《電子技術(shù)應(yīng)用》
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網(wǎng)絡(luò)中的SRAM應(yīng)用
摘要: 新型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用為QDR和DDR SRAM贏得設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)敞開了多扇大門,。由于目前這一代具有300MHz(DDR)速度和72Mb數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的QDRII/DDRII SRAM能夠滿足下一代40Gbps"56Gbps路由器/交換機(jī)的全部要求,,因此,大部分網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用都在緩慢地向采用QDR/DDR SRAM過渡,。此外,由于這些路由器/交換機(jī)達(dá)到了下一個(gè)節(jié)點(diǎn)(80Gbps線路速率)水平,,所以,QDRII+/DDRII+和 QDRIII/DDRIII SRAM可實(shí)現(xiàn)更高的速度和存儲(chǔ)密度。除了速度和存儲(chǔ)密度之外,,QDRII+/DDRII+還具有諸多旨在實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易型PCB和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。
Abstract:
Key words :

  同步SRAM的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域是搜索引擎,,用于實(shí)現(xiàn)算法,。在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間里,這都是SRAM在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮的主要作用,。然而,,隨著新存儲(chǔ)技術(shù)的出現(xiàn),系統(tǒng)設(shè)計(jì)師為SRAM找到了新的用武之地,,如:NetFlow(網(wǎng)流),、計(jì)數(shù)器、統(tǒng)計(jì),、包緩沖,、隊(duì)列管理和存儲(chǔ)分配器。

  如今,,人們對(duì)所有路由器和交換機(jī)的要求都不僅限于FIB(轉(zhuǎn)發(fā)信息庫)搜索,。計(jì)數(shù)器需要跟蹤接受服務(wù)的信息包數(shù)量,并獲取統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來解決帳單編制問題,。通過統(tǒng)計(jì)來連續(xù)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)(被稱為NetFlow),,從而完成問題檢測(cè)和判定。隨著每個(gè)信息包處理量的增加,,需要采用包緩沖器來提升處理能力,。除了以上提到的之外,由于系統(tǒng)中存儲(chǔ)器資源增多,,因而動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)分配也是必需的,。路由器或交換機(jī)的所有這些附加功能正在重新定義網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)(見圖1)。

  


 

  圖1 具有多種新功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

  此外,,隨著IPv6和VRF(虛擬路由器轉(zhuǎn)發(fā))的迅速普及,,對(duì)更寬、更深,、更快和更高效系統(tǒng)的需求愈加迫切,。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必須能夠以最低的成本來滿足網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的所有度量標(biāo)準(zhǔn)。此時(shí),,簡(jiǎn)單的同步SRAM就難以滿足要求了,。所有這些功能均可借助DDR(雙倍數(shù)據(jù)速率)或QDR(4倍數(shù)據(jù)速率)SRAM等速度更快、帶寬更高的SRAM來實(shí)現(xiàn)。本文將分析上述的每一種應(yīng)用及其目前和未來的要求,,還將提出旨在滿足這些要求的解決方案和建議,。

  QDR 與 DDR SRAM

  由賽普拉斯、瑞薩,、IDT,、NEC和三星公司組成的QDR協(xié)會(huì)開發(fā)出了QDR SRAM,旨在通過把性能提升為原先的4倍來滿足那些不僅需要標(biāo)準(zhǔn)ZBT(零總線轉(zhuǎn)向時(shí)間)或NoBL(無總線延遲)SRAM的低延遲和滿周期利用率,,而且還需要大幅度提高工作頻率的系統(tǒng)對(duì)帶寬的要求,。QDR SRAM具有單獨(dú)的讀和寫端口,它們?cè)诿總€(gè)數(shù)據(jù)引腳上以雙倍數(shù)據(jù)速率彼此獨(dú)立地工作,,從而在一個(gè)時(shí)鐘周期中傳輸4個(gè)數(shù)據(jù)字,,4倍數(shù)據(jù)速率因此而得名。采用分離的讀/寫端口完全消除了SRAM與存儲(chǔ)控制器之間發(fā)生總線爭(zhēng)用的可能性,,而這卻是傳統(tǒng)的公用I/O器件需要解決的問題,。QDRII SRAM具有被稱為回波時(shí)鐘的源同步時(shí)鐘,它們與數(shù)據(jù)輸出一道生成,。QDR SRAM采用了HSTL(高速收發(fā)器邏輯)I/O標(biāo)準(zhǔn),,以便實(shí)現(xiàn)高速操作。

  QDR SRAM面向那些需要在讀和寫操作之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的應(yīng)用,,而DDR SRAM則主要面向需要進(jìn)行數(shù)據(jù)流式處理(例如,,先進(jìn)行16項(xiàng)讀操作,然后再執(zhí)行16項(xiàng)寫操作)的應(yīng)用,,此時(shí),,讀和寫操作之間的近期平衡為100%的讀操作或100%的寫操作。在這種情況下,,有一根QDR SRAM總線在50%的時(shí)間里未被使用,。其它的總線可能具有不平衡的近期讀/寫比例。后面這兩種情況是促使人們進(jìn)行DDR公用I/O SRAM開發(fā)的主要原因,,在這種器件中,輸入和輸出數(shù)據(jù)共用同一根總線,。在從讀操作向?qū)懖僮鬓D(zhuǎn)換的過程中,,需要總線轉(zhuǎn)向周期,并減小了可用帶寬,。然而,,對(duì)某些系統(tǒng)而言,這將產(chǎn)生優(yōu)于QDR架構(gòu)的平均總線利用率,??刂菩盘?hào)極少,而且與QDR器件控制信號(hào)稍有不同。

  網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

  如引言部分所述,,網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)涉及諸多方面,。即將采用網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)的各類應(yīng)用的數(shù)量日趨龐大。這里討論的是部分最常見的應(yīng)用,。

  轉(zhuǎn)發(fā)/路由選擇

  轉(zhuǎn)發(fā)信息庫(FIB)負(fù)責(zé)保存用于決定輸入信息包的路由選擇特性的路由選擇信息,。代表路由的前綴可被存儲(chǔ)于三進(jìn)制內(nèi)容可尋址存儲(chǔ)器(TCAM)中并進(jìn)行即時(shí)搜索,或存儲(chǔ)于SRAM中并利用某種算法對(duì)地址的若干位進(jìn)行增量搜索,。不管在哪種應(yīng)用中,,結(jié)果索引都具有一些用于指示所采取的措施的關(guān)聯(lián)信息 —— 下一個(gè)跳地址、更新統(tǒng)計(jì)和另一個(gè)端口上的復(fù)制等,。傳統(tǒng)的做法是把該信息存儲(chǔ)于SRAM中,。

  與展開式可擴(kuò)縮包分類解決方案(在該解決方案中,TCAM正逐漸成為事實(shí)標(biāo)準(zhǔn))相比,,人們?cè)贔IB算法方面進(jìn)行了大量的研究工作,。但是,有兩個(gè)發(fā)展趨勢(shì)對(duì)面向FIB解決方案的SRAM型算法提出了重大挑戰(zhàn):(1)隨著IPv6支持能力的提高,,入口的寬度也在增加;(2)由于VRF表和虛擬專用LAN業(yè)務(wù)(VPLS) 采用率的提高,,路由選擇表的規(guī)模日益龐大起來。就VRF表而言,,每個(gè)VLAN都存儲(chǔ)了相似的路由選擇表,,而這會(huì)增加入口的數(shù)量。VPLS是一種新的范例,,借助它可實(shí)現(xiàn)多層次網(wǎng)絡(luò)的扁平化,,從而獲得更多的入口。隨著入口寬度的增加,,基于SRAM的算法需要構(gòu)建更深且更寬的多分支樹/trie樹,,使得完成一項(xiàng)搜索所需進(jìn)行的SRAM存取數(shù)量有所增加。于是,,越來越多的系統(tǒng)設(shè)計(jì)師開始采用QDR SRAM來取代傳統(tǒng)的SRAM,,因?yàn)榍罢咛峁┝烁叩膸挘軌驅(qū)崿F(xiàn)更寬的樹形結(jié)構(gòu),,原因是可在指定的時(shí)間期限內(nèi)完成更多的存取,。

  NetFlow

  Cisco systems公司的NetFlow技術(shù)是Cisco IOS軟件的主要組成部分,用于在數(shù)據(jù)進(jìn)入特定的路由器或交換機(jī)接口時(shí)對(duì)其進(jìn)行收集和測(cè)量,。通過分析NetFlow數(shù)據(jù),,網(wǎng)絡(luò)工程師能夠發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致?lián)砣脑?確定每個(gè)用戶和應(yīng)用的服務(wù)類型(CoS),并確認(rèn)通信量的源網(wǎng)絡(luò)和目標(biāo)網(wǎng)絡(luò),。NetFlow實(shí)現(xiàn)了極為細(xì)致和準(zhǔn)確的通信量測(cè)量和高級(jí)聚合式通信量收集功能,。

  目前,IETF(因特網(wǎng)工程特別工作組)正在對(duì)NetFlow的現(xiàn)有版本(ver9)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,并將其命名為IPFIX,。除了Cisco之外,,Enterasys和Juniper等網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商都在該標(biāo)準(zhǔn)的制訂過程中發(fā)揮著作用,并且已經(jīng)表示出采納IPFIX的興趣,。當(dāng)然,,在多機(jī)種網(wǎng)絡(luò)中,作為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用流相關(guān)信息的一致性來源,,使得NetFlow/IPFIX的吸引力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其它方案,。

  概括起來,NetFlow提供了以下信息:

  *信源 IP地址

  *目的IP地址

  * 源端口

  * 目的端口

  *第三層協(xié)議類型

  *服務(wù)類型

  NetFlow僅負(fù)責(zé)捕獲入站通信量,,因此,,通常需要在鏈路的兩端均安放儀表。目前,,NetFlow是以采用特殊算法的軟件來實(shí)現(xiàn)的,,并把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于QDR SRAM之中。由于NetFlow是一種需要滿足一定線路速率的新技術(shù),,因此它是采用QDR來實(shí)現(xiàn)的,。如今,可實(shí)現(xiàn)40Gbps"56Gbps數(shù)據(jù)速率的下一代路由器/交換機(jī)的大多數(shù)供應(yīng)商都把目光集中在了具有250MHz"300MHz操作速度的QDR SRAM上,。隨著數(shù)據(jù)速率的增加,,SRAM的速度指標(biāo)變得愈發(fā)重要。

  計(jì)數(shù)器

  在每一種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中,,始終需要保持量度(metrics),。計(jì)數(shù)器是跟蹤網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)所必需的。對(duì)于每種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議而言,,都需要跟蹤一種特定的量度,。例如:在IP層(第三層),通常設(shè)置了用于顯示以數(shù)據(jù)報(bào)形式發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)通信量的數(shù)據(jù)報(bào)/秒計(jì)數(shù)器,。這些數(shù)據(jù)報(bào)一般都是廣播信息包,,因此,為了減少廣播通信量,,了解哪些服務(wù)和處理采用了數(shù)據(jù)報(bào)是很有必要的,。該信息可通過數(shù)據(jù)報(bào)計(jì)數(shù)器獲得。在TCP(即第4層)中,,一個(gè)相似的計(jì)數(shù)器是TCP段/秒計(jì)數(shù)器,它能夠提供網(wǎng)絡(luò)接收和發(fā)送的TCP段的總數(shù),。此外,,每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都保留了誤差計(jì)數(shù)器,用于跟蹤檢測(cè)到的傳輸誤差和沖突的數(shù)量。大體而言,,每個(gè)網(wǎng)絡(luò)所需的計(jì)數(shù)器數(shù)量的增加將被視作網(wǎng)絡(luò)緩沖空間不足的表現(xiàn),。

  統(tǒng)計(jì)

  除了NetFlow之外,有些供應(yīng)商還把帳單編制和診斷作為統(tǒng)計(jì)以單獨(dú)的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn),。例如,,在服務(wù)提供商的網(wǎng)絡(luò)中,帳單編制形成了一個(gè)非常重要的量度,。每一個(gè)客戶的網(wǎng)絡(luò)使用記錄都應(yīng)加以保存,,以獲得該客戶的記帳信息。統(tǒng)計(jì)信息可以按照每個(gè)數(shù)據(jù)流或每個(gè)聚合組來存儲(chǔ),。在統(tǒng)計(jì)緩沖器中,,對(duì)于存儲(chǔ)器的選擇來說,延遲和突發(fā)操作是重要的決定因素,。在包處理過程中,,需要對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速存取,因此,,低延遲是至關(guān)重要的,。而且,由于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的位數(shù)往往不是很大,,應(yīng)優(yōu)先選擇采用短突發(fā)操作或無突發(fā)操作的SRAM,。

  與計(jì)數(shù)器相似,在大多數(shù)客戶系統(tǒng)中,,統(tǒng)計(jì)都是借助類似的數(shù)學(xué)算法和存儲(chǔ)于DDR SRAM中的數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)的,。對(duì)計(jì)數(shù)器用SRAM的所有速度和存儲(chǔ)密度規(guī)格的要求也適用于統(tǒng)計(jì)SRAM。

  包緩沖器

  包緩沖存儲(chǔ)器通常被用于在包處理過程中對(duì)輸出端口和交換機(jī)結(jié)構(gòu)中的信息包進(jìn)行緩沖,。在標(biāo)準(zhǔn)線卡中,,包處理器具有一個(gè)包緩沖器,在該緩沖器中,,信息包的內(nèi)容將在執(zhí)行包信頭處理的同時(shí)被存儲(chǔ),。包緩沖存儲(chǔ)器中的決定因素是ASIC/NPU的速度以及線路速率。運(yùn)行速度較慢的ASIC需要存儲(chǔ)密度較大的緩沖存儲(chǔ)器,。緩沖存儲(chǔ)器還取決于線卡所提供的服務(wù)類型,。如果執(zhí)行的是較為復(fù)雜的服務(wù),則ASIC通常需要更多的時(shí)間來處理信息包,,因而必須進(jìn)行更多的緩沖處理,。ASIC設(shè)計(jì)或NPU的選擇還決定了包括突發(fā)操作和I/O寬度要求在內(nèi)的其它特性。對(duì)于其中的某些應(yīng)用而言,,延遲是至關(guān)重要的指標(biāo),。在這樣的場(chǎng)合中,,應(yīng)選擇具有較低延遲的包緩沖器。所以,,這樣的設(shè)計(jì)通常把QDR或DDR SRAM(而不是DRAM)用于包緩沖,。然而,有些應(yīng)用需要一個(gè)較深的包緩沖器,,ASIC需要執(zhí)行更多的操作,。此時(shí),最為經(jīng)濟(jì)的解決方案是采用DRAM來實(shí)現(xiàn)該功能,。因此,,在實(shí)現(xiàn)包緩沖器的過程中,始終需要進(jìn)行權(quán)衡,。目前,,線卡的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)更高的速度并處理更多的信息包。這意味著包緩沖處理器應(yīng)當(dāng)兼具深度和速度,。針對(duì)這種要求,,采用QDR SRAM來實(shí)現(xiàn)將是理想的解決方案。

  隊(duì)列管理/通信量規(guī)整

  隊(duì)列管理器負(fù)責(zé)確保接收到的信息包是否符合通信契約,。隊(duì)列管理器的工作內(nèi)容包括在與契約進(jìn)行比照之后對(duì)信息包進(jìn)行標(biāo)注,。每個(gè)線卡接口都擁有一個(gè)輸入隊(duì)列(輸入信息包將被置于該隊(duì)列之上,以等待路由選擇處理器的處理)和一個(gè)輸出隊(duì)列(路由選擇處理器把即將在接口上發(fā)送的待發(fā)信息包置于該隊(duì)列上),。在某些場(chǎng)合,,客戶可通過實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器來管理這些隊(duì)列(根據(jù)處理能力來管理輸入信息包的流動(dòng))。由于該應(yīng)用對(duì)速度的需求更甚于對(duì)密度的需求,,且讀/寫比例幾乎為1,,因此,QDR SRAM 將是其理想選擇,。

  動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器分配

  在線卡上,,通常存在幾組面向不同應(yīng)用的存儲(chǔ)器。這往往會(huì)增加電路板上的存儲(chǔ)芯片數(shù)量以及同一個(gè)設(shè)計(jì)中所使用的存儲(chǔ)器類型,。如今,,設(shè)計(jì)師在著手實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)分配器時(shí)采用的是SRAM,以管理可用的存儲(chǔ)器組,。該存儲(chǔ)分配器SRAM負(fù)責(zé)存儲(chǔ)所有存儲(chǔ)器組的地址規(guī)范,,并根據(jù)請(qǐng)求向提出請(qǐng)求的應(yīng)用提供對(duì)一組特定存儲(chǔ)器的存取。這使得設(shè)計(jì)師能夠在不同的應(yīng)用之間共用同一組存儲(chǔ)芯片,,而不會(huì)發(fā)生請(qǐng)求沖突,。該應(yīng)用要求對(duì)SRAM進(jìn)行快速存取,而且?guī)缀醵际亲x操作較多而寫操作較少,。因此,,對(duì)于該場(chǎng)合而言,,最合適的選擇是DDR SRAM,。

  結(jié)語

  新型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用為QDR和DDR SRAM贏得設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)敞開了多扇大門,。由于目前這一代具有300MHz(DDR)速度和72Mb數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的QDRII/DDRII SRAM能夠滿足下一代40Gbps"56Gbps路由器/交換機(jī)的全部要求,因此,,大部分網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用都在緩慢地向采用QDR/DDR SRAM過渡,。此外,由于這些路由器/交換機(jī)達(dá)到了下一個(gè)節(jié)點(diǎn)(80Gbps線路速率)水平,,所以,,QDRII+/DDRII+和 QDRIII/DDRIII SRAM可實(shí)現(xiàn)更高的速度和存儲(chǔ)密度。除了速度和存儲(chǔ)密度之外,,QDRII+/DDRII+還具有諸多旨在實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易型PCB和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn),。

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