在线缆moden中实现线速处理

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为了满足宽带线缆业务的广泛的市场需求，主要的线缆系统公司和多重系统运营商（MSO）正联合起来应对特定的市场挑战。过去，一个关键的问题是制定一个标准的方案，以便于通过线缆产品实现高速的数据业务 。标准的技术规范鼓励很多厂商开发标准的用户产品和数据转发器产品，并且，大批量生产带来的规模效益也会自然而然地促使MSO和用户数量的增加。标准的用户产品还使线缆调制解调器（Cable modem,CM）的消费者零售模型与传统的拨号类似。为了做到这一点，线缆产业制定了自己的技术规范称为线缆业务中的数据接口规范（DOCSIS）。一个研究和开发线缆业务的群体CableLabs管理这一标准，以保证供应商之间以及设备类型之间的互操作性。

　　在过去的两年里，美国及世界其他地区的许多MSO开始提供基于 DOCSIS的高速数据业务。这些业务的开展是以 DOCSIS规范的1.0版本和各个生产商提供的第一代系统平台为基础的。到2000年底，仅在美国，就有超过三百万个家庭积极采用了高速数据业务，今后几年，这个数字还会成倍增加。美国和加拿大的很多MSO正在提供宽带的线缆modom业务，这些运营商包括AT&T、Time Warner、Media One、Cox、Rogers、等。

　　通过推行相应的规范和技术，通过市场运作，这些第一代的解决方案带来了巨大的产业效益。然而，随着住家应用功能和用途的继续增加，随着消费者在生活习惯上对入户高速接入的依赖性增强，用户对高可靠性业务和更高性能的需求将会持续增加。MSO越来越多地要求包括新一代线缆modom终端系统（CMTS）在内的高可靠性、高实用性基础设施。

　　随着产业的成熟， “提供范围更广的业务种类，满足正在出现的市场份额的需求，”这种要求正在增加。结果， DOCSIS 的一个新版本应运而生，它提供了不同种类的业务，并增加了IP电话等新的应用。这个新版本就是 DOCSIS 1.1，它定义了一个服务质量（QoS）指标的最小集合和一组先进的QoS指标，这个最小的QoS指标集是所有合乎规范的CMTS 产品都必须满足的，而先进的QoS指标则建议CMTS产品满足，不做强制要求 。 大多数计算机网络产品（交换机和路由器）都已经在它们的功能集合中增加了一些QoS的成分。尽管不同的标准委员会还正在从众多的QoS建议中决定哪些将正式应用于Internet。现在， QoS指标已经在提供线缆数据业务的数据转发设备中得到执行。随之而来的业务性能改进在线缆业务量的增加方面将尤为明显 。向Internet的转变是非常重要的，因为它改变现有的Internet路由模型，使之从对所有的用户都“尽最大努力”地提供服务，向对不同的数据包和业务流区别对待转变。现在，对不同的数据包和业务流区别对待模型已经能够实现了。

　　当QoS控制能够以普遍的、端到端的形式在Internet上实现时，就有根据相应的性能保证提供有区别的服务可能的。高优先级的数据包将通过低延迟和低抖动的路由传送，低优先级的数据包则有可能经历较多的延迟和抖动。在线缆数据转发器处理和Internet传输过程中，不同应用功能对吞吐量的要求将决定它们各自相应的业务流的优先级。甚至，在程序执行过程中，高级的应用程序动态地改变相应应用程序业务流的优先级也是可能的。

　　因为所有的数据包不以相同的优先级等级处理 ，以请求的（或者交付的）业务水平为基础对不同类别的数据包实行不同的收费价格是可行的。将来的Internet用户有可能对不同类别的业务支付不同标准的费用，并且，还可能是以应用单位（如每分钟、每个数据包或者每个字节）为基础来支付的。因为采用了不同的收费价格，用户和服务供应商之间的服务水平协议（SLA）将详细说明已有的各个优先级水平、相应的费用以及相关的性能保证。服务提供和收费模型方面的这些变化，代表着为MSO提供接入的供应商的收入的实质性增长潜力。

　　QoS和线缆 modom终端系统（CMTS）

　　在线缆网络结构中， MSO处于最佳位置，对优先级业务起着看门人的作用。它们介入每一个用户的服务水平的约定，对自己的用户插入Internet的所有数据包都能够恰当地标记优先级指标。事实上，一个MSO的设备是最先受到信任的设备（它不为用户所有），用户的数据包必须通过它才能找到进入Internet的路径。MSO对消费者的数据包负责，并且，能够提供不同水平的用户业务，并对用户收费。在数据转发器的CMTS允许的情况下， MSO 还将能够对用户业务水平的进行动态升级。为了在新的模型中成功运作， MSO 按照时间、数据包或者数据量，按照线缆modom或者其之后的计算机设备，逐个对各种业务水平的应用进行详尽地计数。产生QoS控制能力的主要源泉将由MSO的CMTS包含的功能特点来提供，CMTS 位于数据转发器车间，在那里，CMTS 提供线缆设备和Internet的基本连接。

　　线速处理，确保性能

　　通常，一个功能强大，且具备QoS控制功能的 CMTS将提供数据包分类、优先级标注、业务流监督、连接控制、流量控制、拥塞控制、精细排队、时序安排和逐个业务流成型等功能。为了完成上述功能，且不对CMTS吞吐量的QoS控制功能产生负面影响，硬件辅助的QoS处理（线速处理）通常是必须的。具备线速处理的CMTS 将能够完成所有的QoS控制功能以及与转发、计数和测量相关的全部功能，这些功能要求在最短的数据包到达间隔期望值内完成。不采用线速处理，这些功能占用的时间将超过两个连续的数据包的达到时间间隔。因此， CMTS 必须在完成对第一个数据包的处理的同时，对第二个数据包进行排队。一旦超时，排队深度就会增加，受业务影响的数据包丢失就会产生，而用户则会将其理解为服务水平较低、吞吐量较小、带宽较窄或者应答较慢。结果，用户对业务性能理解的降低将导致用户对服务质量的不满 。

　　MSO可能会偏爱能够通过线速处理提供QoS控制功能的 CMTS 产品。今天，针对Internet中如此高的数据速率，只有为数不多的几种实用的方法实现线路处理，其中之一是设计高速定制的ASIC，以实现满足特定的QoS的处理速度。这种方法成本高，且在标准不断变化的情况下无法修改。在CMTS中实现线速处理的另一个方法是使用类似汽车装配生产线的技术对处理功能实行流水作业——流水线的每一级仅仅完成整个任务的一个子集，各个 子任务级联起来，新的任务（数据包）就可以以非常高的速度进入流水线。

　　流水线方法既可以由软件实现，也可由硬件实现，还可由两者组合实现。采用高速处理器时，流水线可以用软件实现，这样做的好处是开发时间相对较短，开发工具丰富，且开发环境已为人们所广泛理解。然而，不幸的是，大多数通用处理器在任务划分和总线灵活性方面受到限制。新一代的网络处理器正试图通过并行处理来执行网络任务，从而克服上述缺点。一方面，它们处理类似语音流和视频流这样的实时数据的能力还有待于进一步验证，另一方面，用于网络处理器的软件编译器能否有效地处理数据依赖性以及时序安排和管理等任务还需要进一步观察。在硬件方案中，流水线算法可以利用可编程逻辑器件（PLD）实现，这样做既可以避免ASIC非常长的开发时间，又可以达到比纯软件方法快得多的速度。硬件层次的性能尤其重要，因为象DOCSIS这样的标准很可能提高对数据包传输的时延要求。另外，很多现代的PLD包含了有利于CMTS设计的结构特点。这些结构特点包括高速I/O缓冲器、锁相环（PLL）和灵活的嵌入式存储器结构。组合可编程逻辑和高速处理器构成的平衡的设计方案，可以兼有上述两种实现方法优点——既包括硬件加速的性能，又具备软件开发环境的熟悉，还包含了可重复编程平台的灵活性。

　　I/O功能和锁相环

　　最新的可PLD支持多种I/O标准和多种逻辑电平。通过兼容多种 I/O电平标准，这些PLD可以在电路板上用作不同器件之间的接口，其逻辑电平可以是3.3V 或者在1.8V~2.5V之间任选。更重要的是，象LVDS低电平差分信号这样的高速I/O 选项使得PLD能够达到更高的性能水平――每个通道高达840 Mbps 。由于片内锁相环的参与，这样的速度是可以达到的。

　　利用锁相环（ PLL）和LVDS，设计者可以增加系统带宽。例如，在一个有8个客户的光交换单元里，每个客户有两组总线，每组总线有 8个I/O，但没有LVDS－PLL 组合，总的I/O引脚数量为：

　　8客户 × 2 总线/客户 ×8 I/O引脚/总线 =128 I/O引脚。

　　如果给定时钟速度为50MHz，则总的吞吐量为：

　　128 × 50MHz = 6.4 Gbps。

　　接下来，考虑一个具有相同的系统时钟和客户数量但具备LVDS－PLL组合的系统 。总的I/O引脚数量是：

　　8 客户 × 4总线/客户 × 2 I/O引脚/总线 = 64 I/O引脚。

　　64 I/O引脚等价于32 对LVDS（可以通过PLL用8倍于系统时钟的速度来同步），从而，总的吞吐量为：

　　32 对LVDS×400 MHz = 25.6 Gbps。

　　上述结果表明，与没有LVDS－PLL 组合的光交换机相比， LVDS-PLL 组合使吞吐量增加了3倍。

　　嵌入式存储器的应用

　　许多现代PLD具备的片内存储器可以用来实现多种与CMTS有关的功能。在最先进的PLD中，片内的嵌入式存储器模块可以配置为多种存储器功能，这包括FIFO、RAM、ROM和内容可定位存储器（ CAM）。在符号压缩和高速缓存标记中CAM非常有用，并且还可用在信息净荷头部抑制（PHS）中，实现查寻受抑制报头图案的树形搜索算法。当片内CAM不足时， PLD的供应商提供参考设计，帮助用户实现PLD与更大的外部CAM的接口。

　　通过综合PLD的片内存储器模块和PLL的时钟倍频功能，可以实现多种与DOCSIS相关的功能。例如， 双时钟FIFO可以用来存储输入的以太网帧，并根据需要将其转化为8比特宽度或者 4比特宽度的格式。这时，一个输入时钟将16比特的帧写入FIFO，以输入时钟的 2倍或者4倍频率的时钟读出数据，并写入一个二入一出或者四入一出的复用器（MUX）（同样由倍频后的时钟控制），这个复用器输出8比特或者4比特的值。一个双端口RAM和 一个PLL组合在一起可以实现时钟域的变换，在这里，数据用一个时钟写入RAM，而用输入时钟的倍频读出。最后，一个PLL和一个双端口RAM 还可以实现类似单周期读－修改写这样的数据处理，这时， FIFO以两倍于读出速度的时钟写入，每隔一个写时钟周期，未经修改的数据写入FIFO，在另外的写时钟周期，数据被读出，用一个掩码修改，然后，再写回到FIFO。 在一个服从DOCSIS的CMTS中，这一功能可以用来在一个周期之内完成数据包的计数，其存储器的利用率是非常高的。

　　结论

　　在系统改进和用户要求变化等条件下，DOCSIS标准将继续发展。这种发展提示，服从DOCSIS标准的设备的理想实现方式应该是灵活的，即使它能够应付很高的性能要求，也必须这样。因为，随着时间的推移，这些要求只会变得越来越迫切。PLD和高性能处理器的组合满足这些要求，为线缆modom的生产商提供了在必要时很容易地修改它们的产品的设计和产品本身，从而适应不断变化的条件的余地。包括更高的性能、更多更快的I/O引脚、更大的存储器以及不言而喻的更高密度在内的PLD可以预期这将使PLD非常适合完成线缆modom的网络处理任务 。另外，具有软核或者硬核嵌入式处理器的PLD的出现将进一步巩固可编程逻辑对这些任务的适用性，并在不久的将来提供更大的集成度和更高的 性能。，在线缆moden中实现线速处理