用于10Gbps的高性能內容可尋址存儲器

發(fā)布時間:2008/6/16 0:00:00 訪問次數(shù):469

　　隨著用戶迅速增多以及應用日益復雜，網絡正面臨著“帶寬爆炸”的問題。上世紀90年代中期，對桌面應用而言每秒10兆位傳輸速度就完全足夠，而今天每秒100兆位速度早已是司空見慣，在不遠的將來，每秒1千兆位速度也將成為現(xiàn)實。企業(yè)內部骨干網絡運行速度如此之高，以致千兆位以太網已經是最低要求，萬兆位以太網產品也開始逐漸增多。與此同時，廣域網(wan)正以同樣驚人的速度增長，已經達到了oc-192的速度甚至更高。如今的網絡包括高速wan內核、大城市城域網(man)設施以及企業(yè)中的局域網，圖1顯示了這幾個大塊及其組件。核心路由器、中樞交換機、存儲區(qū)域網(san)和安全網關的運行均要求支持高速搜索，高性能三態(tài)cam正是這些設備的理想方案。

內容可尋址存儲器cam

　　cam是一種專用存儲器件，可進行快速大量并行搜索。搜索的時候，存儲器中所有的數(shù)據(jù)同時與搜索關鍵字比較，搜索結果就是匹配項的物理地址。它可以在硬件中完成數(shù)據(jù)表查詢，需要使用專用比較電路，對每個存儲位進行比較。

　　為了保證快速搜索，cam通常采用管線結構，每個時鐘周期都能啟動搜索，運行速度可以維持在每時鐘周期搜索一次。cam完成搜索需要多個周期，這些周期即是設備延遲。為了使搜索速度達到最快，芯片上必須要有足夠多的引腳，以便每個周期都能輸入一個比較字。如果引腳的數(shù)目是比較字寬度的一半并同時支持雙數(shù)率(ddr)輸入，就可達到最大搜索速度。ddr在時鐘的上升和下降沿都能將輸入鎖定。

　　以前cam一直是單純的二進制器件，在每個位中只能存儲0或1，近年來出現(xiàn)了在每個存儲位置可以存儲0、1或x三種值的三態(tài)cam。x是一種“無關”態(tài)，可以是0或1，這種功能可用于基于無級域間路由(cidr)的最長詞首比較，ipv4 cidr地址的詞首長度可長達32位，超過詞首的位就由x填補(見rfc 1519)。當最長詞首比較完成后(x均代表比較成功)，可能會有多個條目與比較字匹配，帶多個匹配的搜索結果即是與最長詞首相匹配的所有結果。三態(tài)存儲及搜索的其它用途還有濾波、流程控制、分類及范圍匹配等。

硬件系統(tǒng)環(huán)境

　　一個典型的路由和交換子系統(tǒng)，基本功能單元仍與大型網絡設備類似，如企業(yè)邊緣交換機和太位核心路由器等。

　　子系統(tǒng)的主要功能單元包括物理(phy)和媒體存取控制(mac)接口、信息包處理器或asic、傳輸引擎和語境存儲器、傳輸管理器、交換結構接口、微處理器及隊列緩沖器。信息包處理器的功能包括：對收到的信息包頭文件進行管理，解析要搜索的相關頭文件并將這一信息提供給傳輸引擎。需要注意的是如今這些功能都可由定制的asic或標準網絡處理器產品完成�；赾am的傳輸引擎根據(jù)這一輸入搜索信息傳輸查詢表，以確定對該數(shù)據(jù)合適的傳輸入口，然后將其從cam輸出到語境存儲器，確定對該信息包要采取的路由、交換或其它方案。

　　信息包傳輸方案的發(fā)展經歷了幾個階段。早期迭代是基于軟件的方法，速度較慢。第二代設備中，信息包傳輸通常采用基于asic的專用非確定算法(如哈希函數(shù))進行，用ram陣列存儲數(shù)據(jù)。由于非確定算法非常復雜，而基于asic的方案又難于開發(fā)和升級，所以第三代方案就向著采用高準確度、高容量三態(tài)cam技術的專用標準產品(assp)發(fā)展，該方案能夠滿足不斷增長的傳輸量要求，同時又縮短了面市時間，因此極具吸引力。

信息包傳輸性能要求

　　網絡內核和企業(yè)中不同類型的設備對性能有不同的要求，例如路由表大小會根據(jù)必須存儲的路徑情況而變化，同樣，搜索速度隨接口速度而改變，另外查表的復雜性相差也很大，從簡單的第二層mac精確匹配到復雜的多層多協(xié)議分類及安全性功能等等。因此在這些不同的應用所采用的方案中，性能和靈活性都必須要能滿足各種要求。

對搜索速度的要求

　　在考慮不同類型設備所要求的搜索性能時，必須要看幾個因素，如傳輸引擎所要驅動的端口數(shù)量和速度等，要知道許多新興的復雜處理規(guī)范要求對每個信息包都進行多重搜索。表1列出了不同lan和wan接口速度和三重信息包查詢所要求的搜索性能，這些要求大大超出傳統(tǒng)查找技術的能力范圍，從而也推動了基于三態(tài)cam的傳輸引擎的發(fā)展。

高性能三態(tài)cam

　　本節(jié)我們將介紹高性能三態(tài)cam的主要特性，包括搜索速度、結構、深度和對高級應用的適用性等幾個方面，并已針對信息包管理功能進行了優(yōu)化。

1. 搜索速度

　　目前cam的最高搜索速度為每秒1億次，該速度可在oc-768中對每個信息包進行一次搜索或在oc-192中對每個信息包進行四次搜索。也就是說，對于萬兆位以太網單個設備可以支持每個信息包六次搜索，或每個信息包在兩個合計起來1萬兆位的以太網端口進行三次搜索。