FAST基本的流水線由5個通用功能模塊組成，可支持基本的OpenFlow轉發功能。通過對基本流水線擴展，可以實現更加復雜的交換功能。
一、基本硬件流水線結構
FAST基本流水線包含通用分組解析（GPP）、通用關鍵字提取（GKE）、通用匹配引擎（GME）、通用轉發動作（GAC）和通用輸出引擎（GOE）五個模塊，以及一個分組緩沖區（Buffer），如下圖所示。由于Buffer對軟件是不可見的，與具體的分組處理功能無關，因此不是FAST的硬件模塊，也沒有MID編號。
GPP將到達的分組按照到達的先后順序將分組寫入Buffer緩存，同時提取分組的前128字節作為分組頭向量（PHV）隨分組元數據（M）在模塊間傳遞，模塊GAC以此將分組從Buffer讀出，重新與元數據組合，發往GOE模塊。在GPP將分組緩存，只在流水線中傳遞PHV的優點是簡化流水線的設計，避免變長報文對流水線處理性能的影響。
M和PHV在Verilog中分別定義為256位和1024位的向量，KEY定義為296位（IPv6五元組）的向量，因此上游模塊使用1個時鐘周期即可將M、PHV以及KEY信息傳遞到下游模塊。
二、流水線的處理流程
（1）GPP模塊
GPP模塊解析到達分組的L2-L4層協議，將解析結果寫入分組元數據中8比特的PST字段。PST編碼中0XXXXXXX編碼對應IPv4相關協議，1XXX XXXX編碼對應IPv6相關協議。0000 0000表示未識別的協議。
目前GPP支持的PST編碼類型如下：
GPP模塊同時負責把分組送報文緩沖區按照先進先出的方式緩存，同時生成每個分組的PHV，與分組元數據一起向流水線下游傳送。
（2）GKE模塊
GKE負責根據元數據中德PST值，從PHV中提取查表關鍵字。當分組PST確定時，關鍵字在PHV中具有確定的位置。例如，對于提取IPv4/TCP/UDP報文的五元組，可離線計算得：IPv4源IP地址到以太網幀起始的偏移量為26（208bit）字節，目的IP偏移量為30字節（240bit）。協議域偏移為23字節（184bit），TCP/UDP源和目的端口號分別為34（272bit）和36（288bit）字節。顯然，如果在關鍵字提取時需要TCP的SYN等標志位，可以計算這些標志位的偏移量，直接賦值即可。用Verilog描述的IPv4五元組關鍵字提取代碼如下圖所示。
GKE支持對IPv4/IPv6的TCP/UDP/ICMP五元組提取（ICMP沒有端口號），其中IPv4和IPv6的關鍵字具有不同的格式。
（3）GME模塊
GME模塊實現類似TCAM的功能，將包含五元組的key與TCAM中的帶掩碼的五元組規則進行匹配，返回匹配的FlowID，如果匹配不命中，FlowID為全0。GME將返回的flowID信息填寫到元數據的FlowID字段中。
不同的FPGA平臺上，GME的匹配有不同的實現方法，以及不同的規則數目和規則寬度等。實現方式也可能是使用FPGA片外的TCAM芯片，或者FPGA片內的TCAM邏輯。
由于GME輸入的KEY可能有多種格式，因此GME講KEY與元數據中協議類型（PST）字段合并組成查表關鍵字，軟件在配置查表規則時，不同格式的規則前面要帶上不同的PST編碼。
（4）GAC模塊
GAC模塊包含Action表，通常表項的大小與FlowID的寬度有關。例如系統支持4K條五元組標識的流，那么FlowID的寬度為12，在GAC中的Action表也有4K項。每個Action表包含對分組的轉發操作，包括丟失，轉發到特定輸出端口，或送到特定的軟件UA處理等。GAC根據轉發操作相關更新分組元數據中的字段，信息同時將分組從Buffer中讀出，與元數據一起發給下游模塊。
GAC實現對分組元數據中OutPort、Discard、DMID等域的修改，決定分組的轉發交換行為。
（5）GOE模塊
GOE模塊負責FAST流水線輸出分組的處理，主要包含以下2個功能。一是根據配置對FlowID/DMID標識流的令牌桶限速，例如作為OpenFlow交換機實現時，GOE可以控制Packet-in分組（DMID為OpenFlow通道控制器）的流量，二是對丟棄分組的計數。由于分組在Buffer中是順序存儲的，因此即使GAC之前的模塊不能隨意丟棄分組或者分組元數據。GPP等模塊如果決策要丟棄分組時，需將分組元數據中的Discard位置位，將DMID設置為GOE的MID，這樣分組就會旁路掉GOE模塊前其他模塊的處理，直到GOE模塊。GOE模塊實現對分組的丟棄，并進行統計計數。
顯然，FAST基本流水線只實現了最基本的分組處理功能，如何通過流水線擴展實現更加復雜的分組處理將在后續文章中介紹。
