多业务传输平台(MSTP)的设计师们正面临着一个新问题:除了提供传统TDM业务外,新产品设计方案需要支持日益广泛应用的“三网合一”(语音, 视频, 数据)需求,需要提供E-PLINE和E-PLAN的业务支持。新设计要求使用更先进的技术进一步优化SONET/SDH架构:数据业务虚拟交换和复用,动态调整连接带宽,动态业务恢复, 调整颗粒度,减少数据传输产生的抖动和延迟,以及提供QoS保证等。
图1: MSTP 数据处理板方案之一。
MSTP数据线路处理盘的实现正朝着三个方向发展:首先日益紧张的运营商采购预算、机房使用空间和用电量都要求低成本、更加紧缩和尺寸小的设备(微型MSTP或小盒子),数据线路处理盘本身成本、物理尺寸和耗电量都要求进一步压缩；其次新的“三网合一”应用要求提供“伪线”(Pseudo-Wire) 处理能力(Pseudo-Wire技术定义了一套基于MPLS连接而实现业务线路仿真的机制)；第三,要求扩大数据包汇聚和疏理能力,提供更多虚级联组和更小更细的带宽调整颗粒度。在很多网络应用中, MPLS被要求用来提供多个地址间互连的虚拟LAN业务(VPLS),并且同时支持多播、地址学习等功能。
MSTP 数据线路处理方案
基于集中式SDH/SONET交叉矩阵架构的MSTP数据线路处理盘包括以下几个功能单元:
1) 数据交换处理单元:提供L2业务数据分组处理和交换能力,支持E-VPLAN和VPLS
2) 流量控制管理单元:提供分组业务流的QOS支持
3) 数据包编辑单元:提供数据包控制字节增加、修改、删除功能,包括VLAN和MPLS标签操作,支持Q-in-Q和PWE3
4) 数据封装单元:通过GFP或其他格式(X.86/HDLC)封装数据(以太网,MPLS等)到SONET/SDH的VC/VT虚容器
5) 增强型SDH/SONET处理功能:提供VCAT和LCAS功能(100ms-200ms最大路径延迟)
6) 存储器
7) 控制处理器 (在集中式控制处理架构中不需要考虑)
图2: 以太网交换-数据封装配置。
E-VPLINE,E-VPLAN,PWE-3,和VPLS业务要求充分考虑以上每个方面。要求提供基于数据流来区分不同业务类型的能力。要求基于业务类别的速率控制、流分类(classification)、流管制(policing)、时序控制(scheduling)、流整形(shaping)等功能。要求支持数据包控制字节增加、删除和修改能力(如支持编辑VLAN和MPLS标签等)。在SDH/SONET接口一侧(或背板侧),虚级联和LCAS功能被要求用来优化带宽的利用率。存储器是用来存储或缓冲数据包或控制信息等。
具有挑战性的是同时要减少板卡尺寸和耗电量。高度集成的芯片电路将帮助降低尺寸和用电的要求,同时降低整个系统的成本。
有很多种方案去实现这些数据线路处理需求:其一是采用网络处理器(NPU)加上以太网封装处理芯片。网络处理器提供数据处理和流量管理功能,封装芯片提供GFP等格式的数据封装以及虚级联和LCAS处理功能。这个方案往往需要复杂的网络处理器编程,以及大量外部存储器来实现,而网络性能一般并不能达到线速处理。此外,网络处理器开发需要比较长的周期,这样带来了较高成本和风险, 在MSTP数据处理功能实现方面并不是非常合适的方案。
另外一个方案是采用一个以太网交换芯片加上一个数据封装处理芯片。图1显示了这种方案典型配置。以太网交换芯片一边通过GMII/SMII接口连接到以太网物理层处理芯片(PHY),一边通过同类接口连接到数据封装处理芯片。封装芯片提供GFP等格式的数据封装以及虚级联和LCAS处理功能。由于以太网交换芯片接口数量限制,这种方案潜在地限制了虚级联数量,一般来讲低于以太网交换芯片和数据封装处理芯片之间的接口数。另外一个限制是单个业务流带宽将无法超过芯片间单个接口的带宽,并且较低速率数据将占用有限的接口数,导致整个网络的带宽使用率降低。图2显示这类方案架构细节。
图3: MSTP数据线路处理Orion 方案。
以太网交换芯片的主要应用是企业级方案,一般不提供QinQ,MPLS,PWE3,VPLS等功能,仅在高端处理芯片有MPLS功能。这些高端的芯片支持数据包标签编辑功能,但限于区分业务优先级方面,缺乏对业务隔离的处理。同时也不能提供VPLS的功能(需要基于LSP的MAC地址学习和广播功能),仅提供很有限的流量控制功能。业务的有效隔离能力对于数据传输来讲是没有余地的重要性,特别是要求提供端到端的QOS保障。
数据封装处理芯片处理采用GFP格式封装数据包到AU-3/4或TU-11/12。这类芯片虚级联处理要求至少一个外部存储器(DRAM),为了达到同样性能并且同时降低成本,RL-DRAM或FCRAM也可以被选用。此外, 很多数据封装处理芯片也加入了基本流管制(policing)和数据包控制字节修改功能,但由于缺少MAC地址学习/老化功能的支持降低了这些功能的所起作用。
值得一提的,由于在两个芯片之间没有基于流的流量控制(Flow Control),所以不能做到零丢包率情况下用足虚级联带宽。这一点将使这个方案在很多网络实际应用中遇到障碍。很多设计师因此而不去考虑这类方案。另外, 两个芯片之间各自要求存储器,整个系统的成本不能得到优化。
图4: Orion 功能结构。
Raza Microelectronic的Orion方案
Orion智能数据处理芯片系列在单一芯片上高度集成了数据交换处理、数据封装处理、流量控制、SONET/SDH处理等功能。图3、图4显示了使用Orion的MSTP数据线路处理方案以及Orion内部系统功能结构。除Orion芯片外,仅需要一颗外部存储器(DRAM), 控制处理器,还有一些时钟和电源模块和物理层芯片(PHY)。这个方案在耗电量、制板复杂度、管脚连接方面有显而易见的优势。
Orion支持强大的数据交换处理功能,满足各种不同类型的数据传输业务需求。 同时支持V-VPLINE,E-VPLAN,PWE3,和VPLS。能够对输入数据进行流分类(以太网接口和虚级联接口都支持)。一般流分类功能限于基于VLAN或MPLS标签,但Orion能够提供更加灵活的流分类功能,它基于数据包控制字节前64个字节 (Byte) 任意用户自己定义控制字段。这一点扩展了它的网络业务互通能力。逻辑端口标识符同这些字段组合在一起,扩展了识别业务流的标识范围和能力,避免任何业务流失的可能性。同一MAC地址的数据包通过不同逻辑端口进入Orion将被打上不同的标识符进一步处理。一个逻辑端口可以是以太网口,SDH虚级联电路接口,或串行数据接口(SDI)和控制器接口。Orion共支持205个逻辑端口:10个以太网接口,192个虚级联电路接口,和3个串行数据接口,一个控制器接口。
数据流分类的结果是分配一个用户流标识符到一个特定存储队列,并且指派不同QOS和业务标识参数。属于某个用户流标识的数据通过一个“双漏桶”机制进行速率调控和业务类型标注。每个用户数据流都被相互独立的队列分别存储和调度,提供完全业务隔离保障。多个加权随机早期检测(WRED) 机制被用来更好地管理和控制数据拥塞,保护存储器资源,避免尾部直接丢弃,确保高优先级的业务质量。
为了支持LAN业务,Orion内部集成了MAC地址表,当流分类识别出一个LAN的业务流时,MAC表将根据数据包的目标地址寻找目标流队列,如果此目标地址没有被学习到,数据包将被广播刷新到此LAN所属的全部数据流队列中去。MAC地址学习和老化是自动完成的。Orion MAC地址学习也能够基于LSP的流来进行,进而支持VPLS应用。对业务广播采取更加有效的控制,支持水平分割泛洪(flooding),从网络端口发出的广播将不会回到网络端口去,从客户端端口发出的广播将发布到所有的端口(而不需要考虑是否是网络还是客户端口)。
图5: Orion 网络接口实现。
Orion在发送端口方向提供一套层次分明的流调度架构。每一个逻辑端口有四种业务优先级类型和一个特殊管理控制流类型。每个业务类型有一个独立的数据流整形器(shaper) 用来赋予每个业务类型规定的带宽,同时这些整形器可以利用其他业务类型未使用的带宽,提高了带宽使用率。加权补充循环(WDRR)算法被用来分配同一业务优先级类型下每个流所占有的带宽。
Orion支持双标签处理机制,支持QinQ和PWE3的应用。它能够插入、删除、替换或修改任何一个数据包的标签。
Orion支持多达192个虚级联VCG组(AU-3/4或TU-11/12任意组合)。支持GFP封装方式,以及LCAS。
图5显示Orion的网络接口实现架构,同以太网交换芯片加数据封装芯片方案不同,Orion数据交换处理单元完全同以太网和虚级联接口相结合,能够对称无阻塞地提供任意数量的数据流(<2048)从任意一个端口到另外一个端口,没有瓶颈。
Orion数据交换处理单元提供完全线速性能。由于它的业务模型已经内嵌在芯片中,所以开发的时间和人力将大大节省,开发风险也大幅降低。
总结
通过对MSTP数据线路处理功能实现的分析可见,对高度集成芯片的需求正在日益增多。尽管当前单芯片系统主要应用于多业务数据传输接入设备上,但随着半导体技术的进一步发展,将集成更高的速率和带宽来满足传输核心设备需求。更高端口集成度和更高系统带宽接口速率的方案正在开发中,这些最新单芯片系统也将提供支持更多的数据网络交换处理协议。
Orion是目前最佳MSTP数据线路处理解决方案。通过把同网络处理器一样丰富的数据处理功能和SONET/SDH处理集成在一起,满足了最新“三网合一”市场需求,消除了其他方案中的缺陷。RMI正继续致力于开发更高速率、更高集成度、支持更多协议和端口的数据传输方案,以满足下一代多业务传输处理平台的需要。
Raza Microelectronics公司供稿
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