三態(tài)內(nèi)容尋址存儲(chǔ)器(TCAM)工作原理

1、文檔來(lái)源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持CAM是ContentAddressableMemory的縮寫(xiě)，即“內(nèi)容尋址存儲(chǔ)器”的意思，它是在傳統(tǒng)的存儲(chǔ)技術(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的聯(lián)想記憶存儲(chǔ)器，關(guān)于CAM的基本操作有三種：1) .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，寫(xiě)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(chǔ)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(kù)中進(jìn)行快速查找，并且返回最佳的匹配地址，最快查找速度能達(dá)到每秒一億次以上。TCAM是TernaryContentAddre

2、ssableMemory的縮寫(xiě)，即“三態(tài)內(nèi)容尋址存儲(chǔ)器”的意思，它是從CAM的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。一般的CAM存儲(chǔ)器中每個(gè)bit位的狀態(tài)只有兩個(gè)，“0”或“1"，而TCAM中每個(gè)bit位有三種狀態(tài)，除掉“0”和“1”外，還有一個(gè)"don'tcare狀態(tài)，所以稱為“三態(tài)”，它是通過(guò)掩碼來(lái)實(shí)現(xiàn)的，正是TCAM的這個(gè)第三種狀態(tài)特征使其既能進(jìn)行精確匹配查找，又能進(jìn)行模糊匹配查找，而CAM沒(méi)有第三種狀態(tài)，所以只能進(jìn)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(lǐng)域種有非常廣泛的應(yīng)用，主要有：1) .ATMSwitching設(shè)備中的VCI/VPI轉(zhuǎn)發(fā)和ATM-to-MPLSorATM-to-TCP-Flow地址映射表項(xiàng)的存儲(chǔ)和查找；2) .EthernetSwitching設(shè)備中的二層MAC地址、ARP/RARP解析和三層IP路由表項(xiàng)的存儲(chǔ)和查找；3) .EmergingProtocolsandfunctions方面的MPLSlabel表項(xiàng)的存儲(chǔ)和查找；4) .PacketClassification業(yè)務(wù)中的Enfor

4、cesecuhty、Enforcedepartmentalpolicies和QOS檢測(cè)表項(xiàng)的存儲(chǔ)和查找；5) .安全防護(hù)設(shè)備中的FIB/LBT、MFIB及ACL表項(xiàng)存儲(chǔ)和查找。傳統(tǒng)的表項(xiàng)查找方法有很多，主要有：線型查找法、二叉樹(shù)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(diǎn)是查找速度慢。線型查找法需要遍歷表中的所有表項(xiàng)；二叉樹(shù)查找法需要遍歷樹(shù)中大多數(shù)節(jié)點(diǎn)，而且查找速度受樹(shù)的深度影響較大；哈希表查找法是軟件查找中計(jì)較快的一種方法，它是根據(jù)設(shè)定的哈希函數(shù)H(key)和處理沖突方法將一組關(guān)鍵字映象到一個(gè)有限的地址區(qū)間上，并以關(guān)鍵字在地址區(qū)間中的象作為記錄在表中的存儲(chǔ)位置，

5、這種表稱為哈希表或散列，所得存儲(chǔ)位置稱為哈希地址或散列地址。雖然哈希表查找法相對(duì)來(lái)說(shuō)比較快，但還是滿足不了高速實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)(如40G/100GPOS)的極速查找需求。基于硬件的TCAM查找法正是在這種背景下提出的，用此方法進(jìn)行查找時(shí)，整個(gè)表項(xiàng)空間的所有數(shù)據(jù)在同一時(shí)刻被查詢，查找速度不受表項(xiàng)空間數(shù)據(jù)大小影響，每個(gè)時(shí)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(dá)到128倍。TCAM器件的硬件設(shè)計(jì)方式一般有三種，如下圖所示：網(wǎng)絡(luò)處理器NP從報(bào)文頭中把需要查找的信息提取出來(lái)，這個(gè)待查找的信息要整理成跟TCAM所存表項(xiàng)的格式一致，稱之為KEY。KEY作為T(mén)CAM的輸入數(shù)據(jù)

6、，經(jīng)過(guò)與表項(xiàng)對(duì)照，如果有匹配的表項(xiàng)，就把該表項(xiàng)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T(mén)CAM在高端路由器中的應(yīng)用及查找過(guò)程。CAM和TCAM的基本存儲(chǔ)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(xiàng)寬度相同(TCAM基本表項(xiàng)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(kāi)始推出用于IPV6

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