万兆以太网交换芯片设计技术

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万兆以太网交换芯片设计技术




    以太网从诞生到现在已有25年历史。由于成本低、可靠性高、安装和维护相对简单，因此很受欢迎。目前以太网几乎承担了Internet上所有的通信业务。随着技术的发展和网络速度的提高，10G以太网或称万兆位以太网(10GE)技术的开发应用越来越为业界所重视。10G以太网标准与早期的以太网标准之间存在巨大差别，特别是10G以太网只使用光纤，并且只在全双工模式下运行，即10G以太网将不再使用冲突检测协议(CSMA/CD)。由于10G以太网依旧是以太网标准，现有的各种以太网标准可以很方便地移植到未来的新标准中去，因此现有的网络基础设施投资不会被浪费。10G标准开发特别工作组正在努力使10G以太网能够与其他网络技术实现互联互通。此外，该工作组还在向新标准添加了一些特别的技术，使以太网数据包能够在SDH/SONET中顺利传输。由于在当前的网络通信中，分组交换数据量已经超过语音通信量，占据了主导地位，因此，业界希翼10G以太网标准能够将语音通信网络和数据网络融合[1，2]。


    在中国信息产部对通信产业中的通信业务网提出了明确规划，要求“根据业务需求量和技术的成熟程度，在长途网络上采用IP over SDH/DWDM、超高速吉(或太)比特路由器以及光波长路由器等技术组建宽带IP城域网；大力发展信息化小区和商务楼，努力形成一个能够提供多种业务的以IP为基础的宽带多媒体平台。充分利用网络优势实施信息网络化，积极发展电子商务、远程教育、远程医疗、网上办公、虚拟专用网等业务”，“要按照应用主导、面向市场、网络共建、资源共享、技术创新、竞争开放的发展思路促进电信、电视、计算机三网融合”，“努力实现中国信息产业的跨越式发展，加速推进信息化”。可以看到中国将迎来以IP为核心的宽带城域网建设高峰，给以10G以太网为核心的城域以太网解决方案提供巨大的舞台。


1 功能模块
    10G以太网的核心芯片为10G以太网交换芯片。目前国内外市场上已有的10GE以太网交换芯片都是国外品牌，主要由Broadcom企业[3]、Marvell企业等提供。


    本文先容中兴通讯自主开发的10G以太网交换芯片，芯片包括万兆以太网端口控制(TPIC)模块、千兆以太网端口控制(GPIC)模块、CPU管理接口控制(CMIC)模块、存储器管理(MMU)模块、核心状态机(Mstate)模块、存储器接口(MemC)模块。
交换芯片中主要模块数为：
    (1)12个GPIC模块。每个GPIC模块包含一个吉比特以太网(GE)端口。每个端口包括收发两个部分，并且每个端口包括一个媒体访问控制(MAC)器。
    (2)1个TPIC模块。TPIC模块包含一个10GE端口。该端口包括收发两个部分并且包括一个MAC控制器。
    (3)1个CMIC模块。CMIC模块提供以太网交换控制芯片与外部不同总线的多种接口，用户可以灵活选择其中的一种接口。


2 关键技术
    10GE交换芯片可支撑12个GE口，一个10GE接口，并可通过Uplink(上行链路)总线上联到cross bar(交叉互连)芯片，满足更高性能系统的需要。芯片通过CPU接口同主机CPU相连，支撑CPU同芯片之间进行数据包交换。在芯片中采用内部数据缓存方式，内部数据缓存采用SSRAM(静态同步存储器)。芯片提供1个全双工万兆位以太网端口，通过XGMII(万兆位以太网介质独立)接口同PHY(物理层)芯片相连。芯片提供了12个双速率MAC控制器以支撑100 Mb/s和1 000 Mb/s以太网接口。开发芯片时将重点展开了以下3方面的研究：

存储器管理机制研究；
硬件转发引擎研究；
多种QoS机制研究。

    重点解决了以下问题：

高速的存储器管理机制。
大容量无阻塞的交换结构。
支撑多种QoS策略的硬件体系实现。
寻求高效的地址查找算法。以太交换本质上是对MAC包的存储和转发，转发时需要根据目标MAC地址去查找地址表，得到目标端口号。由于MAC地址长度为48位，而地址表的长度是有限的，必须巧妙设计地址表查表算法以便能快速地生成、维护和查找地址表。目前的解决办法是采用Hash算法来做快速地址查表，可支撑总共64K的Hash值。
支撑众多的协议的硬件。

    交换芯片所具有的功能包括：
    (1)具有CPU管理接口，支撑PCI接口、IIC接口。
    (2)提供线速交换能力，包括Layer2和Layer3交换。
    (3)支撑堆叠。
    (4)千兆位以太网端口支撑以下特性：GMII或TBI(8B/10B SERDES)接口，10M/100M/1000M自动协商，802.3x流控制。
    (5)万兆以太网端口支撑以下特性：XGMII接口，支撑标准的PHY设备；10000M自动协商；流量控制。
    (6)先进的地址识别。自学习机制支撑至少64 000个单播地址，地址自动老化。
    (7)支撑L2-L7包过滤。
    (8)支撑stack VLAN。
    (9)支撑许多协议标准。支撑IEEE 802.1Q VLAN；VLAN支撑1 000～4 000 Vlan id(虚拟局域网标识号)，其中Vlan id的数值可以在1～4 094之间；支撑IEEE 802.3ad的Port Aggregation协议；支撑端口到CPU的镜像；支撑基于用户的端口接入速率限制，对于超过限制接入速率的数据包，在交换拥塞时优先丢弃；支撑组播功能，支撑静态组播表配置以及IGMP SNOOPING功能；支撑组播和广播风暴控制；支撑IEEE 802.1D 生成树算法；支撑RMON/Extended RMON；支撑通过802.1p tagged packet(打了标签的数据包)实现优先级队列。
    (10)支撑MPLS VPN。
    (11)支撑IPv6。


3 结束语
    城域网的热潮是市场驱动的结果。最终用户，尤其是企业用户和住宅用户对带宽的需求，直接刺激了城域网市场的发展。10GE以太网交换芯片的研制对于中国尽早掌握该核心技术具有重要的意义。首先可以改善中国在数据通信芯片领域受制于人的局面。国外的10GE以太网交换芯片价格高，并且由于核心技术掌握在别人手上，使得芯片和设备的应用受到很大的限制。其次，国外的芯片不可能针对中国的实际数据通信网络情况进行芯片设计，所以不能够满足中国数据通信市场的需求。中兴通讯研制的10GE以太网交换芯片是针对中国数据通信应用的实际情况来量身定制的，具有很好的适应能力，可以很好地适用于中国数据通信市场的需要