基于平臺FPGA實現流量管理和背板設計

平臺FPGA結合硬件并行處理、硬件-軟件協同子系統和IP內核等技術，為開發下一代業務流量管理系統，實現分組處理、分類和策略、流量管理、背板通信和系統接口等功能提供了一種高性能的靈活平臺。

能夠產生營收的路由器需要一種技術平臺，這種技術平臺既要能夠提供強大的分組處理能力(即使在最壞的流量情況下)，又要能夠以較低的成本提供足夠的靈活性。FPGA技術的快速發展使得基于FPGA設計完整的路由器和交換刀片成為可能?，F在的平臺FPGA為實現分組處理、分類和策略、流量管理、背板通信和系統接口等功能提供了一個完整的平臺。

網絡處理

網絡處理器是高度優化的用于處理網絡業務流的器件，與傳統的ASIC相比，具有產品上市時間快、靈活性高兩方面的優點。網絡處理器抽取、分類和過濾輸入的位流，決定其目標端口，并將數據分組轉發到交換矩陣，同時還提供可選的流量管理功能。
為達到分組處理所需要的性能，一些供應商的解決方法是將功能(圖1)分成：

1.分類協處理器：將分組歸入某類業務流。

2.策略引擎：保證業務流實際使用的帶寬不超過其服務水平協議(SLA)中所分配的帶寬。策略通常在服務質量(QoS)網絡邊緣執行，違規的分組或者被丟棄，或者被打上標記用于后續處理。

3.業務流量管理器：執行相應業務流的服務水平協議(SLA)。通常，來自遵守不同SLA的不同業務流的分組會被重新排序，有時其中有些分組會被丟棄。同一業務流中的分組不會被改變次序。

在網絡處理流程中，包括流量整形、隊列和調度在內的流量管理功能是帶寬需求最密集的關鍵功能。流量整形幫助管理網絡擁塞和應付網絡流量的猝發特性。隊列和調度引擎決定分組發送出去的時間和順序。它們通過創建層次化隊列來將業務流匯聚為類，將類匯聚為端口。層次的每一級可使用不同的隊列算法來確定不同業務流的優先級。

典型情況下，流量管理器是獨立的芯片，根據分類器管理的策略集，執行流量整形、排隊和調度功能。它們提供了細粒度的QoS控制并負責保證實現服務質量協議。可能會需要一個外部處理器，用于設置或刪除業務流配置，此工作不需要逐個分組或信元處理。每個系統在流量管理協議、存儲器管理、凈荷、接口等方面都有所不同。典型的策略算法包括漏桶(leaky bucket)、令牌桶(token bucket)算法等。擁塞管理算法包括隨機早期檢測(RED)和加權隨機早期檢測(WRED)等。調度算法包括優先級隊列(PQ)、公平隊列(FQ)、加權公平隊列(WFQ)和輪詢隊列(RR)等。

現有的網絡處理單元(NPU)器件很少能夠滿足性能要求，典型的Packet over SONET/SDHOC-48c流量管理器在入口和出口路徑需要有獨立的流量管理器，或者需要一個全雙工(5Gbps)的流量管理器?，F有的NPU器件還很少能夠支持所有需要的算法。而且，在ASIC方面的投資成本高昂。

平臺FPGA實現流量管理和背板設計

流量管理需要高性能、足夠的靈活性，并且要支持多種隊列和調度算法和協議以及多種存儲器類型和接口。平臺FPGA器件提供的下述特點為流量管理提供了關鍵優勢：

高速接口

1．多達24個嵌入式千兆位級收發器(MGT)支持高速傳輸(高達10.3125Gbps)，同時抗噪聲能力更高、功耗更低并且可減少信號數量并降低電路板復雜性。

2．這些器件還支持17種單端和6種差分電平標準，調度器需要使用的有：

A.用于成幀器和存儲器高速接口的HSTL

B.用于成幀器、存儲器和ASSP接口的SSTL

C.用于時鐘輸入/輸出的PECL

D.用于刀片或背板通信的LVDS/CML

E.用于實現與CPU芯片組接口的PCI

F.幾乎所有其它地方都可使用LVCMOS/LVTTL

3．提供大量封裝類型以及大量IO引腳數(最大1200)，從而可滿足接口所需要的吞吐量要求 。

4．FPGA的每個引腳都支持數字控制阻抗匹配(DCI)技術，可減少成百/上千的片外端接匹配電阻，因此可以簡化電路板布局布線工作。因此可以減少電路板的層數，縮短布線長度，從而可獲得更高的系統可靠性。

數字時鐘管理器(DCM)和時鐘分配樹

流量管理器需要連接多種外部器件，因此必須面對具有不同頻率的多個時鐘域。DCM可以補償由于時鐘傳輸延遲以及電路板布局限制所產生的信號畸變。通常每一外部高速接口使用一個DCM和時鐘樹。12個DCM提供了相位移動和頻率合成能力，特別適合具有多個時鐘域和關鍵時序要求的系統。

DCM支持超過 400MHz的時鐘輸出，從而可支持領先的總線接口標準，如RapidIO和SPI-4。DCM的數字化特點使其可不受系統溫度和電壓波動的影響。DCM提供了一個可保證精確50/50占空比的零延遲時鐘緩沖。DCM可精確控制一個時鐘周期內的相移，精度達到時鐘周期的1%，這對建立和保持時間的調整非常關鍵。DCM支持精確生成24MHz至420MHz范圍間的頻率。

塊RAM(BlockRAM)

超過10Mb嵌入式BlockRAM 對于存儲經常訪問的對象非常理想，從而可以提高性能。嵌入式存儲器適用于多種應用，如：存儲器的高速緩沖存儲器、存儲統計數據和臨時數據(Scratch pad)、存儲用于發送調度和存儲器管理操作的位圖、跨越時鐘域、以及片內通信的彈性緩沖。

乘法器

流量管理器需要大量的算術運算來完成分組調度計算。調度引擎需要大量的整數和浮點數間的乘法運算(Tsi(t+)=Tsi(t)+Lpkt/rj)。典型的算法需要 100MHz性能的18位乘法運算。平臺FPGA器件在單個器件中可提供高達556個運行在300MHz以上的18×18乘法器。乘法器和邏輯資源配合可以設計出定制硬件加速器內核，如加密、校驗和計算以及DSP。

大量高性能的可編程邏輯資源(高達1千萬門)和布線資源

調度器以極高速度完成大量復雜的運算。而且，操作數存儲在寄存器中。由于在每個周期都需要做出調度決策，需要采用深流水線，因此在處理數據風險時，會嚴重降低處理效率。為了滿足這些設計目標，需要使用大量的片上觸發器。FPGA提供了超過 300MHz的邏輯性能，并為大量的寬數據通路和鏈接存儲提供了大量內部互連線資源。

PowerPC 處理器、CoreConnect以及工具

現在的平臺FPGA嵌入了多達4個300MHz (420 D-MIPS) IBM PowerPC內核來幫助實現諸如統計監控、控制和異常處理等功能。整個解決方案包括：用于訪問外設的IBM CoreConnect總線；通過System Generator for PowerPC、GNU編譯器和軟件調度器工具鏈、風河VxWorks、MontaVista HardHat Linux等提供的平滑硬件和軟件設計環境；同時還提供ChipScope Pro等調試工具。


本文結論


僅僅依賴蠻干的方法并不能滿足現代分組交換平臺的設計目標。平臺FPGA器件的性能水平和特性，為構建能夠盈利的路由器和交換機提供了一個強大的平臺。平臺FPGA結合硬件并行處理、硬件-軟件協同子系統和IP內核等技術，為開發下一代業務流量管理系統提供了一種高性能的靈活平臺。