三態(tài)內(nèi)容尋址存儲器tacm介紹

TCAM基礎(chǔ)知識培訓(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)勢第4節(jié)：TCAM的基本組成第5節(jié)：“三態(tài)”和最高優(yōu)先級匹配2021/6/273什么是CAMCAM:ContentAddressableMemory，內(nèi)容尋址存儲器。一個并行比較處理器，也被稱作NSE(NetworkSearchEngine)能夠象RAM一樣進行寫操作：輸入地址和數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)寫到指定的地址上。能夠象RAM一樣進行讀操作：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)被存儲的地址。

這是CAM的主要用途，它能夠從巨大的Database中進行快速查找，并返回最佳匹配的地址。2021/6/274什么是TCAMTCAM:TernaryContentAddressableMemory,三態(tài)內(nèi)容尋址存儲器。一般CAM存儲器中每一bit的狀態(tài)只有兩個，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)”，它是通過掩碼來進行實現(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)勢第4節(jié)：TCAM的基本組成第5節(jié)：“三態(tài)”和最高優(yōu)先級匹配2021/6/277TCAM子系統(tǒng)的查找過程NPU/ASICRAMTCAMKEYINDEXDATA一個典型的TCAM子系統(tǒng)的查找過程：準備查找：

NP從報文頭提取信息，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對照，匹配到后將對應(yīng)地址INDEX送到

RAM中。查找后的處理：

最后

RAM將對該報文的處理信息

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。

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

Telnet和FTP給予了不同的服務(wù)等級；SMTP(email)被某一個特定的服務(wù)器截收了（安全問題）；*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)勢第4節(jié)：TCAM的基本組成第5節(jié)：“三態(tài)”和最高優(yōu)先級匹配2021/6/2713為什么需要TCAM疑問：

上面所說的功能不用TCAM就能實現(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：

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

1*0101*0110000111011100111000010101011000010*11031245110110***Keyword:TCAM:Add=4AssociatedDATARAM匹配4DATA2021/6/2716TCAM的優(yōu)勢TCAM的優(yōu)勢：單周期查找；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

第4節(jié)：TCAM的基本組成第5節(jié)：“三態(tài)”和最高優(yōu)先級匹配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的查找過程第3節(jié)：TCAM的優(yōu)勢第4節(jié)：TCAM的基本組成

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

表項掩碼（三態(tài)的實現(xiàn)方式）：TCAM的基本單元為待查找的表項，每個表項包括表項數(shù)據(jù)DataWord、表項掩碼LocalMask。LocalMask某位為1（有的廠商規(guī)定是0）時，相對應(yīng)的DataWord位被屏蔽，不參與比較。10010010DataWordLocalMask1*01001001000000表項：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，進行精確匹配。

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

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

當(dāng)一個Key存在多個匹配的時候，匹配經(jīng)過邏輯單元比較返回匹配程度最高的表項。(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找到匹配項后將地址INDEX直接返回給NP,3、NP再用地址ADDR(可能經(jīng)過轉(zhuǎn)換)在RAM中讀取所需數(shù)據(jù)2021/6/2730NL3280的信號NetlogicNL3280的主要接口信號有：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幾個特殊信號有：RD_ACK:讀操作時指示數(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個獨立的block，每個block可以配置成16Kx72bit，8Kx144bit，4Kx288bit，2kx576bit；2021/6/2732DatabaserecordNL3280中的基本單元是表項，每個表項包括一個72bit的DataWord數(shù)據(jù)項和一個LocalMaskWord的掩碼項。當(dāng)掩碼為“1”時相對應(yīng)的數(shù)據(jù)位不參與比較。

此外還有一位校驗位Parity和一位有效位VBIT,當(dāng)VBIT為1時表示此表項無效果，不參加比較操作。2021/6/2733塊結(jié)構(gòu)每一個Block有8個塊掩碼寄存器，塊掩碼寄存器用來屏蔽所在列的數(shù)據(jù)，當(dāng)塊掩碼寄存器設(shè)置為1時，相對應(yīng)的整列都被屏蔽。2021/6/2734NL3280的寄存器塊設(shè)置寄存器BCR：用來設(shè)置邏輯表ID和位寬;塊掩碼寄存器BMR:用來設(shè)置塊掩碼；數(shù)據(jù)寄存器DR：用來寫入搜索的關(guān)鍵字和數(shù)據(jù)，是個只寫寄存器；設(shè)備ID寄存器DIR：用來設(shè)置設(shè)備的ID號；邏輯表寄存器LTR:用來設(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號等，是個只讀寄存器；設(shè)備配置寄存器DCR:存儲版本號、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信號為低至少200個時鐘周期；Setp2將RST_L拉高，發(fā)出20,000個NOP命令；Setp3寫器件ID寄存器；Setp4寫器件配置ID寄存器；Setp5如果器件級聯(lián)，則運行指令0X01(使能下個器件)，和0X00（nop指令）

Setp6重復(fù)第三到五步;Setp7寫B(tài)lock寄存器，設(shè)置邏輯表ID和位寬配置；Setp8寫B(tài)lockMask寄存器；2021/6/2736NL3200的初始化Step9寫LogicalTable寄存器，設(shè)置邏輯表ID、邏輯表ID掩碼和被選擇的BlockMask;Step10寫入并定義所有的表項數(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，讀表項數(shù)據(jù)，讀表項掩碼，對應(yīng)IBUS[7:0]的值如下表。讀操作主要用于從TCAM中讀取表項和寄存器的內(nèi)容，通過IBUS總線向TCAM發(fā)出讀操作碼，通過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讀操作讀操作的時序：2021/6/2741寫操作寫操作：寫操作比較特殊，分為寄存器、刪除表項、寫表項操作。對應(yīng)的指令如下表所示：2021/6/2742寫操作寫寄存器：202