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基于QDR-IV SRAM实现高性能网络系统设计解析
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2017-12-06
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在过去40年里，随着制造工艺的进步，各种专用存储设备不断推向市场，满足着不同系统的存储需求。众多的选择，意味着系统架构师和设计者可以同时考虑多种方案，根据应用选择合适的存储子系统。尤其是在网络应用方面，架构师面临着不断增加的网络流量所带来的挑战。
据估计，2015年到2020年期间，网络流量的年均复合增长率（CAGR）将达到22%，这一增长主要来自于无线设备的爆炸式增长以及不断增加的视频用量。由于数据包处理的随机性，网络传输的关键—路由器和交换机的性能将和所使用的存储子系统的随机存取性能（以随机存取速率（RTR）衡量）直接相关。本文将会介绍四倍数据传输率（QDR—IV）静态随机存储器如何用于解决网络设计中的性能瓶颈，还介绍了在使用200~400Gbps速率下以太网线卡的统计计数器和转发表进行查找时，如何充分发挥QDR-IV SRAM的性能优势来优化设计。
交换机线卡中的存储子系统
图1为一个典型400Gbps数据层线卡的功能模块、芯片组和存储子系统。
图1：交换机/路由器的数据层线卡
媒介接入控制器（MAC）：在共享媒介网络（如以太网）中，媒介接入控制器具有提供寻址和控制信道访问的作用，从而可以使网络节点之间进行联系。MAC连接着 过载缓冲器（OS buffer），使系统设计者能超载与线卡带宽有关的前端（如：100G线卡上的120G前端）。过载缓冲可在一段特定的时间内储存“超额”的数据。该缓冲器需要有在几毫秒时间内转存几个G数据的能力，因此，单位比特成本是最主要的决定标准，也是SDRAM（同步动态随机存储器）最为适合的原因。
网络处理器（NPU）具有多种功能，包括解析数据以确认协议、验证数据包的完整性、基于目标地址查找下一跳地址等。此外，网络处理器收集数据流中数据包的统计信息，用于计费和网络管理等。以下是连接到NPU的存储子系统：
l分类查找——检查传入包的特点，确定是否接收该传入数据包。此查找功能用于源端口、目标端口、源地址、目标地址和所用的协议。对每个数据包均进行查找（基于一个长字符串）。此查找功能的首选存储器是TCAM（三态内容寻址存储器）。通过TCAM可使用二进位和“无关”状态进行搜索，这使得它能基于模式匹配来进行更广泛的搜索。
l转发查找——FIB（转发信息库）表保存了路由中下一跳可能的目标地址。此查找是一个迭代过程，因此会对存储器进行多次访问。每个数据包需要2~8次随机存储器访问，转换为高随机存取速率。QDR-IV SRAM是高随机存取速率的理想选择。
统计&流量状态——路由器对每个数据包和数据流（相关数据包组成的流）进行统计。此统计通过计数器的形式实现。每个应用会有很多这类计数器。计数器用来保存前缀、流和数据包分类。因此，刷新计数器需要高性能的存储器才能满足多重的读—修改—写操作。线卡中的统计和流量状态可共用一个存储器。考虑到对高随机存取速率的需要，QDR-IV SRAM在这方面也是最佳选择。
据估计，2015年到2020年期间，网络流量的年均复合增长率（CAGR）将达到22%，这一增长主要来自于无线设备的爆炸式增长以及不断增加的视频用量。由于数据包处理的随机性，网络传输的关键—路由器和交换机的性能将和所使用的存储子系统的随机存取性能（以随机存取速率（RTR）衡量）直接相关。本文将会介绍四倍数据传输率（QDR—IV）静态随机存储器如何用于解决网络设计中的性能瓶颈，还介绍了在使用200~400Gbps速率下以太网线卡的统计计数器和转发表进行查找时，如何充分发挥QDR-IV SRAM的性能优势来优化设计。
交换机线卡中的存储子系统
图1为一个典型400Gbps数据层线卡的功能模块、芯片组和存储子系统。
图1：交换机/路由器的数据层线卡
媒介接入控制器（MAC）：在共享媒介网络（如以太网）中，媒介接入控制器具有提供寻址和控制信道访问的作用，从而可以使网络节点之间进行联系。MAC连接着 过载缓冲器（OS buffer），使系统设计者能超载与线卡带宽有关的前端（如：100G线卡上的120G前端）。过载缓冲可在一段特定的时间内储存“超额”的数据。该缓冲器需要有在几毫秒时间内转存几个G数据的能力，因此，单位比特成本是最主要的决定标准，也是SDRAM（同步动态随机存储器）最为适合的原因。
网络处理器（NPU）具有多种功能，包括解析数据以确认协议、验证数据包的完整性、基于目标地址查找下一跳地址等。此外，网络处理器收集数据流中数据包的统计信息，用于计费和网络管理等。以下是连接到NPU的存储子系统：
l分类查找——检查传入包的特点，确定是否接收该传入数据包。此查找功能用于源端口、目标端口、源地址、目标地址和所用的协议。对每个数据包均进行查找（基于一个长字符串）。此查找功能的首选存储器是TCAM（三态内容寻址存储器）。通过TCAM可使用二进位和“无关”状态进行搜索，这使得它能基于模式匹配来进行更广泛的搜索。
l转发查找——FIB（转发信息库）表保存了路由中下一跳可能的目标地址。此查找是一个迭代过程，因此会对存储器进行多次访问。每个数据包需要2~8次随机存储器访问，转换为高随机存取速率。QDR-IV SRAM是高随机存取速率的理想选择。
统计&流量状态——路由器对每个数据包和数据流（相关数据包组成的流）进行统计。此统计通过计数器的形式实现。每个应用会有很多这类计数器。计数器用来保存前缀、流和数据包分类。因此，刷新计数器需要高性能的存储器才能满足多重的读—修改—写操作。线卡中的统计和流量状态可共用一个存储器。考虑到对高随机存取速率的需要，QDR-IV SRAM在这方面也是最佳选择。
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