三態(tài)內容尋址存儲器(TCAM)工作原理

1、文檔來源為：從網(wǎng)絡收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持CAM是ContentAddressableMemory的縮寫，即“內容尋址存儲器”的意思，它是在傳統(tǒng)的存儲技術的基礎上實現(xiàn)的聯(lián)想記憶存儲器，關于CAM的基本操作有三種：1) .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，寫入速度與RAM相同；2) .讀操作：輸入地址，返回該地址上的數(shù)據(jù)，讀取速度與RAM相同；3) .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。這也是CAM的最主要用途，它能夠從巨大的數(shù)據(jù)庫中進行快速查找，并且返回最佳的匹配地址，最快查找速度能達到每秒一億次以上。TCAM是TernaryContentAddre

2、ssableMemory的縮寫，即“三態(tài)內容尋址存儲器”的意思，它是從CAM的基礎上發(fā)展而來的。一般的CAM存儲器中每個bit位的狀態(tài)只有兩個，“0”或“1"，而TCAM中每個bit位有三種狀態(tài)，除掉“0”和“1”外，還有一個"don'tcare狀態(tài)，所以稱為“三態(tài)”，它是通過掩碼來實現(xiàn)的，正是TCAM的這個第三種狀態(tài)特征使其既能進行精確匹配查找，又能進行模糊匹配查找，而CAM沒有第三種狀態(tài)，所以只能進行精確匹配查找。TCAM器件的生產(chǎn)廠商主要有CypressIDT和Netlogic三家。這三家分別將TCAM器件稱作NetworkSearchEngine(NSE、N

3、etworkSearchAccelerator(NSA)和Knowledge-basedProcessor(KBP)TCAM器件在通信領域種有非常廣泛的應用，主要有：1) .ATMSwitching設備中的VCI/VPI轉發(fā)和ATM-to-MPLSorATM-to-TCP-Flow地址映射表項的存儲和查找；2) .EthernetSwitching設備中的二層MAC地址、ARP/RARP解析和三層IP路由表項的存儲和查找；3) .EmergingProtocolsandfunctions方面的MPLSlabel表項的存儲和查找；4) .PacketClassification業(yè)務中的Enfor

4、cesecuhty、Enforcedepartmentalpolicies和QOS檢測表項的存儲和查找；5) .安全防護設備中的FIB/LBT、MFIB及ACL表項存儲和查找。傳統(tǒng)的表項查找方法有很多，主要有：線型查找法、二叉樹查找法、哈希表查找等，這些查找方法都是基于SRAM的軟件查找方法，共同特點是查找速度慢。線型查找法需要遍歷表中的所有表項；二叉樹查找法需要遍歷樹中大多數(shù)節(jié)點，而且查找速度受樹的深度影響較大；哈希表查找法是軟件查找中計較快的一種方法，它是根據(jù)設定的哈希函數(shù)H(key)和處理沖突方法將一組關鍵字映象到一個有限的地址區(qū)間上，并以關鍵字在地址區(qū)間中的象作為記錄在表中的存儲位置，

5、這種表稱為哈希表或散列，所得存儲位置稱為哈希地址或散列地址。雖然哈希表查找法相對來說比較快，但還是滿足不了高速實時通信系統(tǒng)(如40G/100GPOS)的極速查找需求?；谟布腡CAM查找法正是在這種背景下提出的，用此方法進行查找時，整個表項空間的所有數(shù)據(jù)在同一時刻被查詢，查找速度不受表項空間數(shù)據(jù)大小影響，每個時鐘周期完成一次查找，平均查找速度是基于SRAM算法查找的6倍，最壞情況下，能達到128倍。TCAM器件的硬件設計方式一般有三種，如下圖所示：網(wǎng)絡處理器NP從報文頭中把需要查找的信息提取出來，這個待查找的信息要整理成跟TCAM所存表項的格式一致，稱之為KEY。KEY作為TCAM的輸入數(shù)據(jù)

6、，經(jīng)過與表項對照，如果有匹配的表項，就把該表項所在的地址作為輸出，稱之為Index。然后將Index作為RAM的地址輸入，從RAM里得到所需查找的信息，稱之為Data。最后將Data返回給發(fā)起查找操作的NP,至此完成一次查找操作。下圖為TCAM在高端路由器中的應用及查找過程。CAM和TCAM的基本存儲單元如下圖所示：下面以Netlogic的TCAM器彳NL101024為例，介紹下TCAM器件的各管腳功能：1) .DBUS71:0:KEY輸入總線，共72根，與TCAM表項寬度相同(TCAM基本表項位寬為72位，32位源IP地址+32位目的IP地址+8位端口地址)，IDT公司已開始推出用于IPV6

7、的80位寬度TCAM器件；2) .RBUS49:0:查詢結果Result返回總線，50位寬；3) .IBUS7:0:指令總線；4) .CLK:系統(tǒng)時鐘，上升沿有效；5)CLK0:輸出時鐘，讀數(shù)據(jù)和比較數(shù)據(jù)時使用；6) .CE#:片選信號；7) .RST#芯片復位信號；8) .ODS-0/1:數(shù)據(jù)總線輸出驅動選擇信號；9) .SMF3:0:系統(tǒng)匹配錯誤標識信號；10) .RV:結果有效信號；11) .RFSL:只在HSTL/SSTL-2電平時使用，此時，RFSL=0表示使用內部參考電壓VDDQ/2,RFSL=1時表示由外部管腳VREF提供參考電壓。使用LVCMOS電平時，該管腳直接接地；12) .VREF4:1:參考電影，為HSTL