線卡通信系統(tǒng)的基本構件
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這些系統(tǒng)的中心架構通常由許多功能相似的電路板構成，這些系統(tǒng)通過一個終端連接至外部；在另一端它們互相連接在一起。在路由器、無線網(wǎng)絡交換機或存儲域網(wǎng)絡(SAN)交換機中，能找到數(shù)十種這樣的通用電路板。它們運行系統(tǒng)的大多數(shù)關鍵功能，包括接收、處理、轉(zhuǎn)接及傳輸數(shù)據(jù)。在本文中，我們將這些功能相似的電路板稱為“線卡”。
典型的線卡可劃分為三個明顯的區(qū)域：端口、信息包處理及背板部分，端口部分在線卡和外部之間傳遞格式正確的數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)進行緩沖、排列、調(diào)度，并傳輸至其它的互連線卡，然后反轉(zhuǎn)路徑，將數(shù)據(jù)發(fā)送至它的正確的目的地。為了簡化說明，我們特別研究廣域網(wǎng)(WAN)領域的系統(tǒng)，如路由器，簡要說明線卡的基本功能。存儲和無線領域的線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卡連接至外部，因此，除其本身外，它必須能夠與系統(tǒng)通信，必須采用通用語言或行業(yè)標準，這部分由兩個器件構成，一個器件能夠?qū)?shù)據(jù)放置在介質(zhì)(PHY)上，或從介質(zhì)上取得數(shù)據(jù)，另一個器件將數(shù)據(jù)格式化為行業(yè)標準信息包(即成幀器)。
PHY——這個術語代表“物理層器件”，它代表開放系統(tǒng)互連(OSI)模型的最低層，在采用銅連線的系統(tǒng)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(shù)據(jù)。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(zhuǎn)換為系統(tǒng)能夠解譯的數(shù)據(jù)，主要工作是將數(shù)據(jù)傳輸至線卡和從線卡接收數(shù)據(jù)。遵從行業(yè)標準、低功耗、集成化或信號抖動性能是端口PHY的部分最重要特性。
成幀器——這個器件的名稱來自于它的主要功能，將從PHY至線卡其它元件的數(shù)據(jù)“成幀”和“解幀”為正確的格式。在SONET網(wǎng)絡，成幀器從PHY取得數(shù)據(jù)的SONET幀，再將其解幀為另一種系統(tǒng)所用的格式?？蓪?shù)據(jù)進行智能處理，如虛擬級聯(lián)，從而動態(tài)分配帶寬，使系統(tǒng)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(tǒng)中，存儲域網(wǎng)絡和無線基礎設施通信系統(tǒng)則相反。信息包處理部分的主要功能是處理數(shù)據(jù)，做好有效傳送至其目的地的準備。通常采用網(wǎng)絡處理器(NPU)來快速處理數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)存儲在存儲器(RAM)中。因為路由器中的數(shù)據(jù)需要發(fā)送至目的地，必須進行表查尋，將數(shù)據(jù)與其適當?shù)幕谠吹刂贰?yōu)先級等條件的目的地址相匹配。網(wǎng)絡搜索引擎(NSE)適用于運作速率為OC-48(2.5Gb/s)或更高的系統(tǒng)，提供高性能的查尋功能，為了提高處理性能，采用網(wǎng)絡協(xié)處理器(NCP)卸載NPU的工作任務。
網(wǎng)絡處理器(NPU)——NPU可對數(shù)據(jù)進行智能化決策，用于信息包分類。這可幫助實施基于服務質(zhì)量(QoS)和服務級別(CoS)等規(guī)則的功能，用于區(qū)分信息包的優(yōu)先順序。NPU是經(jīng)過優(yōu)化適合網(wǎng)絡應用的設備(與通用CPU相比)，能夠?qū)崿F(xiàn)多千兆速率的線速處理。
網(wǎng)絡協(xié)處理器(NCP)——NCP運行非常特別的網(wǎng)絡功能，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(tǒng)的整體性能。
網(wǎng)絡搜索引擎(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(shù)據(jù)，在單個時鐘循環(huán)內(nèi)獲得結果。采用算法方案的相似搜索需要進行多重循環(huán)，才能完成一項匹配；因此，NSE可進行最高效的表搜索。在運作速率為OC-48(2.5Gb/s)或以上的通信應用中，采用NSE進行表搜索是實現(xiàn)線速處理的必需，通常搜索結果是存儲器中數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，由NSE決定的索引用來尋地址存儲器，讀出相應的數(shù)據(jù)。來自存儲器的數(shù)據(jù)經(jīng)過NCP傳遞回來，NPU用這些數(shù)據(jù)來修改數(shù)據(jù)包。因此，信息包處理部分的所有元件均協(xié)同工作，為系統(tǒng)提供高速、有效的表搜索。
背板——背板部分是線卡中與系統(tǒng)內(nèi)的所有其它線卡互連的部分，這部分包括許多關鍵的系統(tǒng)功能，如時鐘分配、緩沖、排隊、調(diào)度、轉(zhuǎn)接及最終將數(shù)據(jù)發(fā)送至另一個線卡。雖然線卡所有部分的元件均需要計時功能，但這個功能做在背板部分。
時鐘——系統(tǒng)計時是通信系統(tǒng)所需的關鍵功能，用來與其各個元件協(xié)調(diào)計時，時鐘用于元件同步、高速時鐘生成，以及圍繞線卡的計時分布?？刹捎迷S多類型的時鐘，包括簡單的晶體振蕩器、頻率計時發(fā)生器、傳播頻譜計時發(fā)生器、非零計時延遲緩沖器、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(tǒng)中，控制多數(shù)其它元件。在許多情況下，這些邏輯器件可視作系統(tǒng)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(shù)據(jù)處理功能，進行信號接口轉(zhuǎn)換、信息包傳輸調(diào)度，并且常常能夠在單個器件中集成一些圍繞它的其它功能區(qū)塊(如計時裝置和存儲器)。
存儲器——背板普遍需要采用存儲器以緩沖通過線卡傳遞的數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)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器件之間的臨時儲存點，可能需要多重時域功能。采用雙端口RAM或FIFO，常?？墒瓜到y(tǒng)設計更簡單，并且，存儲器常劃分為多個隊列或FIFO，以方便基于規(guī)則、級別或服務質(zhì)量的信息包傳遞。
轉(zhuǎn)接元件——線卡的數(shù)據(jù)可能需要轉(zhuǎn)接至系統(tǒng)中的任何其它線卡，雖然轉(zhuǎn)接功能可以獨立進行，單獨的轉(zhuǎn)接卡與所有線卡的背板互連，可能每一個線卡需要一個轉(zhuǎn)接元件。如果線卡上存在多重PHY，轉(zhuǎn)接元件有助于將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接至正確的PHY，或Quad PHY。如果系統(tǒng)存在線端阻塞（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，）的問題，轉(zhuǎn)接元件有助于重新安排數(shù)據(jù)通道，以確保首先傳送最高優(yōu)先級別的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)接元件也可用于數(shù)據(jù)的多路傳輸，或?qū)⒕€卡的多重處理路徑聚集在單個PHY上，在容許錯誤的系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)接元件也可用于創(chuàng)建發(fā)往多重PHY的冗余型數(shù)據(jù)路徑，增加數(shù)據(jù)的可靠性。
PHY——象端口部分的PHY，背板PHY用于將數(shù)據(jù)傳輸至線卡，及接收來自線卡的數(shù)據(jù)，然而，因為背板僅與同一個系統(tǒng)內(nèi)的其它線卡相連，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(tǒng)的最佳速度或協(xié)議運行背板PHY。
總之，今天所用的多數(shù)類型的通信系統(tǒng)，無論它是OC-48路由器，W-CDMA無線網(wǎng)絡，或光纖通道開關，數(shù)據(jù)通過一系列互連的線卡傳送。采用PHY從外部介質(zhì)接收數(shù)據(jù)；由成幀器進行格式化；在NCP、NSE和存儲器構成的查尋子系統(tǒng)確定數(shù)據(jù)的正確目的地之后，采用NPU進行數(shù)據(jù)處理和修改；利用可編程邏輯控制和調(diào)度數(shù)據(jù)；由一列雙端口存儲器對數(shù)據(jù)進行緩沖和排列；采用轉(zhuǎn)接元件進行聚集和轉(zhuǎn)發(fā)；通過PHY將數(shù)據(jù)傳輸至背板互連介質(zhì)；最終反轉(zhuǎn)其路徑，通過背板部分的另一個線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。這種極其簡化的通信系統(tǒng)清楚地表明，如何采用一套通信基本構件來構建系統(tǒng)的大部分關鍵功能?！?
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