在線纜moden中實現線速處理

2019-11-03 10:05:39

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供稿：網友

　　為了滿足寬帶線纜業務的廣泛的市場需求，主要的線纜系統公司和多重系統運營商（MSO）正聯合起來應對特定的市場挑戰。過去，一個關鍵的問題是制定一個標準的方案，以便于通過線纜產品實現高速的數據業務。標準的技術規范鼓勵很多廠商開發標準的用戶產品和數據轉發器產品，并且，大批量生產帶來的規模效益也會自然而然地促使MSO和用戶數量的增加。標準的用戶產品還使線纜調制解調器（Cable modem,CM）的消費者零售模型與傳統的撥號類似。為了做到這一點，線纜產業制定了自己的技術規范稱為線纜業務中的數據接口規范（DOCSIS）。一個研究和開發線纜業務的群體CableLabs管理這一標準，以保證供應商之間以及設備類型之間的互操作性。

　　在過去的兩年里，美國及世界其他地區的許多MSO開始提供基于 DOCSIS的高速數據業務。這些業務的開展是以 DOCSIS規范的1.0版本和各個生產商提供的第一代系統平臺為基礎的。到2000年底，僅在美國，就有超過三百萬個家庭積極采用了高速數據業務，今后幾年，這個數字還會成倍增加。美國和加拿大的很多MSO正在提供寬帶的線纜modom業務，這些運營商包括AT&T、Time Warner、Media One、Cox、Rogers、等。

　　通過推行相應的規范和技術，通過市場運作，這些第一代的解決方案帶來了巨大的產業效益。然而，隨著住家應用功能和用途的繼續增加，隨著消費者在生活習慣上對入戶高速接入的依賴性增強，用戶對高可靠性業務和更高性能的需求將會持續增加。MSO越來越多地要求包括新一代線纜modom終端系統（CMTS）在內的高可靠性、高實用性基礎設施。

　　隨著產業的成熟， “提供范圍更廣的業務種類，滿足正在出現的市場份額的需求，”這種要求正在增加。結果， DOCSIS 的一個新版本應運而生，它提供了不同種類的業務，并增加了ip電話等新的應用。這個新版本就是 DOCSIS 1.1，它定義了一個服務質量（QoS）指標的最小集合和一組先進的QoS指標，這個最小的QoS指標集是所有合乎規范的CMTS 產品都必須滿足的，而先進的QoS指標則建議CMTS產品滿足，不做強制要求。大多數計算機網絡產品（交換機和路由器）都已經在它們的功能集合中增加了一些QoS的成分。盡管不同的標準委員會還正在從眾多的QoS建議中決定哪些將正式應用于Internet。現在， QoS指標已經在提供線纜數據業務的數據轉發設備中得到執行。隨之而來的業務性能改進在線纜業務量的增加方面將尤為明顯。向Internet的轉變是非常重要的，因為它改變現有的Internet路由模型，使之從對所有的用戶都“盡最大努力”地提供服務，向對不同的數據包和業務流區別對待轉變。現在，對不同的數據包和業務流區別對待模型已經能夠實現了。

　　當QoS控制能夠以普遍的、端到端的形式在Internet上實現時，就有根據相應的性能保證提供有區別的服務可能的。高優先級的數據包將通過低延遲和低抖動的路由傳送，低優先級的數據包則有可能經歷較多的延遲和抖動。在線纜數據轉發器處理和Internet傳輸過程中，不同應用功能對吞吐量的要求將決定它們各自相應的業務流的優先級。甚至，在程序執行過程中，高級的應用程序動態地改變相應應用程序業務流的優先級也是可能的。

　　因為所有的數據包不以相同的優先級等級處理，以請求的（或者交付的）業務水平為基礎對不同類別的數據包實行不同的收費價格是可行的。將來的Internet用戶有可能對不同類別的業務支付不同標準的費用，并且，還可能是以應用單位（如每分鐘、每個數據包或者每個字節）為基礎來支付的。因為采用了不同的收費價格，用戶和服務供應商之間的服務水平協議（SLA）將詳細說明已有的各個優先級水平、相應的費用以及相關的性能保證。服務提供和收費模型方面的這些變化，代表著為MSO提供接入的供應商的收入的實質性增長潛力。

　　QoS和線纜 modom終端系統（CMTS）

　　在線纜網絡結構中， MSO處于最佳位置，對優先級業務起著看門人的作用。它們介入每一個用戶的服務水平的約定，對自己的用戶插入Internet的所有數據包都能夠恰當地標記優先級指標。事實上，一個MSO的設備是最先受到信任的設備（它不為用戶所有），用戶的數據包必須通過它才能找到進入Internet的路徑。MSO對消費者的數據包負責，并且，能夠提供不同水平的用戶業務，并對用戶收費。在數據轉發器的CMTS允許的情況下， MSO 還將能夠對用戶業務水平的進行動態升級。為了在新的模型中成功運作， MSO 按照時間、數據包或者數據量，按照線纜modom或者其之后的計算機設備，逐個對各種業務水平的應用進行詳盡地計數。產生QoS控制能力的主要源泉將由MSO的CMTS包含的功能特點來提供，CMTS 位于數據轉發器車間，在那里，CMTS 提供線纜設備和Internet的基本連接。

　　線速處理，確保性能

　　通常，一個功能強大，且具備QoS控制功能的 CMTS將提供數據包分類、優先級標注、業務流監督、連接控制、流量控制、擁塞控制、精細排隊、時序安排和逐個業務流成型等功能。為了完成上述功能，且不對CMTS吞吐量的QoS控制功能產生負面影響，硬件輔助的QoS處理（線速處理）通常是必須的。具備線速處理的CMTS 將能夠完成所有的QoS控制功能以及與轉發、計數和測量相關的全部功能，這些功能要求在最短的數據包到達間隔期望值內完成。不采用線速處理，這些功能占用的時間將超過兩個連續的數據包的達到時間間隔。因此， CMTS 必須在完成對第一個數據包的處理的同時，對第二個數據包進行排隊。一旦超時，排隊深度就會增加，受業務影響的數據包丟失就會產生，而用戶則會將其理解為服務水平較低、吞吐量較小、帶寬較窄或者應答較慢。結果，用戶對業務性能理解的降低將導致用戶對服務質量的不滿。

　　MSO可能會偏愛能夠通過線速處理提供QoS控制功能的 CMTS 產品。今天，針對Internet中如此高的數據速率，只有為數不多的幾種實用的方法實現線路處理，其中之一是設計高速定制的ASIC，以實現滿足特定的QoS的處理速度。這種方法成本高，且在標準不斷變化的情況下無法修改。在CMTS中實現線速處理的另一個方法是使用類似汽車裝配生產線的技術對處理功能實行流水作業——流水線的每一級僅僅完成整個任務的一個子集，各個子任務級聯起來，新的任務（數據包）就可以以非常高的速度進入流水線。

　　流水線方法既可以由軟件實現，也可由硬件實現，還可由兩者組合實現。采用高速處理器時，流水線可以用軟件實現，這樣做的好處是開發時間相對較短，開發工具豐富，且開發環境已為人們所廣泛理解。然而，不幸的是，大多數通用處理器在任務劃分和總線靈活性方面受到限制。新一代的網絡處理器正試圖通過并行處理來執行網絡任務，從而克服上述缺點。一方面，它們處理類似語音流和視頻流這樣的實時數據的能力還有待于進一步驗證，另一方面，用于網絡處理器的軟件編譯器能否有效地處理數據依賴性以及時序安排和管理等任務還需要進一步觀察。在硬件方案中，流水線算法可以利用可編程邏輯器件（PLD）實現，這樣做既可以避免ASIC非常長的開發時間，又可以達到比純軟件方法快得多的速度。硬件層次的性能尤其重要，因為象DOCSIS這樣的標準很可能提高對數據包傳輸的時延要求。另外，很多現代的PLD包含了有利于CMTS設計的結構特點。這些結構特點包括高速I/O緩沖器、鎖相環（PLL）和靈活的嵌入式存儲器結構。組合可編程邏輯和高速處理器構成的平衡的設計方案，可以兼有上述兩種實現方法優點——既包括硬件加速的性能，又具備軟件開發環境的熟悉，還包含了可重復編程平臺的靈活性。

　　I/O功能和鎖相環

　　最新的可PLD支持多種I/O標準和多種邏輯電平。通過兼容多種 I/O電平標準，這些PLD可以在電路板上用作不同器件之間的接口，其邏輯電平可以是3.3V 或者在1.8V~2.5V之間任選。更重要的是，象LVDS低電平差分信號這樣的高速I/O 選項使得PLD能夠達到更高的性能水平――每個通道高達840 Mbps 。由于片內鎖相環的參與，這樣的速度是可以達到的。

　　利用鎖相環（ PLL）和LVDS，設計者可以增加系統帶寬。例如，在一個有8個客戶的光交換單元里，每個客戶有兩組總線，每組總線有 8個I/O，但沒有LVDS－PLL 組合，總的I/O引腳數量為：

　　8客戶 × 2 總線/客戶 ×8 I/O引腳/總線 =128 I/O引腳。

　　如果給定時鐘速度為50MHz，則總的吞吐量為：

　　128 × 50MHz = 6.4 Gbps。

　　接下來，考慮一個具有相同的系統時鐘和客戶數量但具備LVDS－PLL組合的系統。總的I/O引腳數量是：

　　8 客戶 × 4總線/客戶 × 2 I/O引腳/總線 = 64 I/O引腳。

　　64 I/O引腳等價于32 對LVDS（可以通過PLL用8倍于系統時鐘的速度來同步），從而，總的吞吐量為：

　　32 對LVDS×400 MHz = 25.6 Gbps。

　　上述結果表明，與沒有LVDS－PLL 組合的光交換機相比， LVDS-PLL 組合使吞吐量增加了3倍。

　　嵌入式存儲器的應用

　　許多現代PLD具備的片內存儲器可以用來實現多種與CMTS有關的功能。在最先進的PLD中，片內的嵌入式存儲器模塊可以配置為多種存儲器功能，這包括FIFO、RAM、ROM和內容可定位存儲器（ CAM）。在符號壓縮和高速緩存標記中CAM非常有用，并且還可用在信息凈荷頭部抑制（PHS）中，實現查尋受抑制報頭圖案的樹形搜索算法。當片內CAM不足時， PLD的供應商提供參考設計，幫助用戶實現PLD與更大的外部CAM的接口。

　　通過綜合PLD的片內存儲器模塊和PLL的時鐘倍頻功能，可以實現多種與DOCSIS相關的功能。例如，雙時鐘FIFO可以用來存儲輸入的以太網幀，并根據需要將其轉化為8比特寬度或者 4比特寬度的格式。這時，一個輸入時鐘將16比特的幀寫入FIFO，以輸入時鐘的 2倍或者4倍頻率的時鐘讀出數據，并寫入一個二入一出或者四入一出的復用器（MUX）（同樣由倍頻后的時鐘控制），這個復用器輸出8比特或者4比特的值。一個雙端口RAM和一個PLL組合在一起可以實現時鐘域的變換，在這里，數據用一個時鐘寫入RAM，而用輸入時鐘的倍頻讀出。最后，一個PLL和一個雙端口RAM 還可以實現類似單周期讀－修改寫這樣的數據處理，這時， FIFO以兩倍于讀出速度的時鐘寫入，每隔一個寫時鐘周期，未經修改的數據寫入FIFO，在另外的寫時鐘周期，數據被讀出，用一個掩碼修改，然后，再寫回到FIFO。在一個服從DOCSIS的CMTS中，這一功能可以用來在一個周期之內完成數據包的計數，其存儲器的利用率是非常高的。

　　結論

　　在系統改進和用戶要求變化等條件下，DOCSIS標準將繼續發展。這種發展提示，服從DOCSIS標準的設備的理想實現方式應該是靈活的，即使它能夠應付很高的性能要求，也必須這樣。因為，隨著時間的推移，這些要求只會變得越來越迫切。PLD和高性能處理器的組合滿足這些要求，為線纜modom的生產商提供了在必要時很容易地修改它們的產品的設計和產品本身，從而適應不斷變化的條件的余地。包括更高的性能、更多更快的I/O引腳、更大的存儲器以及不言而喻的更高密度在內的PLD可以預期這將使PLD非常適合完成線纜modom的網絡處理任務。另外，具有軟核或者硬核嵌入式處理器的PLD的出現將進一步鞏固可編程邏輯對這些任務的適用性，并在不久的將來提供更大的集成度和更高的性能。

摘自《電子產品世界》

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