開(kāi)發(fā)靈活的高性價(jià)比寬帶接入設(shè)備線路卡

電信設(shè)備生產(chǎn)商(TEM)在多業(yè)務(wù)(語(yǔ)音、視頻和數(shù)據(jù))融合和分布式設(shè)備生產(chǎn)上面臨很大的挑戰(zhàn)，這些設(shè)備包括數(shù)字用戶線接入復(fù)用器(DSLAM)、光線路終端(OLT)和多服務(wù)接入節(jié)點(diǎn)(MSAN)等。盡管可以選擇多種介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的服務(wù)，但是每一種介質(zhì)都需要不同類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來(lái)處理所需要的接入?yún)f(xié)議、流量工程和吞吐量。

每種介質(zhì)類(lèi)型需要專(zhuān)用工程資源，導(dǎo)致不同線路終端卡的成本非常高，包括ADSL、VDSL、EPON和GPON等。在設(shè)計(jì)這類(lèi)設(shè)備線路卡時(shí)，必須留有足夠的帶寬，以支持無(wú)阻塞互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議電視(IPTV)，以及其他的協(xié)議，提供較高服務(wù)質(zhì)量(QoS)的流量管理。特別是對(duì)于語(yǔ)音和視頻流，需要更強(qiáng)大的多播功能支持IPTV以及今后的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，包括游戲和視頻/語(yǔ)音會(huì)議。

另一難題是怎樣以更低的成本提供更多的產(chǎn)品和服務(wù)。日趨激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)使DSLAM供應(yīng)商面臨更大的價(jià)格壓力。最近幾年，TEM的DSLAM每端口價(jià)格急劇下降，維持利潤(rùn)的唯一方法是降低DSLAM的硬件成本。

TEM面臨的第三個(gè)難題是建立平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)自己獨(dú)特的功能，突出解決方案的優(yōu)勢(shì)，方法之一是建立基于平臺(tái)的解決方案，使他們能夠適應(yīng)并處理好新的網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議，而不用從芯片供應(yīng)商那里購(gòu)買(mǎi)硬件，因?yàn)檫@些供應(yīng)商也會(huì)把同樣的解決方案賣(mài)給競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

本文將探討怎樣通過(guò)DSLAM線路卡的接入數(shù)據(jù)包處理器(APP)來(lái)解決上述難題。還將討論半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，介紹Ethernity Networks商用FPGA接入流處理器(AFP) ENET3000的體系結(jié)構(gòu)及其特性。

圖1 接入數(shù)據(jù)包處理器結(jié)構(gòu)圖

下一代接入集中線路卡處理要求
理想的APP對(duì)吞吐量和靈活性有較高的要求，而且能夠更新，通過(guò)降低功耗來(lái)解決這些挑戰(zhàn)，滿足下一代DSLAM的發(fā)展需求，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1 吞吐量
APP必須具備足夠的吞吐量才能實(shí)現(xiàn)所有介質(zhì)和特定線路終端模塊端口的無(wú)阻塞連接，同時(shí)還應(yīng)該能夠提供新的增值服務(wù)，提高客戶QoS。吞吐量應(yīng)該是確定的，不隨網(wǎng)絡(luò)流量?jī)?nèi)部處理功能的變化而變化。APP必須能夠根據(jù)端口、服務(wù)和方向來(lái)靈活的劃分帶寬，同時(shí)保持較低的功耗和線路卡成本。

隨著多業(yè)務(wù)服務(wù)中視頻服務(wù)的展開(kāi)，對(duì)DSLAM線路卡吞吐量和APP性能的要求提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)(每端口30Mb/s)。每個(gè)端口不但要提供更大的吞吐量，而且多業(yè)務(wù)服務(wù)還要求將線路卡視頻流轉(zhuǎn)發(fā)到某些提供特殊服務(wù)的端口上。DSL集中帶寬不會(huì)大幅度過(guò)載。對(duì)視頻流的需求非常大，并且持續(xù)不變，要求DSL純數(shù)據(jù)服務(wù)能夠承受較大的過(guò)載。必須根據(jù)最差性能來(lái)衡量APP非確定性吞吐量，以確保處理復(fù)雜協(xié)議時(shí)所承諾的服務(wù)速率不受影響。

假定每端口每一路高清晰(HD)視頻流為6Mb/s，三路HD廣播或者視頻點(diǎn)播通道，那么一個(gè)72端口ADSL2+線路卡對(duì)于視頻就需要處理2.5Gb/s以上的吞吐量。一個(gè)32端口VDSL線路卡每端口提供100M/100M服務(wù)，將需要? 5.0Gb/s的速率。舉另外一個(gè)例子，遠(yuǎn)端48端口DSLAM需要額外的吉比特吞吐量來(lái)支持連接到一個(gè)環(huán)路上的多個(gè)DSLAM。

2 靈活性
理想的APP為線路卡提供合適的接口和數(shù)據(jù)包處理能力。由于接入設(shè)備供應(yīng)商為他們的平臺(tái)提供系列線路卡產(chǎn)品，因此，理想的APP設(shè)備必須能夠成系列，或者具有靈活的接口。如果APP提供很多接口來(lái)滿足所有的要求，那么，在設(shè)計(jì)線路卡時(shí)不得不增大電路板面積，為支持某些不需要的功能而提高了成本和功耗。更糟糕的是，如果APP不支持必須的接口，達(dá)不到某些要求，那么，或者不能使用，或者需要連接其他的外部器件和邏輯才能正常工作。

理想的APP應(yīng)該支持多種協(xié)議，包括PPPoA、IPoA、PPPoEoA、EoA、標(biāo)簽以太網(wǎng)、SNAP、Q-in-Q、MAC-in-MAC、MPLS等，并且非常靈活，能夠輕松處理某些目前還沒(méi)有成文的協(xié)議。

3 可更新能力
盡管高速多端口線路卡需要足夠的吞吐量，而其他線路卡需要的解決方案應(yīng)具有較低的價(jià)格(包括外部存儲(chǔ)器)、較低的功耗，以及較小的電路板面積。系統(tǒng)供應(yīng)商在多種產(chǎn)品中使用相同的技術(shù)和元件，利用同一供貨商，延長(zhǎng)了產(chǎn)品生命周期，因此，APP也應(yīng)該非常靈活，可以更新，能夠在產(chǎn)品中加入更多的功能和應(yīng)用。系統(tǒng)供應(yīng)商在尋找一種通用的交互工作和流量管理解決方案，適用于ADSL和VDSL，以及以太網(wǎng)和PON，從而提高了原始設(shè)備生產(chǎn)商(OEM)的產(chǎn)品更新能力，降低了運(yùn)營(yíng)商資金投入(CAPEX)，優(yōu)化了運(yùn)營(yíng)支出(OPEX)。

4 低功耗
APP及其相關(guān)存儲(chǔ)器的功耗必須在系統(tǒng)預(yù)算范圍內(nèi)。有的設(shè)計(jì)不需要外部電源，系統(tǒng)總功耗受雙絞線的限制。當(dāng)?shù)谝淮伍_(kāi)發(fā)DSLAM平臺(tái)時(shí)，為現(xiàn)有平臺(tái)設(shè)計(jì)的線路卡面臨嚴(yán)格的預(yù)算限制。如果APP明顯低于其功耗預(yù)算，那么系統(tǒng)將具有更高的可靠性，平臺(tái)在卡的數(shù)量和類(lèi)型上更具靈活性(平臺(tái)的最大配置)。為新系統(tǒng)設(shè)計(jì)的線路卡也面臨嚴(yán)格的功耗預(yù)算。低功耗APP具有很大的優(yōu)勢(shì)，包括更低的系統(tǒng)成本，更高的系統(tǒng)可靠性以及更大的端口密度等。

實(shí)現(xiàn)通用線路終端處理
與在功能、性能和成本上具有一定優(yōu)勢(shì)的數(shù)據(jù)包處理器和網(wǎng)絡(luò)處理器相比，ENET3000具有獨(dú)特的體系結(jié)構(gòu)，支持使用低成本FPGA，結(jié)合DDR2存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的功能，且更加靈活。ENET系列采用Altera Cyclone II EP2C70 FPGA時(shí)支持5Gb/s，采用Stratix II FPGA (EP2S90和EP2S130)時(shí)能夠支持20Gb/s。

Ethernity的ENET3000充分利用了標(biāo)準(zhǔn)的ASIC開(kāi)發(fā)移植，以最具成本效益的方式采用FPGA實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的大批量設(shè)計(jì)。模板和開(kāi)發(fā)成本的大幅度提高使得只有大批量應(yīng)用能夠負(fù)擔(dān)得起在前沿處理器中實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。Altera的Cyclone II和Stratix II系列采用了90nm工藝，與這些前沿處理技術(shù)相比，具有更強(qiáng)的邏輯密度、速率、功耗和成本優(yōu)勢(shì)。

Ethernity ENET3000 AFP和Altera Cyclone II FPGA相結(jié)合，在高密度、低成本FPGA上實(shí)現(xiàn)了效率更高的體系結(jié)構(gòu)。ENET3000處理分類(lèi)、成幀、數(shù)據(jù)包編輯、轉(zhuǎn)發(fā)以及流水線微引擎中的所有流量管理工作。由于ENET3000體系結(jié)構(gòu)中的邏輯效率非常高，與基于RISC的典型網(wǎng)絡(luò)APP相比，只需要25％的邏輯便能夠滿足要求。這種高效的邏輯結(jié)構(gòu)可以在Altera Cyclone II FPG A中實(shí)現(xiàn)1～5Gb/s FPGA AFP低成本解決方案，也可以在Stratix II FPGA中實(shí)現(xiàn)支持5～20Gb/s的高性能解決方案。

在APP體系結(jié)構(gòu)中提供可配置模塊重新定義了寬帶接入線路卡設(shè)計(jì)，提高了靈活性和更新能力，節(jié)省了成本。AFP在單個(gè)模塊化結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了多種線路接口類(lèi)型和可編程交互工作?？苫Q線路接口單元以最具成本效益的方式加入服務(wù)接口類(lèi)型和定制線路卡，精確的滿足端口數(shù)量和數(shù)據(jù)包處理線路卡需求。這些功能幫助設(shè)計(jì)人員根據(jù)需要在每個(gè)端口使用合適的線路接口，而不用設(shè)計(jì)單獨(dú)的線路卡?？芍匦屡渲?、根據(jù)需要而構(gòu)建的實(shí)施方法切實(shí)降低了成本。逐步增加帶寬能夠適應(yīng)今后的發(fā)展需求和不斷變化的流量類(lèi)型，避免了使用昂貴而又不常用的端口。

在固定線路卡體系結(jié)構(gòu)中，對(duì)不同端口數(shù)量和服務(wù)類(lèi)型的需求迫使TEM根據(jù)不同的數(shù)據(jù)包處理器來(lái)實(shí)施多種線路卡設(shè)計(jì)，不但提高了啟動(dòng)成本，而且只能采用專(zhuān)用帶寬解決方案。隨著開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)規(guī)模的擴(kuò)大，不具有靈活性還增加了總體擁有成本，限制了跨平臺(tái)進(jìn)行更新。

相反，在單個(gè)可重新配置接入數(shù)據(jù)包處理器體系結(jié)構(gòu)中加入多種服務(wù)類(lèi)型和端口能夠有效的降低系統(tǒng)總體擁有成本，提供可更新的帶寬無(wú)關(guān)解決方案。靈活的線路接口和協(xié)議交互工作功能提高了網(wǎng)絡(luò)性能，促進(jìn)了多業(yè)務(wù)融合，同時(shí)降低了運(yùn)營(yíng)復(fù)雜度，節(jié)省了開(kāi)支。AFP獨(dú)特的功能還實(shí)現(xiàn)了靈活的接入線路卡設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了今后的更新。

表1列出了在固定接入線路卡體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)多路線路卡的開(kāi)發(fā)成本。每一解決方案基于不同的網(wǎng)絡(luò)或者數(shù)據(jù)包處理器，假定無(wú)阻塞解決方案中，所有端口都工作在線路速率上。

表2列出了基于通用線路終端體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)成本。對(duì)比表1和表2，采用可重新配置接口的通用線路終端處理器大大降低了DSLAM設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)總成本。

所有線路終端模塊上使用單一的生產(chǎn)和設(shè)計(jì)平臺(tái)，TEM在OPEX和CAPEX不變的同時(shí)，開(kāi)發(fā)成本降低了70%。

ENET3000 FPGA接入流處理器滿足了TEM線路卡的要求
Ethernity Networks的ENET3000 AFP具有5Gb/s性能，功耗非常低，能夠處理目前的網(wǎng)絡(luò)流量，而且可以靈活地適應(yīng)新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和流量管理要求。ENET3000基于多個(gè)微引擎，提供直觀的可編程模塊支持新協(xié)議，32個(gè)搜索表具有可編程功能，搜索128 000個(gè)輸入，進(jìn)行可編程數(shù)據(jù)包編輯和高級(jí)流量管理，從而實(shí)現(xiàn)了靈活的分類(lèi)和轉(zhuǎn)發(fā)。通過(guò)在FPGA中實(shí)現(xiàn)ENET3000 AFP解決方案，接入設(shè)備設(shè)計(jì)人員能夠充分利用FPGA的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，包括接口定制、現(xiàn)場(chǎng)更新和處理其他的電路板邏輯等，從而縮短了開(kāi)發(fā)周期，加快了原型設(shè)計(jì)。與標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)處理器相比，這些特性突出了ENET3000的性能，進(jìn)一步提高了接入設(shè)備設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。

結(jié)論
線路終端接入數(shù)據(jù)包處理器的設(shè)計(jì)要求較多，必須滿足這些要求才能解決DSLAM、OLT和MSAN寬帶接入線路卡的設(shè)計(jì)難題。ENET3000等基于FPGA的接入流處理器在一個(gè)芯片上結(jié)合了FPGA的可配置功能、性能、可更新特性和結(jié)構(gòu)化ASIC技術(shù)，同時(shí)還具有定制接入數(shù)據(jù)包處理器體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。其可更新能力、靈活性以及低成本特性使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)崿F(xiàn)多種可編程接入數(shù)據(jù)包處理器解決方案，突出產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)定制數(shù)據(jù)包處理，將產(chǎn)品盡快推向市場(chǎng)。