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基于網絡處理器IXP1200的以太網上聯卡設計
摘要：以太網上聯卡是以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，因而很容易使上聯卡成為整個系統的瓶頸。文章提出了一種基于網絡處理器IXP1200的以太網上聯卡設計方案，該方案利用IXP1200網絡處理器強大的數據處理能力和高度的靈活性來實現對數據的線速處理，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據處理，因此容易產生系統瓶頸，而上聯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問題。本文提出了一種基于網絡處理器ＩＸＰ１２００的上聯卡設計方案，并對該方案的實現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據包而設計的。通過對硬件架構和指令集的優化，該網絡處理器不但可提供線速處理數據包的高質量硬件功能，同時還具備極大的系統靈活性。
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環境，可用于對微引擎進行應用開發，它支持匯編和Ｃ編程語言。
（１）ＳｔｒｏｎｇＡＲＭ Ｃｏｒｅ
通過ＳｔｒｏｎｇＡＲＭ Ｃｏｒｅ可實現ＣＰＵ的主要功能，同時可啟動系統、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，可單獨執行數據包的轉發和處理，而無需ＳｔｒｏｎｇＡＲＭ Ｃｏｒｅ干預，因而可減輕ＳｔｒｏｎｇＡＲＭ Ｃｏｒｅ的負擔，特別適合高速數據的處理和轉發。
（３）ＳＤＲＡＭ單元
ＳＤＲＡＭ單元可提供ＩＸＰ１２００與ＳＤＲＡＭ的接口，最大可支持２５６Ｍ字節的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據結構（如數據包和路由表等），并可在系統運行時存儲操作系統的代碼。
（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字節的ＳＳＲＡＭ、復位后ＳｔｒｏｎｇＡＲＭ Ｃｏｒｅ執行代碼所在的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內存統稱為ＦＢＩ單元。ＩＸＰ１２００通過ＦＢＩ單元和ＩＸ Ｂｕｓ相連，來實現外設與ＩＸＰ１２００之間數據包的收發，以便使微引擎可以訪問這些數據包，并利用線程對其進行轉發。實際上，ＳｔｒｏｎｇＡＲＭ Ｃｏｒｅ也可以訪問這些數據包，并對其進行異常處理或上層協議處理。
２ 以太網上聯卡的設計方案
以太網上聯卡的基本功能是實現ＡＴＭ信元和以太網幀之間的轉發，即從ＬＶＤＳ接口收到來自核心卡的ＡＴＭ信元流后，根據封裝協議（如ＲＦＣ１４８３橋接協議）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，并通過以太網上聯口送往ＩＰ網絡；也可以從以太網上聯口接收來自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。
在上聯卡中，ＡＴＭ信元和以太網幀之間的轉發是由網絡處理器中的微引擎完成的。要使以太網上聯卡不成為網絡的瓶頸，微引擎必須能以線速來處理數據包（以太網幀或ＡＴＭ信元），即在下一個數據包到來以前，完成對當前數據包的處理。因此，每個數據包的最大允許處理時間應小于數據包之間的間隔時間。
在進行設計時，應根據以太網上聯卡具體功能的實現，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揮系統性能，本設計中，以太網上聯卡需要實現以太網接收處理、ＣＲＣ計算產生、ＡＴＭ發送處理、ＡＴＭ接收處理、ＣＲＣ校驗、以太網發送等六個主要任務，而由于ＩＸＰ１２００剛好擁有六個微引擎，因此，
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