三态内容寻址存储器tacm介绍幻灯片

1、TCAM基础知识培训,1,课程内容,第一章：TCAM基础 第二章：TCAM芯片介绍 第三章：附录,2,课程内容,第一章：TCAM基础 第1节：什么是CAM和TCAM 第2节：TCAM的查找 第3节：TCAM的优势 第4节：TCAM的基本组成 第5节：“三态”和最高优先级匹配,3,什么是CAM,CAM: Content Addressable Memory，内容寻址存储器。 一个并行比较处理器，也被称作NSE (Network Search Engine) 能够象RAM一样进行写操作： 输入地址和数据，将数据写到指定的地址上。 能够象RAM一样进行读操作： 输入地址，返回该地址上的数据。 查找操

2、作： 输入（待查）数据，返回该数据被存储的地址。 这是CAM的主要用途，它能够从巨大的Database中进行快速查找，并返回最佳匹配的地址。,4,什么是TCAM,TCAM:Ternary Content Addressable Memory ,三态内容寻址存储器。 一般CAM存储器中每一bit的状态只有两个，非“0”即“1” ；TCAM中每bit数据还有第三种状态“dont care”，所以称为“三态”，它是通过掩码来进行实现的。 目前主要的供应商有：Netlogic、Cypress、IDT。,5,查找系统,CAM在系统中的位置：,PHY,Framer,Traffic Manager,ASIC

3、或者 NPU,TCAM,Associated Data RAM （optional),CAM和网络处理器(NP)一起完成数据包的分类、路由查找等功能，充当 搜索引擎单元 .,6,课程内容,第一章：TCAM基础 第1节：什么是CAM和TCAM 第2节：TCAM的查找 第3节：TCAM的优势 第4节：TCAM的基本组成 第5节：“三态”和最高优先级匹配,7,TCAM子系统的查找过程,NPU/ASIC,RAM,TCAM,KEY,INDEX,DATA,一个典型的TCAM子系统的查找过程：,准备查找： NP从报文头提取信息，整理成与TCAM中待查表一致的数据格式，称为Key。 查找： 将Key送入TCA

4、M与待查表中的所有表项对照，匹配到后将对应地址INDEX送到 RAM中。 查找后的处理： 最后 RAM将对该报文的处理信息 DATA返回给NP 。,8,TCAM的应用范围之一,ATM switching VCI/VPI translation ATM-to-MLPS or ATM-to-TCP-Flow mapping Ethernet switching layer 2 MAC address searches Address Resolution Protocol (ARP) Emerging Protocols and functions MPLS label searches,9,两个

5、典型应用之路由查找,IP PACKET,ROUTER,?,ROUTER,ROUTER,ROUTER,R3,R5,R4,IP PACKET,PROTOCOL TYPE,IP SRC ADDR,IP DEST ADDR,SRC PORT#,DEST PORT#,DATA,查找Key:,,,R3,路由表：,,,R4,R5,根据目的地址查找下一跳：,下一跳？,TCAM,RAM,INDEX,PACKET TO R4,10,TCAM的应用范围之二,Packet Classification: Enforce security

6、 Enforce departmental policies Quality of Service 包的分类可以决定这个包是否应该被转发，如果要被转发，要给予什么样的优先级。,11,两个典型应用之包分类处理,报文处理策略选择： Telnet 和 FTP给予了不同的服务等级； SMTP(email)被某一个特定的服务器截收了（安全问题）；,*,2,*,*,*,225.142.11.*,TCP,25,23,21,Low priority,Deny,Low latency,源地址 目的地址 协议 端口 处理策略,TCP,TCP,IP PACKET,ROUTER,Telnet

7、,FTP,SMTP,IP PACKET,IP PACKET,?,如何处理？,TCAM,SRAM,12,TCAM基础知识培训,第一章：TCAM基础 第1节：什么是CAM和TCAM 第2节：TCAM的查找 第3节：TCAM的优势 第4节：TCAM的基本组成 第5节：“三态”和最高优先级匹配,13,为什么需要TCAM,疑问： 上面所说的功能不用TCAM就能实现，为什么要还要TCAM呢？ 答案就是： 速度！,14,传统的查找方法,基于SRAM的的查找方法： 软件算法的实现方式,1.线性查找,AFCD,1122,CCDD,AAAA,SRAM,address,data,2.二叉树查找,3,4,5,6,7,

8、8,9,5,3.HASH查找 .,15,基于CAM的查找,基于TCAM的查找： 基于硬件的实现，整个表空间Database在同一时刻被查询：,1,*,0,1,0,1,*,0,1,1,0,0,0,0,1,1,1,0,1,1,1,0,0,1,1,1,0,0,0,0,1,0,1,0,1,0,1,1,0,0,0,0,1,0,*,1,1,0,3,1,2,4,5,1,1,0,1,1,0,*,*,*,Keyword:,TCAM:,Add=4,Associated DATA,RAM,匹配4,DATA,16,TCAM的优势,TCAM的优势： 单周期查找； 平均查找速度是基于SRAM算法查找的6倍； 最坏情况下，

9、查找速度提高128倍；,17,TCAM基础知识培训,第一章：TCAM基础 第1节：什么是CAM和TCAM 第2节：TCAM的查找 第3节：TCAM的优势 第4节：TCAM的基本组成 第5节：“三态”和最高优先级匹配,18,CAM和Memory的基本单元,SRAM的基本单元：,19,CAM的基本单元,CAM的基本单元：,20,TCAM的基本单元,TCAM的基本单元：,21,TCAM基础知识培训,第一章：TCAM基础 第1节：什么是CAM和TCAM 第2节：TCAM的查找过程 第3节：TCAM的优势 第4节：TCAM的基本组成 第5节：“三态”和最高优先级匹配,22,表项掩码,表项掩码（三态的实现

10、方式）： TCAM的基本单元为待查找的表项，每个表项包括表项数据Data Word、 表项掩码Local Mask。 Local Mask某位为1（有的厂商规定是0）时，相对应的 Data Word位被屏蔽，不参与比较。,1,0,0,1,0,0,1,0,Data Word,Local Mask,1,*,0,1,0,0,1,0,0,1,0,0,0,0,0,0,表项：,等效于,*表示“do not care”,23,精确匹配,精确匹配： 不使用掩码，所有的掩码位是0，进行精确匹配。,1,0,0,1,0,1,0,1,1,1,0,0,1,0,1,1,1,0,1,1,1,0,0,1,1,1,0,0,0,

11、1,1,1,1,0,1,1,1,0,0,0,0,0,1,1,0,1,1,0,3,1,2,4,5,1,1,0,1,1,0,1,1,1,Key:,logic,Winner,A,B,C,D,E,F,24,最高优先级匹配,1,0,0,1,0,1,0,1,1,1,0,0,1,0,1,1,1,0,1,1,1,0,0,1,1,1,0,0,0,1,1,1,1,0,1,1,1,*,0,0,0,*,*,*,*,1,1,0,3,1,2,4,5,1,1,0,1,1,0,1,1,1,Key:,logic,Winner,TCAM的最高优先级匹配功能： 由于有“dont care”即三态的存在，所以一个Key值可能有多个匹

12、配。 当一个Key存在多个匹配的时候，匹配经过逻辑单元比较返回匹配程度最高的 表项。(在IPV4路由中经常出现),A,B,C,D,E,F,25,课程内容,第二章：TCAM芯片介绍 第1节：几种TCAM芯片介绍 第2节：NL3280介绍 第3节：Netlogic和IDT的Roadmap,26,几种TCAM芯片介绍,27,课程内容,第二章：TCAM芯片介绍 第1节：几种TCAM芯片介绍 第2节：NL3280介绍 第3节：Netlogic和IDT的Roadmap,28,NL3280的结构,NL3280是Netlogic公司生产的18Mbit的TCAM芯片，芯片结构图如下：,29,NL3280与NP的

13、连接结构,TCAM,RAM,NPU/ASIC,KEY,DATA,ADDR,INDEX,1、 NP将要查找的数据Key送到TCAM中， 2、TCAM找到匹配项后将地址INDEX直接返回给NP, 3、NP再用地址ADDR(可能经过转换)在RAM中读取所需 数据,30,NL3280的信号,Netlogic NL3280的主要接口信号有：,数据总线DBUS71:0:数据（地址）的输入与输出 指令总线IBUS7:0:指令输出。 结果返回总线RBUS24:0:返回查找的结果。,Netlogic NL3280几个特殊信号有：,RD_ACK:读操作时指示数据总线上的数据有效。 SMF_L0:系统匹配标志位。

14、RV:结果有效位，指示RBUS上的数据有效,31,NL3280的Database,NL3200内部可以分为16个独 立的block，每个block可以配置成 16K x 72bit，8K x 144bit， 4K x 288bit，2kx576bit；,32,Database record,NL3280中的基本单元是表项，每个表项包括一个72bit的Data Word数据项和一个 Local Mask Word的掩码项。当掩码为“1”时相对应的数据位不参与比较。 此外还有一位校验位Parity和一位有效位VBIT,当VBIT为1时表示此表项无效果， 不参加比较操作。,33,块结构,每一个Blo

15、ck有8个块掩码寄存器，块掩码寄存器用来屏蔽所在列的数据， 当块掩码寄存器设置为1时，相对应的整列都被屏蔽。,34,NL3280的寄存器,块设置寄存器BCR ： 用来设置逻辑表ID和位宽 ; 块掩码寄存器BMR:用来设置块掩码； 数据寄存器DR：用来写入搜索的关键字和数据，是个只写寄存器； 设备ID寄存器DIR：用来设置设备的ID号； 逻辑表寄存器LTR:用来设置逻辑表ID、逻辑表ID掩码、和选择块掩码； 结果寄存器RR:保存返回的INDEX和ID号等，是个只读寄存器； 设备配置寄存器DCR:存储版本号、容量等芯片相关信息。,NL3200的主要寄存器有：,35,NL3280的初始化,初始化的要

16、求步骤如下： Setp1 保持RST_L信号为低至少200个时钟周期； Setp2 将RST_L拉高，发出20,000个NOP命令； Setp3 写器件ID寄存器； Setp4 写器件配置ID寄存器； Setp5如果器件级联，则运行指令0X01 (使能下个器件)，和0X00（ nop指令） Setp6重复第三到五步 ; Setp7 写Block 寄存器，设置逻辑表ID和位宽配置； Setp8 写Block Mask寄存器；,36,NL3200的初始化,Step9 写Logical Table 寄存器，设置逻辑表ID、逻辑表ID掩码和被选择的Block Mask; Step10 写入并定义所有的

17、表项数据和掩码； Step11 发比较操作指令。,37,NL3280的基本操作,NL3280的基本操作： 读操作：和RAM类似，地址和数据在DBUS总线上复用； 写操作：和RAM类似； 查找操作：TCAM的主要操作，用户提供待查数据，TCAM返回储存此数据 的地址,38,读操作,读操作： 可以分为三种类型，读寄存器，读表项数据，读表项掩码，对应IBUS 7:0的值如下表。,读操作主要用于从TCAM中读取表项和寄存器的内容，通过IBUS总线向TCAM 发出读操作码，通过DBUS送地址到TCAM中，读的结果由DBUS返回,39,读操作,当Local Mask Word位是1的时候，相应的Data Word位读出的数据总是0， 如下表所示：,40,读操作,读操作的时序：,41,写操作,写操作： 写操作比较特殊，分为寄存器、删除表项、写表项操作。对应的指令如下 表所示：,42,写操作,写寄存器：,43,写操作,写表项：,44,写操作,删除表项：,45,Compare操作,每两个时钟周期，可一执行一次Compare操作，Rbus总线保持两个时钟周期,46,Compare操作,Data Register71:0必须是最后一个被写入的Data Segment,其它Data Segment 的写入次序随意。,47,课程内容,第二章：TCAM芯片