用于10Gbps的高性能内容可寻址存储器

发布时间:2008/6/16 0:00:00 访问次数:464

　　随着用户迅速增多以及应用日益复杂，网络正面临着“带宽爆炸”的问题。上世纪90年代中期，对桌面应用而言每秒10兆位传输速度就完全足够，而今天每秒100兆位速度早已是司空见惯，在不远的将来，每秒1千兆位速度也将成为现实。企业内部骨干网络运行速度如此之高，以致千兆位以太网已经是最低要求，万兆位以太网产品也开始逐渐增多。与此同时，广域网(wan)正以同样惊人的速度增长，已经达到了oc-192的速度甚至更高。如今的网络包括高速wan内核、大城市城域网(man)设施以及企业中的局域网，图1显示了这几个大块及其组件。核心路由器、中枢交换机、存储区域网(san)和安全网关的运行均要求支持高速搜索，高性能三态cam正是这些设备的理想方案。

内容可寻址存储器cam

　　cam是一种专用存储器件，可进行快速大量并行搜索。搜索的时候，存储器中所有的数据同时与搜索关键字比较，搜索结果就是匹配项的物理地址。它可以在硬件中完成数据表查询，需要使用专用比较电路，对每个存储位进行比较。

　　为了保证快速搜索，cam通常采用管线结构，每个时钟周期都能启动搜索，运行速度可以维持在每时钟周期搜索一次。cam完成搜索需要多个周期，这些周期即是设备延迟。为了使搜索速度达到最快，芯片上必须要有足够多的引脚，以便每个周期都能输入一个比较字。如果引脚的数目是比较字宽度的一半并同时支持双数率(ddr)输入，就可达到最大搜索速度。ddr在时钟的上升和下降沿都能将输入锁定。

　　以前cam一直是单纯的二进制器件，在每个位中只能存储0或1，近年来出现了在每个存储位置可以存储0、1或x三种值的三态cam。x是一种“无关”态，可以是0或1，这种功能可用于基于无级域间路由(cidr)的最长词首比较，ipv4 cidr地址的词首长度可长达32位，超过词首的位就由x填补(见rfc 1519)。当最长词首比较完成后(x均代表比较成功)，可能会有多个条目与比较字匹配，带多个匹配的搜索结果即是与最长词首相匹配的所有结果。三态存储及搜索的其它用途还有滤波、流程控制、分类及范围匹配等。

硬件系统环境

　　一个典型的路由和交换子系统，基本功能单元仍与大型网络设备类似，如企业边缘交换机和太位核心路由器等。

　　子系统的主要功能单元包括物理(phy)和媒体存取控制(mac)接口、信息包处理器或asic、传输引擎和语境存储器、传输管理器、交换结构接口、微处理器及队列缓冲器。信息包处理器的功能包括：对收到的信息包头文件进行管理，解析要搜索的相关头文件并将这一信息提供给传输引擎。需要注意的是如今这些功能都可由定制的asic或标准网络处理器产品完成。基于cam的传输引擎根据这一输入搜索信息传输查询表，以确定对该数据合适的传输入口，然后将其从cam输出到语境存储器，确定对该信息包要采取的路由、交换或其它方案。

　　信息包传输方案的发展经历了几个阶段。早期迭代是基于软件的方法，速度较慢。第二代设备中，信息包传输通常采用基于asic的专用非确定算法(如哈希函数)进行，用ram阵列存储数据。由于非确定算法非常复杂，而基于asic的方案又难于开发和升级，所以第三代方案就向着采用高准确度、高容量三态cam技术的专用标准产品(assp)发展，该方案能够满足不断增长的传输量要求，同时又缩短了面市时间，因此极具吸引力。

信息包传输性能要求

　　网络内核和企业中不同类型的设备对性能有不同的要求，例如路由表大小会根据必须存储的路径情况而变化，同样，搜索速度随接口速度而改变，另外查表的复杂性相差也很大，从简单的第二层mac精确匹配到复杂的多层多协议分类及安全性功能等等。因此在这些不同的应用所采用的方案中，性能和灵活性都必须要能满足各种要求。

对搜索速度的要求

　　在考虑不同类型设备所要求的搜索性能时，必须要看几个因素，如传输引擎所要驱动的端口数量和速度等，要知道许多新兴的复杂处理规范要求对每个信息包都进行多重搜索。表1列出了不同lan和wan接口速度和三重信息包查询所要求的搜索性能，这些要求大大超出传统查找技术的能力范围，从而也推动了基于三态cam的传输引擎的发展。

高性能三态cam

　　本节我们将介绍高性能三态cam的主要特性，包括搜索速度、结构、深度和对高级应用的适用性等几个方面，并已针对信息包管理功能进行了优化。

1. 搜索速度

　　目前cam的最高搜索速度为每秒1亿次，该速度可在oc-768中对每个信息包进行一次搜索或在oc-192中对每个信息包进行四次搜索。也就是说，对于万兆位以太网单个设备可以支持每个信息包六次搜索，或每个信息包在两个合计起来1万兆位的以太网端口进行三次搜索。