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基于網絡處理器IXP1200的以太網上聯(lián)卡設計
摘要：以太網上聯(lián)卡是以ATM技術為內核的DSLAM設備中的一塊板卡，DSLAM設備通過它可直接與IP網絡相連，由于在進行ATM與IP轉換時要消耗大量資源，因而很容易使上聯(lián)卡成為整個系統(tǒng)的瓶頸。文章提出了一種基于網絡處理器IXP1200的以太網上聯(lián)卡設計方案，該方案利用IXP1200網絡處理器強大的數(shù)據處理能力和高度的靈活性來實現(xiàn)對數(shù)據的線速處理，同時也可根據需要增加新的功能。隨著網絡通訊技術的高速發(fā)展，寬帶接入技術成了當前電信接入技術的熱點。由于早期的寬帶技術以ＡＴＭ為核心，各大廠家提供的核心芯片和線路接口芯片都是基于ＡＴＭ技術的。而數(shù)據網絡主要以ＴＣＰ／ＩＰ為核心，因此，為了解決ＡＴＭ和ＴＣＰ／ＩＰ的融合問題，就需要在ＤＳＬＡＭ設備上提供ＡＴＭ到以太網的轉換。但轉換過程中需要進行大量的數(shù)據處理，因此容易產生系統(tǒng)瓶頸，而上聯(lián)卡的設計就是為了解決在ＤＳＬＡＭ設備中的ＡＴＭ信元和以太網幀之間的高速轉發(fā)問題。本文提出了一種基于網絡處理器ＩＸＰ１２００的上聯(lián)卡設計方案，并對該方案的實現(xiàn)過程進行了詳細分析。
１ 網絡處理器ＩＸＰ１２００主要特性
網絡處理器是一種硬件可編程器件，通常是一種芯片，它是專門為處理網絡數(shù)據包而設計的。通過對硬件架構和指令集的優(yōu)化，該網絡處理器不但可提供線速處理數(shù)據包的高質量硬件功能，同時還具備極大的系統(tǒng)靈活性。
ＩＸＰ１２００是英特爾公司生產的一款高檔網絡處理器，也是ＩＸＡ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ）架構的核心產品。ＩＸＰ１２００的內部結構如圖１所示，它內含１個主頻最高可達２３２ＭＨｚ的處理核心ＳｔｒｏｎｇＡＲＭ、６個ＲＩＳＣ結構的可編程微引擎（每個微引擎包含４個硬件線程）、６４位和最高１０４ＭＨｚ的ＩＸ Ｂｕｓ、３２位的ＳＲＡＭ接口單元（工作頻率為核心頻率的一半）、６４位的ＳＤＲＡＭ接口單元（工作頻率為核心頻率的一半）、３２位和最高６６ＭＨｚ的ＰＣＩ總線接口單元等。ＩＸＰ１２００通過ＦＢＩ接口單元和ＩＸ Ｂｕｓ相連接。另外還有一套集成開發(fā)環(huán)境，可用于對微引擎進行應用開發(fā)，它支持匯編和Ｃ編程語言。
（１）ＳｔｒｏｎｇＡＲＭ Ｃｏｒｅ
通過ＳｔｒｏｎｇＡＲＭ Ｃｏｒｅ可實現(xiàn)ＣＰＵ的主要功能，同時可啟動系統(tǒng)、管理和控制對網絡處理器的其它單元、處理微引擎無法處理的數(shù)據包和一些異常狀況。
（２）微引擎
微引擎是可編程的３２－ｂｉｔ ＲＩＳＣ處理器，它的指令集是專門針對網絡和通信應用而設計的。通過對各個線程進行編程，可單獨執(zhí)行數(shù)據包的轉發(fā)和處理，而無需ＳｔｒｏｎｇＡＲＭ Ｃｏｒｅ干預，因而可減輕ＳｔｒｏｎｇＡＲＭ Ｃｏｒｅ的負擔，特別適合高速數(shù)據的處理和轉發(fā)。
（３）ＳＤＲＡＭ單元
ＳＤＲＡＭ單元可提供ＩＸＰ１２００與ＳＤＲＡＭ的接口，最大可支持２５６Ｍ字節(jié)的ＳＤＲＡＭ。雖然ＳＤＲＡＭ的訪問速度較慢，但存儲空間大，因而可用來存儲大容量的數(shù)據結構（如數(shù)據包和路由表等），并可在系統(tǒng)運行時存儲操作系統(tǒng)的代碼。
（４）ＳＲＡＭ單元
ＳＲＡＭ單元可為三種類型設備提供通用總線接口。這些設備包括最大可達８Ｍ字節(jié)的ＳＳＲＡＭ、復位后ＳｔｒｏｎｇＡＲＭ Ｃｏｒｅ執(zhí)行代碼所在的ＦＬＡＳＨ或Ｅ-ＰＲＯＭ等、ＢＯＯＴＲＯＭ設備和其它慢速端口設備（如ＣＡＭ）、加密設備和ＭＡＣ或ＰＨＹ設備的控制狀態(tài)接口。ＳＲＡＭ訪問速度較快，但存儲空間小，主要用來存儲查找表和緩存描述符等需要快速訪問的數(shù)據結構。
（５）ＰＣＩ單元
ＰＣＩ單元用于提供與ＰＣＩ設備相連的接口，可用于下載操作系統(tǒng)和配置程序。
（６）ＦＢＩ單元
圖１中的哈希單元、ＩＸ總線接口和Ｓｃｒａｃｈｐａｄ內存統(tǒng)稱為ＦＢＩ單元。ＩＸＰ１２００通過ＦＢＩ單元和ＩＸ Ｂｕｓ相連，來實現(xiàn)外設與ＩＸＰ１２００之間數(shù)據包的收發(fā)，以便使微引擎可以訪問這些數(shù)據包，并利用線程對其進行轉發(fā)。實際上，ＳｔｒｏｎｇＡＲＭ Ｃｏｒｅ也可以訪問這些數(shù)據包，并對其進行異常處理或上層協(xié)議處理。
２ 以太網上聯(lián)卡的設計方案
以太網上聯(lián)卡的基本功能是實現(xiàn)ＡＴＭ信元和以太網幀之間的轉發(fā)，即從ＬＶＤＳ接口收到來自核心卡的ＡＴＭ信元流后，根據封裝協(xié)議（如ＲＦＣ１４８３橋接協(xié)議）轉換成以太網幀，然后建立相應的ＭＡＣ地址與ＡＴＭ ＰＶＣ的對應關系，并通過以太網上聯(lián)口送往ＩＰ網絡；也可以從以太網上聯(lián)口接收來自ＩＰ網絡的以太網幀，然后根據建立的ＭＡＣ地址與ＡＴＭ ＰＶＣ的對應關系，將其轉換成ＡＴＭ信元流，再通過ＬＶＤＳ接口送往核心卡。
在上聯(lián)卡中，ＡＴＭ信元和以太網幀之間的轉發(fā)是由網絡處理器中的微引擎完成的。要使以太網上聯(lián)卡不成為網絡的瓶頸，微引擎必須能以線速來處理數(shù)據包（以太網幀或ＡＴＭ信元），即在下一個數(shù)據包到來以前，完成對當前數(shù)據包的處理。因此，每個數(shù)據包的最大允許處理時間應小于數(shù)據包之間的間隔時間。
在進行設計時，應根據以太網上聯(lián)卡具體功能的實現(xiàn)，并結合網絡處理器ＩＸＰ１２００所擁有的硬件資源來進行合理的分配使用。這樣可以最大限度地發(fā)揮系統(tǒng)性能，本設計中，以太網上聯(lián)卡需要實現(xiàn)以太網接收處理、ＣＲＣ計算產生、ＡＴＭ發(fā)送處理、ＡＴＭ接收處理、ＣＲＣ校驗、以太網發(fā)送等六個主要任務，而由于ＩＸＰ１２００剛好擁有六個微引擎，因此，
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