XS-TCAM-104x320：基于FPGA的TCAM開源實現（一）
發布時間：2018-03-06
當前FAST開源項目中通用匹配引擎（GME）規則匹配能力有限，只支持64條規則長度為512比特的帶掩碼匹配功能，對需要大量規則匹配的環境，只能采用片外的TCAM器件。
為此，湖南新實網絡科技有限公司基于FPGA內部的查找表邏輯和RAM資源，設計實現了具有TCAM功能的IP核——XS-TCAM-104x320。目前XS-TCAM-104x320 IP的源代碼已經開源，對提升FAST流水線查表引擎的能力具有重要意義。
一、XS-TCAM-104x320的基本指標
目前實現的指標：
1．編譯速率：125Mhz
2．規則條數：320條
3．LUT資源：16799
4．RAM(M10K)資源：368
5．查詢周期：首次單條規則查詢12周期出結果，后續連續查詢則1個時鐘周期出結果。
二、XS-TCAM-104x320的實現原理
針對FAST前期版本支持流表項條目少的不足，目前對查找算法進行了改進，實現了XS-TCAM-104x320 IP，其優點如下：
1.支持按優先級查找匹配；
2.支持硬件進行規則更新；
3.支持規則條目的按需擴展；
4.支持匹配域關鍵字的按需擴展；
5.支持規則查找/更新按掩碼匹配；
6.采用流水化并行的處理方式可實現高速查找匹配。
1、設計思想：
XS-TCAM-104x320 IP使用二維數組的存儲方式，并行的進行規則更新及查找匹配，并采用流水化的方式實現多條規則匹配查找，從而實現高效快速的分類查找的目的。另外，此算法支持靈活的匹配域及流表表項的擴展能力，可滿足將來匹配域擴展及流表表項擴展的需求。
XS-TCAM-104x320 IP是基于FPGA每個內嵌RAM塊可配置成512*20的雙端口RAM進行的實現，圖1為XS-TCAM-104x320 IP基本處理結構圖，由于RAM塊為512*20因此切分的匹配域關鍵字（Key）為9位，查找邏輯以9位Key為查找地址對表項進行訪問，得到20位的規則索引標識位，優先級選擇器則根據優先級輸出最高優先級的規則索引。此算法將索引0位的規則定義為最高優先級的索引位。
圖1 XS-TCAM-104x320 IP基本處理結構圖
參照圖2，圖2為流表匹配域的存儲結構圖，其為512*20的RAM存儲塊，在此可視為512*20的二維數組，其中行地址512個，為匹配域關鍵字（Key）字段；列地址為20個，為規則索引字段(Index)。圖2將9位的Key作為地址查找RAM（Key=00111_1111），查找出的結果為此關鍵字段命中的20條規則的索引標識位（Index_Bitmap）為0_0005，其中第0，2，位為1，表示該key匹配了上述2條規則。由于0為高優先級位，因此0號索引被輸出。
圖2 流表匹配域存儲結構圖
2、規則長度擴展
對于104位的五元組信息，需12個9*20TCAM_CORE即可實現，輸出的bitmap進行比特與即可得到匹配的bitmap，如圖3所示；
圖3 規則長度擴展到五元組處理流程圖
最后，通過優先級選擇器選擇優先級比較高的索引輸出。
3、規則數目擴展
通過TCAM_Block模塊可以實現規則數目的擴展，如圖4所示，通過將不同的規則對應到不同TCAM_Block模塊的Bitmap中，則可以并行的擴展規則的數目。通過此方式在資源允許的情況下可以無限制的擴展。
圖4 規則擴展結構圖
目前基于Altera A5 FPGA 的FAST架構只實現的320條規則，若用戶需要更多表項即可按需擴展。
三、XS-TCAM-104x320的代碼說明
以下為XS-TCAM-104x320的頂層代碼其主要分為四部分：時鐘復位接口、規則配置接口、匹配關鍵字Key輸入接口以及規則輸出索引號Index_ID具體如下圖5所示，其Quartus II 中代碼結構如圖6所示，代碼文件如表1所示。
圖5 XS-TCAM-104x320 IP頂層接口圖
圖6 XS-TCAM-104x320的代碼結構
XS-TCAM-104x320的代碼文件說明如表1所示:
目前XS-TCAM-104x320已經完成調測試，在FAST未來發展規劃中，XS-TCAM-104x320將作為重要的改進特性加入到FAST流水線的GME中。我們后續將對XS-TCAM-104x320的使用方法進行進一步介紹。
目前XS-TCAM-104x320 IP代碼可訪問www.fastswitch.org，選擇“代碼”選項卡，點擊FAST UM，點擊如下按鈕開始下載：
