CN101262355A - 一种数据交换处理板及其相应交换处理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数据交换处理板及其相应的交换处理系统，属于通信技术领域，该交换处理板包括至少一块FPGA器件，每块FPGA通过序列化/反序列化连接器接口与背板连接，多块FPGA器件可以实现星型拓扑全互连，还包括了与FPGA器件数量对等的网络搜索引擎，提供了丰富的基于内容的过滤及处理功能。交换处理系统包括多块数据交换处理板，可以实现多级结构网络。该数据交换处理板及其交换处理系统可以支持不同数量FPGA的动态扩展，甚至可以在接口允许范围内无限级联，突破了传统背板交换系统在数据汇聚及处理方面的缺陷，解决了目前的背板交换技术在带宽及扩展性方面的限制。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及一种高密度数据交换处理板及其相应交换处理系统，该交换处理板适用于构造互联网T比特级核心路由器及交换机的数据交换处理板。
背景技术
大型通信系统，如T比特级核心路由器及交换机，通常由以下主要部件组成：线卡(Line Card)、交换处理板(Switch Card)、背板(Backplane)等，如图1(核心路由交换系统结构示意图)所示。各部件的功能如下：线卡负责数据的接入处理，同时负责输往背板的数据的队列和流量管理；交换处理板负责各线卡间的数据交换处理；背板是连接线卡和交换处理板的桥梁，它通过高速接插将所有板卡连接起来，起连接作用。
整个路由交换处理的过程是这样的，负责接入的线卡(如线卡1)将10G POS(Packetover SONET，即同步光纤网上的数据分组)信号经由光纤接入后，先通过XFP(10Gb小尺寸可插拔光收发器)完成光电转换，再经10G ASIC(Application Specific Integrated Circuit，即特定用途集成电路)完成成帧还原及数据包的解析处理，然后按照主控系统下发的路由表单通过背板到达交换处理板，再由交换处理板根据相应的交换表单交换至负责输出的目标线卡，由输出线卡的数据处理单元处理后再通过电光转换(出口是光接口)发往目标光纤线路。
在此过程中，交换处理板作为一个核心数据处理部件，占有十分重要的地位。为了最大限度地提高整个通信系统的处理能力，在有限的机箱插槽空间内，交换处理板交换能力的高低，交换处理板单板处理能力的高低，交换处理板的配置灵活性的好坏，都直接决定着整个通信系统的性能。
目前，大型交换机路由器的交换处理板大多是基于Switch Fabric架构的，其典型拓扑结构图如图2所示。整个交换架构由两部分组成：TM(Traffic Management)芯片和Fabric芯片，它们通过高速SerDes(序列化器/反序列化器)连接。其中TM芯片负责交换数据的流程管理和队列管理，Switch Fabric芯片负责各个TM间的数据交换处理。
其中位于线卡后端的TM芯片负责交换数据的队列管理及流量管理，并负责完成并串转换，转换后的高速串行数据经背板到达交换处理板后，由交换处理板根据路由交换信息完成交换调度。由于现有Fabric芯片的交换能力有限，单片最高仅为80G，如果要处理80G以上数据量的交换，就需要将多片Switch Fabric芯片并起来使用，如图2所示即是多片Fabric与多片TM芯片的多星型拓扑结构。
采用多星型拓扑交换架构的交换处理板典型方案如图3所示。整个交换处理板上主要由Fabric芯片和SerDes连接器(Connector)组成。由于采用星型拓扑，各Fabric芯片之间没有任何连接关系，仅通过高速SerDes连接器将各个Fabric的SerDes全部引出，然后通过背板接插件与分布在各个线卡上的TM芯片连接起来。该方案虽能实现了TM间的数据交互，但是无法实现Fabric内的数据交互，不便于数据的集中处理和调度。如果需要实现Switch Fabric芯片之间的连接和数据交换，则各Fabric芯片就需要牺牲一半的带宽，很显然这种应用较并行使用而言缺乏灵活性，且牺牲了交换带宽，在实际应用上来看是得不偿失的。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术的缺陷，提出一种高密度、大容量、可扩展的交换处理板结构。在目前Fabric架构及处理能力还很有限的情况下，提出了一种新的解决大容量数据交换处理的方案。
本发明的技术方案如下：
一种数据交换处理板，其特征在于包括至少一块FPGA器件，所述FPGA通过序列化/反序列化连接器接口与背板连接。
所述的数据交换处理板，包括多块相同的所述FPGA器件，每块FPGA器件还包括与其它FPGA星型连接的序列化/反序列化连接器接口。
所述的数据交换处理板，还包括与FPGA数量对等的网络搜索引擎，其中各网络搜索引擎通过其数据地址总线连在对应的FPGA上。
所述的各网络搜索引擎外挂一静态随机存取存储器。
所述的各网络搜索引擎多片级联。
所述FPGA器件还包括与其他数据交换处理板连接的序列化/反序列化连接器接口。
一种数据交换处理系统，包括两个数据交换处理板，其特征在于所述数据交换处理板包括至少一块FPGA器件，所述FPGA通过序列化/反序列化连接器与背板连接；两块数据交换处理板之间的序列化/反序列化连接器接口通过光缆或同轴电缆实现级联。
一种数据交换处理系统，其特征在于采用多个数据交换处理系统作为二级交换平台，所述数据交换处理系统，包括两个数据交换处理板；所述数据交换处理板包括至少一块FPGA器件，所述FPGA通过序列化/反序列化连接器接口与背板连接；两块数据交换处理板之间通过光缆或同轴电缆实现级联；还采用多个单个数据交换处理板作为第一级输入和第三级输出平台。
本发明的优点在于，该交换处理板可以采用星型拓扑，单板密度高、接口标准、配置灵活，在满足数据交换的高带宽的需求的同时，具备原有Fabric架构不可比拟的健壮性及结构灵活无限扩展特性。该数据交换处理板在提供大容量线速交换能力的同时，还提供了丰富的基于内容的过滤及处理功能。完全可以支持不同数量FPGA的动态扩展，甚至可以在接口允许范围内无限级联。因此该数据交换处理板在突破了传统的背板交换系统在数据汇聚及处理方面的缺陷的同时，还能从根本上解决目前的背板交换技术的在带宽及扩展性方面的限制。FPGA强大的可编程能力及高速处理能力，高带宽超高速的功能可定制接口，及高性能的NSE内容搜索引擎，使得本构架不仅可以应用在高端的网络处理上，也可以应用在防火墙、金融及其他安全领域或是存储、数据分析、数据处理等等除安全和网络之外的领域。
附图说明
图1是核心路由交换系统结构示意图；
图2是典型Switch Fabric架构拓扑图；
图3是Fabric架构交换处理板结构图；
图4是本发明的数据交换处理板结构示意图；
图5是数据交换处理系统二级级联示意图；
图6是CLOS网络(一种严格无阻塞多级结构网络)三级交换架构集群扩展示意图。
具体实施方式
下面结合附图对此交换处理板进行说明。
图4为一种采用星型拓扑结构的数据交换处理板，该处理板由七片FPGA和七片NSE(网络搜索引擎)组成(事实上在交换带宽需求不超过80G的情况下用一片FPGA即可实现该交换处理板，但是对于大交换容量系统则需要做多片FPGA扩展，理论上可以是任意数量，本具体实施例采用了七片FPGA)。
由图4可见，该处理板的系统架构有以下两部分组成：七片(当然如果接口允许的话可以更多)FPGA及七片NSE器件(与FPGA数量对应，做高级过滤处理时才需要)。其中，七片FPGA功能完全一致，既负责与其他FPGA的互连，又负责与内部的NSE通讯，还经过SerDes与背板高速接口(3.125G-SerDes接口，序列化器/反序列化器接口即千兆位级串行收发器接口)，是整个数据交换处理板系统的核心，经过SerDes变换后的数据通过高速差分线与FPGA的SerDes接口或高速userIO相连。
整个系统的拓扑结构是这样的，具体来说是采用FPGA自带的3.125G-SerDes接口。七片FPGA每片提供6对3.125G-SerDes接口，分别与其余六片FPGA实现星型拓扑全互连。如此则每片FPGA的内部数据交换带宽为6×3.125G×2＝37.5Gbps，扣除SerDes的8B/10B(一种信令编码方法)变换后的纯交换能力为37.5G×8/10＝30Gbps。此带宽大于每片FPGA与背板的接口带宽(20Gbps)，因此可以保证线速处理。
FPGA与NSE的接口则采用NSE器件的标准接口，NSE通过其标准数据总线直接连接在FPGA上，负责接入数据报文的内容查找过滤，具体的数据过滤能力依赖与所选NSE器件。此处的配置比较灵活，甚至可以采用NSE外挂SRAM(静态随机存取存储器)或者多片NSE级联，如此则系统的过滤查找能力很容易上升到百万条。充分体现了用FPGA搭建系统的灵活性。
与背板的高速接口是整个交换处理板的数据通道，负责整个系统所有线卡的数据交换。具体来说也是采用FPGA自带的3.125G-SerDes接口，每片FPGA使用8对，如此则整个交换处理板共有7×8＝56对3.125G-SerDes接口，总交换能力为56×3.125G×2＝350Gbps，扣除SerDes的8B/10B变换后的纯交换能力为350G×8/10＝280Gbps。当然，这仅是单块交换处理板的交换能力。事实上，也可以用图4所示数据交换处理板取代图2所示SwitchFabric架构中的Fabric，这样可以实现多块交换处理板的扩展，如此则整个交换系统很容易上升到T级别。
FPGA结合高性能NSE(网络搜索引擎)的高级数据过滤处理能力，可以做2～7层内容过滤处理。在完成各线卡间的数据交换的同时，还可实现对接入数据的高级过滤(通过扩展NSE实现)和综合处理(通过对FPGA内部的编程实现)。
此外，此基于FPGA的架构的交换处理系统很容易实现CLOS网络(一种严格无阻塞多级结构网络)架构的多级交换网，具体来说就是在每片FPGA上开辟专门的二级交换通道，各通道均采用SerDes接口实现，具体实现方式上又分为二级级联(背靠背方式)和三级集群扩展方式，分别如图5和图6所示。
在图5中，Platform 1和Platform 2在原有图4所示的交换处理板标准平台上开辟了专门的二级交换通道，即标准的高速SerDes(序列化器/反序列化器)连接，两个平台之间通过该通道实现背对背互连，(数据交换处理板与线卡的接口是交换处理板的前部接口，与之相对的交换处理板之间互连的接口为背部接口，如图5所示的数据交换处理板左侧SerDes接口将会连接到背板)具体的连接方案可以采用光缆或同轴电缆(因为SerDes位于不同的平台，所以需要电缆或光缆连接)，如此则轻易实现了接入能力及交换容量的倍增。
图6则是该交换处理板的另外一种用途——CLOS网络三级集群扩展。即在实现图5所示二级背对背交换的基础上，将交换处理板作为专门的CLOS二级交换平台，如图5所示的CLOS Platform1、2所示。该CLOS平台1至m作为CLOS网络架构中的中间级，原有标准平台(图4所示)Platform1至n分别作为CLOS网络的第一级(输入)和第三级(输出)(注：所有接口都是双向的，因此每个标准平台既是输入也是输出)，如此则实现了一个严格无阻塞的开放式CLOS网络集群扩展平台。如图6所示，第一级和第三级同样是通过SerDes接口与二级交换平台连接的，因为SerDes位于不同的平台，所以需要电缆或光缆连接。这样，每块FPGA上至少需要四个SerDes接口(40G接口，与背板20G接口，与CLOS交换平台20G接口。)
Claims (8)
1、一种数据交换处理板，其特征在于包括至少一块FPGA器件，所述FPGA通过序列化/反序列化连接器接口与背板连接。
2、如权利要求1所述的数据交换处理板，其特征在于包括多块相同的所述FPGA器件，每块FPGA器件还包括与其它FPGA星型连接的序列化/反序列化连接器接口。
3、如权利要求1或2所述的数据交换处理板，其特征在于还包括与FPGA数量对等的网络搜索引擎，其中各网络搜索引擎通过其数据地址总线连在对应的FPGA上。
4、如权利要求3所述的数据交换处理板，其特征在于各网络搜索引擎外挂一静态随机存取存储器。
5、如权利要求3所述的数据交换处理板，其特征在于各网络搜索引擎多片级联。
6、如权利要求1所述的数据交换处理板，其特征在于所述FPGA器件还包括与其他数据交换处理板连接的序列化/反序列化连接器接口。
7、一种数据交换处理系统，包括两个数据交换处理板，其特征在于所述数据交换处理板包括至少一块FPGA器件，所述FPGA通过序列化/反序列化连接器接口与背板连接；两块数据交换处理板之间的序列化/反序列化连接器接口通过光缆或同轴电缆实现级联。
8、一种数据交换处理系统，其特征在于采用多个数据交换处理系统作为二级交换平台，所述数据交换处理系统，包括两个数据交换处理板；所述数据交换处理板包括至少一块FPGA器件，所述FPGA通过序列化/反序列化连接器接口与背板连接；两块数据交换处理板之间通过光缆或同轴电缆实现级联；还采用多个单个数据交换处理板作为第一级输入和第三级输出平台。
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