當前，線路傳輸技術發展迅速，光傳輸技術更是進步飛速，無論是單波長載荷速率還是單纖可用波長數量，都以驚人的速度增長。目前，已出現各種10Gbps的接口類型，如POS、LAN、WAN等。作為T比特路由器的核心部分，轉發引擎" title="轉發引擎">轉發引擎的線速報文轉發能力決定了路由器所能夠支持的最高端口速率。T比特路由器中線速轉發引擎必須支持10Gbps接口，而傳統的報文處理結構由于單包處理時間過長，已無法滿足線速轉發的性能需求。
1 線速轉發引擎的結構設計
　　轉發引擎是高性能T比特路由器的關鍵部分之一，其設計的合理性、性能的優劣直接影響路由器的整體性能。當前,業界的硬件轉發引擎主要有兩種方案：一種是基于網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器的轉發引擎，一種是基于FPGA平臺的轉發引擎。本設計采用FPGA作為設計平臺，如此選擇主要是出于以下兩點考慮：
　　(1)目前支持端口速率為10Gbps的線速處理的商用網絡處理器還不成熟，尤其是沒有自主知識產權、安全性弱、受芯片提供商的制約，所以網絡處理器并不是最佳選擇；
　　(2)采用FPGA是為設計單片轉發系統(SOC)奠定基礎，最終目的是要實現我國自主的高性能網絡處理器。
　　數據包的10Gbps線速轉發，報文轉發率達到31.25Mpps以上，支持IPv4、IPv6和MPLS三種類型報文的處理，支持IPv4、IPv6優先級分類，支持組播以及1M路由表項等，都是T比特路由器必須實現的關鍵技術指標。為此，10Gbps線速轉發引擎采用基于大規模FPGA、TCAM和SRAM的全硬件流水并行結構，利用硬件的高速特性和高可靠性，實時處理路由分組的各項信息并對路由分組進行硬件線速轉發。
　　下面給出一種基于FPGA的轉發引擎結構，該引擎采用并行處理方式和流水線結構，有效地降低了報文的處理時間，實現了對多協議報文的支持，達到了10Gbps線速轉發的性能需求。
2 并行處理結構的設計
　　并行機制就是對同一段時間內需要處理的每個任務各采用一個處理通道的并行方式進行操作，從而使多個任務所需的處理時間降至最少。轉發引擎要進行報頭分析、QoS實現、安全檢測、直連檢查、單播查表、組播查表等處理。并行處理方式就是按照各個功能模塊之間在處理順序上的關聯性，將以上的功能模塊進行并行處理；并盡可能對并行技術進行進一步挖掘。以報頭分析模塊為例，可進一步分為版本號檢查、TTL檢查、地址范圍檢查、有效負載長度檢查等四個小模塊，進而進行小模塊的并行處理。并行處理結構如圖1所示。

　　采用并行處理技術之后的總處理時間只是其中關鍵并行模塊的處理時間，關鍵并行模塊是指所有并行處理模塊中處理時間最長的模塊。
3 流水線機制的設計
　　若要在數據速率高達10Gbps的條件下實現IPv6最短包(長度為40字節)的線速轉發，則轉發引擎處理一個數據包的最長時間為：IP報文長度(字節)×8(比特)/端口速率(Gbps)＝40×8/10=32ns。即使采用100MHz的時鐘，處理時間也只有3.2個周期，要在如此短的時間里完成復雜的IP報文處理，必須采用流水線設計。
3.1 系統級流水線
　　基于FPGA的轉發引擎內部各大模塊間的流水線，本文稱為系統級流水線。轉發引擎的系統級流水線結構如圖2所示。

　　該流水線結構將轉發處理分為接口轉換、報頭提取、路由查表、報頭處理與修改、輸出控制等五個流水操作子進程。它們都是在時間上先后執行的串行任務單元，且前后子進程之間的操作相互獨立。轉發引擎采用流水線操作以后，只要各子進程能滿足給定接口速率下最短報文的處理時間要求，則整個轉發引擎就支持該接口速率。
3.2 流水線查表設計
　　在該流水線各段中，需要時間最長的功能段為路由查表。在查表模塊進一步引入流水線設計，可以減少整個轉發處理的流水時間，使之能夠滿足路由器性能要求。
　　硬件查表通常由TCAM完成，傳統的TCAM查表流程如圖3所示。
　　傳統查表由TCAM搜索和TCAM讀表項兩個操作串行進行，無流水線操作，整個過程需要十幾個時鐘周期。
　　在本文提出的由TCAM和SRAM共同完成路由查表的流水線結構中，查表分兩級進行：由TCAM完成搜索過程，再由SRAM讀出查表結果。這樣可將查表時間縮短為4個周期。
　　在本流水查表方案中，TCAM表項僅存儲查表關鍵字，查表結果則存儲在SRAM的相應地址空間中。對于單播查表，目的IP地址作為查表關鍵字保存在TCAM的某個地址中，目的接口號作為查表結果則保存在SRAM中的相應地址空間中，這樣就構成一條完整的單播表項。其流程如圖4所示。

　　圖4給出了兩種流水線設計方案，它們的區別主要在于是否將TCAM的RBUS直接連接到SRAM的地址總線上。
　　(1) 方案(ａ)是將TCAM的RBUS直接作為SRAM的讀取地址，優點是PCB制作略為簡單，減少FPGA中User I/O資源緊張的問題，缺點是寫表項的時間較長。因為寫SRAM表項必須通過相應的TCAM操作才能進行，即寫TCAM表項和寫SRAM表項均通過TCAM來完成，所以寫一條完整表項的時間為二者處理時間之和。
　　(2)方案(ｂ)是將TCAM的結果總線RBUS與SRAM的地址總線通過FPGA連接起來，雖然增加了PCB制作的難度，但由于寫表項時TCAM和SRAM的寫操作可同時進行，因而寫一條完整表項的時間為這二者處理時間的較大值。通常TCAM的讀寫時間遠大于SRAM的讀寫時間。
　　通過TCAM寫SRAM表項的時間往往與單獨寫TCAM表項的時間相當，即方案(a)寫表項的時間大大超過方案(b)，因而方案(b)具有更好的線速轉發性能。
4 工程實現
　　通過采用并行處理技術和流水線技術設計的轉發引擎在實際工程中得到了很好的應用，工程中采用的FPGA為VIRTEX PRO系列的XC2VP70芯片。借助思博倫通信公司(Spirent Communications)的Adtech AX/4000網絡測試儀構造的測試環境如圖5所示。

　　圖5中，測試儀與10GPOS線卡相連，雙向發送與接收數據，線卡將10Gbps數據輸入轉發引擎，再由轉發引擎送往高速交換網絡。在測試過程中，選擇40、64、128、256、512、1024、1280和1500字節的定長包進行分組轉發率和丟包率測試。測試表明，在10G VAN和10G LAN接口下，轉發引擎不丟包，即丟包率為0。在10GPOS接口下，轉發引擎的吞吐率和丟包率如圖6所示。

　　圖中表明，在單一包長測試條件下，在負荷為100%、包長大于等于109.5字節時的丟包率低于1.07×10－6%，吞吐率接近于1%，該轉發引擎可以實現40字節IPv6報文的10Gbps線速轉發。
　　在測試過程中，還做了模擬實際應用的混合包傳輸(40字節包占25%，172字節包占20%，360字節包占15%，552字節包占20%，1500字節包占20%)測試。圖7表示在模擬實際包長分布條件下，不同負荷時的轉發引擎丟包率。