三態(tài)內(nèi)容尋址存儲(chǔ)器tacm介紹

TCAM基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)

2021/6/271課程內(nèi)容第一章：TCAM基礎(chǔ)第二章：TCAM芯片介紹第三章：附錄2021/6/272課程內(nèi)容第一章：TCAM基礎(chǔ)

第1節(jié)：什么是CAM和TCAM第2節(jié)：TCAM的查找第3節(jié)：TCAM的優(yōu)勢(shì)第4節(jié)：TCAM的基本組成第5節(jié)：“三態(tài)”和最高優(yōu)先級(jí)匹配2021/6/273什么是CAMCAM:ContentAddressableMemory，內(nèi)容尋址存儲(chǔ)器。一個(gè)并行比較處理器，也被稱作NSE(NetworkSearchEngine)能夠象RAM一樣進(jìn)行寫(xiě)操作：輸入地址和數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)寫(xiě)到指定的地址上。能夠象RAM一樣進(jìn)行讀操作：輸入地址，返回該地址上的數(shù)據(jù)。查找操作：輸入（待查）數(shù)據(jù)，返回該數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)的地址。

這是CAM的主要用途，它能夠從巨大的Database中進(jìn)行快速查找，并返回最佳匹配的地址。2021/6/274什么是TCAMTCAM:TernaryContentAddressableMemory,三態(tài)內(nèi)容尋址存儲(chǔ)器。一般CAM存儲(chǔ)器中每一bit的狀態(tài)只有兩個(gè)，非“0”即“1”；TCAM中每bit數(shù)據(jù)還有第三種狀態(tài)“don’tcare”，所以稱為“三態(tài)”，它是通過(guò)掩碼來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的。目前主要的供應(yīng)商有：Netlogic、Cypress、IDT。

2021/6/275查找系統(tǒng)CAM在系統(tǒng)中的位置：PHYFramerTrafficManagerASIC或者NPUTCAMAssociatedDataRAM（optional)

CAM和網(wǎng)絡(luò)處理器(NP)一起完成數(shù)據(jù)包的分類、路由查找等功能，充當(dāng)搜索引擎單元.2021/6/276課程內(nèi)容第一章：TCAM基礎(chǔ)第1節(jié)：什么是CAM和TCAM

第2節(jié)：TCAM的查找第3節(jié)：TCAM的優(yōu)勢(shì)第4節(jié)：TCAM的基本組成第5節(jié)：“三態(tài)”和最高優(yōu)先級(jí)匹配2021/6/277TCAM子系統(tǒng)的查找過(guò)程N(yùn)PU/ASICRAMTCAMKEYINDEXDATA一個(gè)典型的TCAM子系統(tǒng)的查找過(guò)程：準(zhǔn)備查找：

NP從報(bào)文頭提取信息，整理成與TCAM中待查表一致的數(shù)據(jù)格式，稱為Key。查找：

將Key送入TCAM與待查表中的所有表項(xiàng)對(duì)照，匹配到后將對(duì)應(yīng)地址INDEX送到

RAM中。查找后的處理：

最后

RAM將對(duì)該報(bào)文的處理信息

DATA返回給NP。

2021/6/278TCAM的應(yīng)用范圍之一ATMswitching

VCI/VPItranslationATM-to-MLPSorATM-to-TCP-FlowmappingEthernetswitchinglayer2MACaddresssearchesAddressResolutionProtocol(ARP)EmergingProtocolsandfunctions

MPLSlabelsearches2021/6/279兩個(gè)典型應(yīng)用之路由查找IPPACKETROUTER?ROUTERROUTERROUTERR3R5R4IPPACKETPROTOCOLTYPEIPSRCADDRIPDESTADDRSRCPORT#DESTPORT#DATA查找Key:R3路由表：R4R5根據(jù)目的地址查找下一跳：下一跳？TCAMRAMINDEXPACKETTOR42021/6/2710TCAM的應(yīng)用范圍之二PacketClassification:

EnforcesecurityEnforcedepartmentalpoliciesQualityofService

包的分類可以決定這個(gè)包是否應(yīng)該被轉(zhuǎn)發(fā)，如果要被轉(zhuǎn)發(fā)，要給予什么樣的優(yōu)先級(jí)。

2021/6/2711兩個(gè)典型應(yīng)用之包分類處理報(bào)文處理策略選擇：

Telnet和FTP給予了不同的服務(wù)等級(jí)；SMTP(email)被某一個(gè)特定的服務(wù)器截收了（安全問(wèn)題）；*2***225.142.11.*TCP252321LowpriorityDenyLowlatency源地址目的地址協(xié)議端口處理策略TCPTCPIPPACKETROUTERTelnetFTPSMTPIPPACKETIPPACKET?如何處理？TCAMSRAM2021/6/2712TCAM基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)第一章：TCAM基礎(chǔ)第1節(jié)：什么是CAM和TCAM第2節(jié)：TCAM的查找

第3節(jié)：TCAM的優(yōu)勢(shì)第4節(jié)：TCAM的基本組成第5節(jié)：“三態(tài)”和最高優(yōu)先級(jí)匹配2021/6/2713為什么需要TCAM疑問(wèn)：

上面所說(shuō)的功能不用TCAM就能實(shí)現(xiàn)，為什么要還要TCAM呢？答案就是：

速度！

2021/6/2714傳統(tǒng)的查找方法基于SRAM的的查找方法：

軟件算法的實(shí)現(xiàn)方式1.線性查找AFCD1122CCDDAAAASRAMaddressdata2.二叉樹(shù)查找3.HASH查找……..2021/6/2715基于CAM的查找基于TCAM的查找：基于硬件的實(shí)現(xiàn)，整個(gè)表空間Database在同一時(shí)刻被查詢：

1*0101*0110000111011100111000010101011000010*11031245110110***Keyword:TCAM:Add=4AssociatedDATARAM匹配4DATA2021/6/2716TCAM的優(yōu)勢(shì)TCAM的優(yōu)勢(shì)：?jiǎn)沃芷诓檎?；平均查找速度是基于SRAM算法查找的6倍；最壞情況下，查找速度提高128倍；

2021/6/2717TCAM基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)第一章：TCAM基礎(chǔ)第1節(jié)：什么是CAM和TCAM第2節(jié)：TCAM的查找第3節(jié)：TCAM的優(yōu)勢(shì)

第4節(jié)：TCAM的基本組成第5節(jié)：“三態(tài)”和最高優(yōu)先級(jí)匹配2021/6/2718CAM和Memory的基本單元SRAM的基本單元：2021/6/2719CAM的基本單元CAM的基本單元：2021/6/2720TCAM的基本單元TCAM的基本單元：2021/6/2721TCAM基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)第一章：TCAM基礎(chǔ)第1節(jié)：什么是CAM和TCAM第2節(jié)：TCAM的查找過(guò)程第3節(jié)：TCAM的優(yōu)勢(shì)第4節(jié)：TCAM的基本組成

第5節(jié)：“三態(tài)”和最高優(yōu)先級(jí)匹配2021/6/2722表項(xiàng)掩碼

表項(xiàng)掩碼（三態(tài)的實(shí)現(xiàn)方式）：TCAM的基本單元為待查找的表項(xiàng)，每個(gè)表項(xiàng)包括表項(xiàng)數(shù)據(jù)DataWord、表項(xiàng)掩碼LocalMask。LocalMask某位為1（有的廠商規(guī)定是0）時(shí)，相對(duì)應(yīng)的DataWord位被屏蔽，不參與比較。10010010DataWordLocalMask1*01001001000000表項(xiàng)：等效于*表示“donotcare”2021/6/2723精確匹配精確匹配：

不使用掩碼，所有的掩碼位是0，進(jìn)行精確匹配。

10010101110010111011100111000111101110000011011031245110110111Key:logicWinnerABCDEF2021/6/2724最高優(yōu)先級(jí)匹配1001010111001011101110011100011110111*000****11031245110110111Key:logicWinnerTCAM的最高優(yōu)先級(jí)匹配功能：

由于有“don’tcare”即三態(tài)的存在，所以一個(gè)Key值可能有多個(gè)匹配。

當(dāng)一個(gè)Key存在多個(gè)匹配的時(shí)候，匹配經(jīng)過(guò)邏輯單元比較返回匹配程度最高的表項(xiàng)。(在IPV4路由中經(jīng)常出現(xiàn))ABCDEF2021/6/2725課程內(nèi)容第二章：TCAM芯片介紹

第1節(jié)：幾種TCAM芯片介紹第2節(jié)：NL3280介紹第3節(jié)：Netlogic和IDT的Roadmap

2021/6/2726幾種TCAM芯片介紹生產(chǎn)廠商型號(hào)容量接口類型最大查找速度CypressNSE10K18MNSE266MSPSCypressNSE20K18MLA-1266MSPSNetlogicNL328018MNSE133MSPSNetlogicNSE551218MNSE133MSPSIDT75S10010A10MNSE250MLPSIDT75K7223418MLA-1250MLPS2021/6/2727課程內(nèi)容第二章：TCAM芯片介紹

第1節(jié)：幾種TCAM芯片介紹

第2節(jié)：NL3280介紹第3節(jié)：Netlogic和IDT的Roadmap

2021/6/2728NL3280的結(jié)構(gòu)NL3280是Netlogic公司生產(chǎn)的18Mbit的TCAM芯片，芯片結(jié)構(gòu)圖如下：2021/6/2729NL3280與NP的連接結(jié)構(gòu)TCAMRAMNPU/ASICKEYDATAADDRINDEX1、NP將要查找的數(shù)據(jù)Key送到TCAM中，2、TCAM找到匹配項(xiàng)后將地址INDEX直接返回給NP,3、NP再用地址ADDR(可能經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換)在RAM中讀取所需數(shù)據(jù)2021/6/2730NL3280的信號(hào)NetlogicNL3280的主要接口信號(hào)有：數(shù)據(jù)總線DBUS[71:0]:數(shù)據(jù)（地址）的輸入與輸出指令總線IBUS[7:0]:指令輸出。結(jié)果返回總線RBUS[24:0]:返回查找的結(jié)果。NetlogicNL3280幾個(gè)特殊信號(hào)有：RD_ACK:讀操作時(shí)指示數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)有效。SMF_L[0]:系統(tǒng)匹配標(biāo)志位。RV:結(jié)果有效位，指示RBUS上的數(shù)據(jù)有效2021/6/2731NL3280的DatabaseNL3200內(nèi)部可以分為16個(gè)獨(dú)立的block，每個(gè)block可以配置成16Kx72bit，8Kx144bit，4Kx288bit，2kx576bit；2021/6/2732DatabaserecordNL3280中的基本單元是表項(xiàng)，每個(gè)表項(xiàng)包括一個(gè)72bit的DataWord數(shù)據(jù)項(xiàng)和一個(gè)LocalMaskWord的掩碼項(xiàng)。當(dāng)掩碼為“1”時(shí)相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)位不參與比較。

此外還有一位校驗(yàn)位Parity和一位有效位VBIT,當(dāng)VBIT為1時(shí)表示此表項(xiàng)無(wú)效果，不參加比較操作。2021/6/2733塊結(jié)構(gòu)每一個(gè)Block有8個(gè)塊掩碼寄存器，塊掩碼寄存器用來(lái)屏蔽所在列的數(shù)據(jù)，當(dāng)塊掩碼寄存器設(shè)置為1時(shí)，相對(duì)應(yīng)的整列都被屏蔽。2021/6/2734NL3280的寄存器塊設(shè)置寄存器BCR：用來(lái)設(shè)置邏輯表ID和位寬;塊掩碼寄存器BMR:用來(lái)設(shè)置塊掩碼；數(shù)據(jù)寄存器DR：用來(lái)寫(xiě)入搜索的關(guān)鍵字和數(shù)據(jù)，是個(gè)只寫(xiě)寄存器；設(shè)備ID寄存器DIR：用來(lái)設(shè)置設(shè)備的ID號(hào)；邏輯表寄存器LTR:用來(lái)設(shè)置邏輯表ID、邏輯表ID掩碼、和選擇塊掩碼；結(jié)果寄存器RR:保存返回的INDEX和ID號(hào)等，是個(gè)只讀寄存器；設(shè)備配置寄存器DCR:存儲(chǔ)版本號(hào)、容量等芯片相關(guān)信息。NL3200的主要寄存器有：2021/6/2735NL3280的初始化初始化的要求步驟如下：Setp1保持RST_L信號(hào)為低至少200個(gè)時(shí)鐘周期；Setp2將RST_L拉高，發(fā)出20,000個(gè)NOP命令；Setp3寫(xiě)器件ID寄存器；Setp4寫(xiě)器件配置ID寄存器；Setp5如果器件級(jí)聯(lián)，則運(yùn)行指令0X01(使能下個(gè)器件)，和0X00（nop指令）

Setp6重復(fù)第三到五步;Setp7寫(xiě)B(tài)lock寄存器，設(shè)置邏輯表ID和位寬配置；Setp8寫(xiě)B(tài)lockMask寄存器；2021/6/2736NL3200的初始化Step9寫(xiě)LogicalTable寄存器，設(shè)置邏輯表ID、邏輯表ID掩碼和被選擇的BlockMask;Step10寫(xiě)入并定義所有的表項(xiàng)數(shù)據(jù)和掩碼；Step11發(fā)比較操作指令。2021/6/2737NL3280的基本操作NL3280的基本操作：

讀操作：和RAM類似，地址和數(shù)據(jù)在DBUS總線上復(fù)用；寫(xiě)操作：和RAM類似；查找操作：TCAM的主要操作，用戶提供待查數(shù)據(jù)，TCAM返回儲(chǔ)存此數(shù)據(jù)的地址2021/6/2738讀操作讀操作：可以分為三種類型，讀寄存器，讀表項(xiàng)數(shù)據(jù)，讀表項(xiàng)掩碼，對(duì)應(yīng)IBUS[7:0]的值如下表。讀操作主要用于從TCAM中讀取表項(xiàng)和寄存器的內(nèi)容，通過(guò)IBUS總線向TCAM發(fā)出讀操作碼，通過(guò)DBUS送地址到TCAM中，讀的結(jié)果由DBUS返回2021/6/2739讀操作當(dāng)LocalMaskWord位是1的時(shí)候，相應(yīng)的DataWord位讀出的數(shù)據(jù)總是0，如下表所示：2021/6/2740讀操作讀操作的時(shí)序：2021/6/2741寫(xiě)操作寫(xiě)操作：寫(xiě)操作比較特殊，分為寄存器、刪除表項(xiàng)、寫(xiě)表項(xiàng)操作。對(duì)應(yīng)的指令如下表所示：2021/6/2742寫(xiě)操作寫(xiě)寄存器：202