拿大的很多MSO正在提供寬帶的線(xiàn)纜modom業(yè)務(wù)，這些運營(yíng)商包括AT&T、Time  Warner、Media One、Cox、Rogers、等。

    通過(guò)推行相應的規范和技術(shù)，通過(guò)市場(chǎng)運作，這些第一代的解決方案帶來(lái)了巨大的產(chǎn)業(yè)效益。然而，隨著(zhù)住家應用功能和用途的繼續增加，隨著(zhù)消費者在生活習慣上對入戶(hù)高速接入的依賴(lài)性增強，用戶(hù)對高可靠性業(yè)務(wù)和更高性能的需求將會(huì )持續增加。MSO越來(lái)越多地要求包括新一代線(xiàn)纜modom終端系統（CMTS）在內的高可靠性、高實(shí)用性基礎設施。

    隨著(zhù)產(chǎn)業(yè)的成熟， “提供范圍更廣的業(yè)務(wù)種類(lèi)，滿(mǎn)足正在出現的市場(chǎng)份額的需求，”這種要求正在增加。結果， DOCSIS 的一個(gè)新版本應運而生，它提供了不同種類(lèi)的業(yè)務(wù)，并增加了IP電話(huà)等新的應用。這個(gè)新版本就是 DOCSIS 1.1，它定義了一個(gè)服務(wù)質(zhì)量（QoS）指標的最小集合和一組先進(jìn)的QoS指標，這個(gè)最小的QoS指標集是所有合乎規范的CMTS 產(chǎn)品都必須滿(mǎn)足的，而先進(jìn)的QoS指標則建議CMTS產(chǎn)品滿(mǎn)足，不做強制要求 。 大多數計算機網(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。盡管不同的標準委員會(huì )還正在從眾多的QoS建議中決定哪些將正式應用于Internet?，F在， QoS指標已經(jīng)在提供線(xiàn)纜數據業(yè)務(wù)的數據轉發(fā)設備中得到執行。隨之而來(lái)的業(yè)務(wù)性能改進(jìn)在線(xiàn)纜業(yè)務(wù)量的增加方面將尤為明顯 。向Internet的轉變是非常重要的，因為它改變現有的Internet路由模型，使之從對所有的用戶(hù)都“盡最大努力”地提供服務(wù)，向對不同的數據包和業(yè)務(wù)流區別對待轉變?，F在，對不同的數據包和業(yè)務(wù)流區別對待模型已經(jīng)能夠實(shí)現了。

    當QoS控制能夠以普遍的、端到端的形式在Internet上實(shí)現時(shí)，就有根據相應的性能保證提供有區別的服務(wù)可能的。高優(yōu)先級的數據包將通過(guò)低延遲和低抖動(dòng)的路由傳送，低優(yōu)先級的數據包則有可能經(jīng)歷較多的延遲和抖動(dòng)。在線(xiàn)纜數據轉發(fā)器處理和Internet傳輸過(guò)程中，不同應用功能對吞吐量的要求將決定它們各自相應的業(yè)務(wù)流的優(yōu)先級。甚至，在程序執行過(guò)程中，高級的應用程序動(dòng)態(tài)地改變相應應用程序業(yè)務(wù)流的優(yōu)先級也是可能的。

    因為所有的數據包不以相同的優(yōu)先級等級處理 ，以請求的（或者交付的）業(yè)務(wù)水平為基礎對不同類(lèi)別的數據包實(shí)行不同的收費價(jià)格是可行的。將來(lái)的Internet用戶(hù)有可能對不同類(lèi)別的業(yè)務(wù)支付不同標準的費用，并且，還可能是以應用單位（如每分鐘、每個(gè)數據包或者每個(gè)字節）為基礎來(lái)支付的。因為采用了不同的收費價(jià)格，用戶(hù)和服務(wù)供應商之間的服務(wù)水平協(xié)議（SLA）將詳細說(shuō)明已有的各個(gè)優(yōu)先級水平、相應的費用以及相關(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(zhù)為MSO提供接入的供應商的收入的實(shí)質(zhì)性增長(cháng)潛力。

 QoS和線(xiàn)纜 modom終端系統（CMTS）

    在線(xiàn)纜網(wǎng)絡(luò )結構中， MSO處于最佳位置，對優(yōu)先級業(yè)務(wù)起著(zhù)看門(mén)人的作用。它們介入每一個(gè)用戶(hù)的服務(wù)水平的約定，對自己的用戶(hù)插入Internet的所有數據包都能夠恰當地標記優(yōu)先級指標。事實(shí)上，一個(gè)MSO的設備是最先受到信任的設備（它不為用戶(hù)所有），用戶(hù)的數據包必須通過(guò)它才能找到進(jìn)入Internet的路徑。MSO對消費者的數據包負責，并且，能夠提供不同水平的用戶(hù)業(yè)務(wù)，并對用戶(hù)收費。在數據轉發(fā)器的CMTS允許的情況下， MSO 還將能夠對用戶(hù)業(yè)務(wù)水平的進(jìn)行動(dòng)態(tài)升級。為了在新的模型中成功運作， MSO 按照時(shí)間、數據包或者數據量，按照線(xiàn)纜modom或者其之后的計算機設備，逐個(gè)對各種業(yè)務(wù)水平的應用進(jìn)行詳盡地計數。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(diǎn)來(lái)提供，CMTS 位于數據轉發(fā)器車(chē)間，在那里，CMTS 提供線(xiàn)纜設備和Internet的基本連接。

線(xiàn)速處理，確保性能

    通常，一個(gè)功能強大，且具備QoS控制功能的 CMTS將提供數據包分類(lèi)、優(yōu)先級標注、業(yè)務(wù)流監督、連接控制、流量控制、擁塞控制、精細排隊、時(shí)序安排和逐個(gè)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)生負面影響，硬件輔助的QoS處理（線(xiàn)速處理）通常是必須的。具備線(xiàn)速處理的CMTS 將能夠完成所有的QoS控制功能以及與轉發(fā)、計數和測量相關(guān)的全部功能，這些功能要求在最短的數據包到達間隔期望值內完成。不采用線(xiàn)速處理，這些功能占用的時(shí)間將超過(guò)兩個(gè)連續的數據包的達到時(shí)間間隔。因此， CMTS 必須在完成對第一個(gè)數據包的處理的同時(shí)，對第二個(gè)數據包進(jìn)行排隊。一旦超時(shí)，排隊深度就會(huì )增加，受業(yè)務(wù)影響的數據包丟失就會(huì )產(chǎn)生，而用戶(hù)則會(huì )將其理解為服務(wù)水平較低、吞吐量較小、帶寬較窄或者應答較慢。結果，用戶(hù)對業(yè)務(wù)性能理解的降低將導致用戶(hù)對服務(wù)質(zhì)量的不滿(mǎn) 。

    MSO可能會(huì )偏愛(ài)能夠通過(guò)線(xiàn)速處理提供QoS控制功能的 CMTS 產(chǎn)品。今天，針對Internet中如此高的數據速率，只有為數不多的幾種實(shí)用的方法實(shí)現線(xiàn)路處理，其中之一是設計高速定制的ASIC，以實(shí)現滿(mǎn)足特定的QoS的處理速度。這種方法成本高，且在標準不斷變化的情況下無(wú)法修改。在CMTS中實(shí)現線(xiàn)速處理的另一個(gè)方法是使用類(lèi)似汽車(chē)裝配生產(chǎn)線(xiàn)的技術(shù)對處理功能實(shí)行流水作業(yè)——流水線(xiàn)的每一級僅僅完成整個(gè)任務(wù)的一個(gè)子集，各個(gè) 子任務(wù)級聯(lián)起來(lái)，新的任務(wù)（數據包）就可以以非常高的速度進(jìn)入流水線(xiàn)。

    流水線(xiàn)方法既可以由軟件實(shí)現，也可由硬件實(shí)現，還可由兩者組合實(shí)現。采用高速處理器時(shí)，流水線(xiàn)可以用軟件實(shí)現，這樣做的好處是開(kāi)發(fā)時(shí)間相對較短，開(kāi)發(fā)工具豐富，且開(kāi)發(fā)環(huán)境已為人們所廣泛理解。然而，不幸的是，大多數通用處理器在任務(wù)劃分和總線(xiàn)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(guò)并行處理來(lái)執行網(wǎng)絡(luò )任務(wù)，從而克服上述缺點(diǎn)。一方面，它們處理類(lèi)似語(yǔ)音流和視頻流這樣的實(shí)時(shí)數據的能力還有待于進(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據依賴(lài)性以及時(shí)序安排和管理等任務(wù)還需要進(jìn)一步觀(guān)察。在硬件方案中，流水線(xiàn)算法可以利用可編程邏輯器件（PLD）實(shí)現，這樣做既可以避免ASIC非常長(cháng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間，又可以達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這樣的標準很可能提高對數據包傳輸的時(shí)延要求。另外，很多現代的PLD包含了有利于CMTS設計的結構特點(diǎn)。這些結構特點(diǎn)包括高速I(mǎi)/O緩沖器、鎖相環(huán)（PLL）和靈活的嵌入式存儲器結構。組合可編程邏輯和高速處理器構成的平衡的設計方案，可以兼有上述兩種實(shí)現方法優(yōu)點(diǎn)——既包括硬件加速的性能，又具備軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境的熟悉，還包含了可重復編程平臺的靈活性。

I/O功能和鎖相環(huán)

    最新的可PLD支持多種I/O標準和多種邏輯電平。通過(guò)兼容多種 I/O電平標準，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(mǎi)/O 選項使得PLD能夠達到更高的性能水平――每個(gè)通道高達840 Mbps 。由于片內鎖相環(huán)的參與，這樣的速度是可以達到的。正如圖1所表示的那樣，鎖相環(huán)在串－并轉換電路中實(shí)現時(shí)鐘倍頻。

<圖1:   基于可編程邏輯的LVDS電路使用多個(gè)時(shí)鐘信號，可以實(shí)現高達每個(gè)通道840 Mbps數據傳輸速率。這種操作要求片內鎖相環(huán)能夠以8倍于輸入時(shí)鐘的速度同步LVDS 轉換電路。>

    利用鎖相環(huán)（ PLL）和LVDS，設計者可以增加系統帶寬。例如，在一個(gè)有8個(gè)客戶(hù)的光交換單元里，每個(gè)客戶(hù)有兩組總線(xiàn)，每組總線(xiàn)有 8個(gè)I/O，但沒(méi)有LVDS－PLL 組合，總的I/O引腳數量為：

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