开发灵活的高性价比宽带接入设备线路卡

电信设备生产商(TEM)在多业务(语音、视频和数据)融合和分布式设备生产上面临很大的挑战，这些设备包括数字用户线接入复用器(DSLAM)、光线路终端(OLT)和多服务接入节点(MSAN)等。尽管可以选择多种介质来实现不同的服务，但是每一种介质都需要不同类型的网络设备来处理所需要的接入协议、流量工程和吞吐量。

每种介质类型需要专用工程资源，导致不同线路终端卡的成本非常高，包括ADSL、VDSL、EPON和GPON等。在设计这类设备线路卡时，必须留有足够的带宽，以支持无阻塞互联网协议电视(IPTV)，以及其他的协议，提供较高服务质量(QoS)的流量管理。特别是对于语音和视频流，需要更强大的多播功能支持IPTV以及今后的互联网应用，包括游戏和视频/语音会议。

另一难题是怎样以更低的成本提供更多的产品和服务。日趋激烈的国际竞争使DSLAM供应商面临更大的价格压力。最近几年，TEM的DSLAM每端口价格急剧下降，维持利润的唯一方法是降低DSLAM的硬件成本。

TEM面临的第三个难题是建立平台来实现自己独特的功能，突出解决方案的优势，方法之一是建立基于平台的解决方案，使他们能够适应并处理好新的网络和协议，而不用从芯片供应商那里购买硬件，因为这些供应商也会把同样的解决方案卖给竞争对手。

本文将探讨怎样通过DSLAM线路卡的接入数据包处理器(APP)来解决上述难题。还将讨论半导体行业的发展趋势，介绍Ethernity Networks商用FPGA接入流处理器(AFP) ENET3000的体系结构及其特性。

图1 接入数据包处理器结构图

下一代接入集中线路卡处理要求
理想的APP对吞吐量和灵活性有较高的要求，而且能够更新，通过降低功耗来解决这些挑战，满足下一代DSLAM的发展需求，其结构图如图1所示。

1 吞吐量
APP必须具备足够的吞吐量才能实现所有介质和特定线路终端模块端口的无阻塞连接，同时还应该能够提供新的增值服务，提高客户QoS。吞吐量应该是确定的，不随网络流量内部处理功能的变化而变化。APP必须能够根据端口、服务和方向来灵活的划分带宽，同时保持较低的功耗和线路卡成本。

随着多业务服务中视频服务的展开，对DSLAM线路卡吞吐量和APP性能的要求提高了一个数量级(每端口30Mb/s)。每个端口不但要提供更大的吞吐量，而且多业务服务还要求将线路卡视频流转发到某些提供特殊服务的端口上。DSL集中带宽不会大幅度过载。对视频流的需求非常大，并且持续不变，要求DSL纯数据服务能够承受较大的过载。必须根据最差性能来衡量APP非确定性吞吐量，以确保处理复杂协议时所承诺的服务速率不受影响。

假定每端口每一路高清晰(HD)视频流为6Mb/s，三路HD广播或者视频点播通道，那么一个72端口ADSL2+线路卡对于视频就需要处理2.5Gb/s以上的吞吐量。一个32端口VDSL线路卡每端口提供100M/100M服务，将需要  5.0Gb/s的速率。举另外一个例子，远端48端口DSLAM需要额外的吉比特吞吐量来支持连接到一个环路上的多个DSLAM。

2 灵活性
理想的APP为线路卡提供合适的接口和数据包处理能力。由于接入设备供应商为他们的平台提供系列线路卡产品，因此，理想的APP设备必须能够成系列，或者具有灵活的接口。如果APP提供很多接口来满足所有的要求，那么，在设计线路卡时不得不增大电路板面积，为支持某些不需要的功能而提高了成本和功耗。更糟糕的是，如果APP不支持必须的接口，达不到某些要求，那么，或者不能使用，或者需要连接其他的外部器件和逻辑才能正常工作。

理想的APP应该支持多种协议，包括PPPoA、IPoA、PPPoEoA、EoA、标签以太网、SNAP、Q-in-Q、MAC-in-MAC、MPLS等，并且非常灵活，能够轻松处理某些目前还没有成文的协议。

3 可更新能力
尽管高速多端口线路卡需要足够的吞吐量，而其他线路卡需要的解决方案应具有较低的价格(包括外部存储器)、较低的功耗，以及较小的电路板面积。系统供应商在多种产品中使用相同的技术和元件，利用同一供货商，延长了产品生命周期，因此，APP也应该非常灵活，可以更新，能够在产品中加入更多的功能和应用。系统供应商在寻找一种通用的交互工作和流量管理解决方案，适用于ADSL和VDSL，以及以太网和PON，从而提高了原始设备生产商(OEM)的产品更新能力，降低了运营商资金投入(CAPEX)，优化了运营支出(OPEX)。

4 低功耗
APP及其相关存储器的功耗必须在系统预算范围内。有的设计不需要外部电源，系统总功耗受双绞线的限制。当第一次开发DSLAM平台时，为现有平台设计的线路卡面临严格的预算限制。如果APP明显低于其功耗预算，那么系统将具有更高的可靠性，平台在卡的数量和类型上更具灵活性(平台的最大配置)。为新系统设计的线路卡也面临严格的功耗预算。低功耗APP具有很大的优势，包括更低的系统成本，更高的系统可靠性以及更大的端口密度等。

实现通用线路终端处理
与在功能、性能和成本上具有一定优势的数据包处理器和网络处理器相比，ENET3000具有独特的体系结构，支持使用低成本FPGA，结合DDR2存储器，实现更高级的功能，且更加灵活。ENET系列采用Altera Cyclone II EP2C70 FPGA时支持5Gb/s，采用StraTIx II FPGA (EP2S90和EP2S130)时能够支持20Gb/s。

Ethernity的ENET3000充分利用了标准的ASIC开发移植，以最具成本效益的方式采用FPGA实现了复杂的大批量设计。模板和开发成本的大幅度提高使得只有大批量应用能够负担得起在前沿处理器中实现设计。Altera的Cyclone II和StraTIx II系列采用了90nm工艺，与这些前沿处理技术相比，具有更强的逻辑密度、速率、功耗和成本优势。

Ethernity ENET3000 AFP和Altera Cyclone II FPGA相结合，在高密度、低成本FPGA上实现了效率更高的体系结构。ENET3000处理分类、成帧、数据包编辑、转发以及流水线微引擎中的所有流量管理工作。由于ENET3000体系结构中的逻辑效率非常高，与基于RISC的典型网络APP相比，只需要25％的逻辑便能够满足要求。这种高效的逻辑结构可以在Altera Cyclone II FPG A中实现1～5Gb/s FPGA AFP低成本解决方案，也可以在StraTIx II FPGA中实现支持5～20Gb/s的高性能解决方案。

在APP体系结构中提供可配置模块重新定义了宽带接入线路卡设计，提高了灵活性和更新能力，节省了成本。AFP在单个模块化结构中实现了多种线路接口类型和可编程交互工作。可互换线路接口单元以最具成本效益的方式加入服务接口类型和定制线路卡，精确的满足端口数量和数据包处理线路卡需求。这些功能帮助设计人员根据需要在每个端口使用合适的线路接口，而不用设计单独的线路卡。可重新配置、根据需要而构建的实施方法切实降低了成本。逐步增加带宽能够适应今后的发展需求和不断变化的流量类型，避免了使用昂贵而又不常用的端口。

在固定线路卡体系结构中，对不同端口数量和服务类型的需求迫使TEM根据不同的数据包处理器来实施多种线路卡设计，不但提高了启动成本，而且只能采用专用带宽解决方案。随着开发团队规模的扩大，不具有灵活性还增加了总体拥有成本，限制了跨平台进行更新。

相反，在单个可重新配置接入数据包处理器体系结构中加入多种服务类型和端口能够有效的降低系统总体拥有成本，提供可更新的带宽无关解决方案。灵活的线路接口和协议交互工作功能提高了网络性能，促进了多业务融合，同时降低了运营复杂度，节省了开支。AFP独特的功能还实现了灵活的接入线路卡设计，简化了今后的更新。

表1列出了在固定接入线路卡体系结构基础上设计多路线路卡的开发成本。每一解决方案基于不同的网络或者数据包处理器，假定无阻塞解决方案中，所有端口都工作在线路速率上。

表2列出了基于通用线路终端体系结构的开发成本。对比表1和表2，采用可重新配置接口的通用线路终端处理器大大降低了DSLAM设计的开发总成本。

所有线路终端模块上使用单一的生产和设计平台，TEM在OPEX和CAPEX不变的同时，开发成本降低了70%。

ENET3000 FPGA接入流处理器满足了TEM线路卡的要求
Ethernity Networks的ENET3000 AFP具有5Gb/s性能，功耗非常低，能够处理目前的网络流量，而且可以灵活地适应新的网络协议和流量管理要求。ENET3000基于多个微引擎，提供直观的可编程模块支持新协议，32个搜索表具有可编程功能，搜索128 000个输入，进行可编程数据包编辑和高级流量管理，从而实现了灵活的分类和转发。通过在FPGA中实现ENET3000 AFP解决方案，接入设备设计人员能够充分利用FPGA的设计优势，包括接口定制、现场更新和处理其他的电路板逻辑等，从而缩短了开发周期，加快了原型设计。与标准网络处理器相比，这些特性突出了ENET3000的性能，进一步提高了接入设备设计的优势。

结论
线路终端接入数据包处理器的设计要求较多，必须满足这些要求才能解决DSLAM、OLT和MSAN宽带接入线路卡的设计难题。ENET3000等基于FPGA的接入流处理器在一个芯片上结合了FPGA的可配置功能、性能、可更新特性和结构化ASIC技术，同时还具有定制接入数据包处理器体系结构的优点。其可更新能力、灵活性以及低成本特性使设计人员能够实现多种可编程接入数据包处理器解决方案，突出产品优势，实现定制数据包处理，将产品尽快推向市场。