線卡通信系統的基本構件
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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、無線網絡交換機或存儲域網絡(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為“線卡”。
典型的線卡可劃分為三個明顯的區域：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據，采用Ethernet或SONET等行業標準和協議；信息包處理部分則處理數據，設定其傳送優先級，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行緩沖、排列、調度，并傳輸至其它的互連線卡，然后反轉路徑，將數據發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(WAN)領域的系統，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，它必須能夠與系統通信，必須采用通用語言或行業標準，這部分由兩個器件構成，一個器件能夠將數據放置在介質(PHY)上，或從介質上取得數據，另一個器件將數據格式化為行業標準信息包(即成幀器)。
PHY——這個術語代表“物理層器件”，它代表開放系統互連(OSI)模型的最低層，在采用銅連線的系統中，PHY可直接連接至物理介質，或者連接光模組，以便在光纖鏈路上發送光數據。在任一情況下，PHY的主要功能是將從介質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卡和從線卡接收數據。遵從行業標準、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據“成幀”和“解幀”為正確的格式。在SONET網絡，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。可對數據進行智能處理，如虛擬級聯，從而動態分配帶寬，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的通信系統中，存儲域網絡和無線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。通常采用網絡處理器(NPU)來快速處理數據包，并將數據存儲在存儲器(RAM)中。因為路由器中的數據需要發送至目的地，必須進行表查尋，將數據與其適當的基于源地址、優先級等條件的目的地址相匹配。網絡搜索引擎(NSE)適用于運作速率為OC-48(2.5Gb/s)或更高的系統，提供高性能的查尋功能，為了提高處理性能，采用網絡協處理器(NCP)卸載NPU的工作任務。
網絡處理器(NPU)——NPU可對數據進行智能化決策，用于信息包分類。這可幫助實施基于服務質量(QoS)和服務級別(CoS)等規則的功能，用于區分信息包的優先順序。NPU是經過優化適合網絡應用的設備(與通用CPU相比)，能夠實現多千兆速率的線速處理。
網絡協處理器(NCP)——NCP運行非常特別的網絡功能，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，優化搜索性能。這有助于大幅提高系統的整體性能。
網絡搜索引擎(NSE)——NSE的架構優化用于表搜索，它可為NPU提供加速表查尋功能，NSE能夠匹配數據，在單個時鐘循環內獲得結果。采用算法方案的相似搜索需要進行多重循環，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進行表搜索是實現線速處理的必需，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決定的索引用來尋地址存儲器，讀出相應的數據。來自存儲器的數據經過NCP傳遞回來，NPU用這些數據來修改數據包。因此，信息包處理部分的所有元件均協同工作，為系統提供高速、有效的表搜索。
背板——背板部分是線卡中與系統內的所有其它線卡互連的部分，這部分包括許多關鍵的系統功能，如時鐘分配、緩沖、排隊、調度、轉接及最終將數據發送至另一個線卡。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——系統計時是通信系統所需的關鍵功能，用來與其各個元件協調計時，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。可采用許多類型的時鐘，包括簡單的晶體振蕩器、頻率計時發生器、傳播頻譜計時發生器、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，進行信號接口轉換、信息包傳輸調度，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，常常可使系統設計更簡單，并且，存儲器常劃分為多個隊列或FIFO，以方便基于規則、級別或服務質量的信息包傳遞。
轉接元件——線卡的數據可能需要轉接至系統中的任何其它線卡，雖然轉接功能可以獨立進行，單獨的轉接卡與所有線卡的背板互連，可能每一個線卡需要一個轉接元件。如果線卡上存在多重PHY，轉接元件有助于將數據轉接至正確的PHY，或Quad PHY。如果系統存在線端阻塞（防止由于低優先級別的信息包阻塞路徑，導致高優先級別的信息包被延誤，）的問題，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先級別的數據，轉接元件也可用于數據的多路傳輸，或將線卡的多重處理路徑聚集在單個PHY上，在容許錯誤的系統中，轉接元件也可用于創建發往多重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卡，及接收來自線卡的數據，然而，因為背板僅與同一個系統內的其它線卡相連，PHY支持的標準和協議常常自有所有權，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議運行背板PHY。
總之，今天所用的多數類型的通信系統，無論它是OC-48路由器，W-CDMA無線網絡，或光纖通道開關，數據通過一系列互連的線卡傳送。采用PHY從外部介質接收數據；由成幀器進行格式化；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行緩沖和排列；采用轉接元件進行聚集和轉發；通過PHY將數據傳輸至背板互連介質；最終反轉其路徑，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清楚地表明，如何采用一套通信基本構件來構建系統的大部分關鍵功能。■
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