光纖傳輸技術發展迅速，網絡鏈路層的接口速率目前已達到10Gbps，出現了諸如10G的LAN、WAN、POS等接口類型。高端路由器作為骨干網的核心交換結點，必須支持10Gbps接口，轉發引擎的單包處理時間將急劇縮短。
　　另一方面，隨著IPv6、組播" title="組播">組播、MPLS協議的成熟及廣泛應用，高端路由器也要求提供對以上協議的支持。而不同類型的報文處理流程不盡相同，很難實現通用模塊的處理。這無疑增加了超高速轉發引擎的設計難度。
　　傳統的報文處理流程已不能滿足超高速轉發和多協議支持的要求。作為轉發處理的代表方向之一，網絡處理器(NP)目前的商用化水平還不支持10Gbps接口，大多不具備多協議支持的能力。
　　同時，從自主知識產權的角度出發，也必須在高端路由器上開發自己的轉發“芯”。
　　本文在深入分析了轉發引擎的實現難點后，從提高報文處理速度和節省FPGA資源的角度出發，設計了一種可支持多協議的超高速轉發引擎結構，并經國家“863”課題(“大規模接入匯聚路由器ACR”)工程驗證，可支持10Gbps接口下多種類型報文的線速轉發。
1 10Gbps接口下的線速轉發
　　表1給出了不同接口下，40字節超短包的線速轉發時間。

　　對于40字節的超短包，10Gbps接口下的處理時間只有32ns，即使在100MHz時鐘下，也只有不到4個周期的時間。而轉發引擎的報文處理流程包括報頭有效性檢查、直連檢查、組播RPF檢查、查表" title="查表">查表(單、組播、MPLS查表)、報頭修改等復雜操作。傳統的串行處理流程顯然無法滿足線速轉發的時間要求。
1.1 并行流水線方案
　　按照處理流程各步驟之間的時間關系，筆者在對整個處理流程進行了功能劃分后，采用流水線設計，縮短了處理時間，如圖1。

　　引進該方案的最大好處是：整個轉發引擎可以處于流水線狀態，不必等待單個任務的完成，省去了串行處理中的等待時間。整個流水線的周期等于最長流水段的周期(路由查表)，而不是簡單的各段周期之和。
　　按照這個思路，在實際工程應用時，采用了如下并行流水線引擎結構：
　　對某些流水段，可以通過段內的并行設計，進一步縮短處理時間。例如，對圖2中的有效性檢查模塊，可以進一步細化為版本號檢查、TTL檢查、地址范圍檢查、Payload Length檢查四個子模塊，作并行處理，如圖3。

1.2 方案分析
　　采用并行流水線的設計，其關鍵在于整個流水線的不斷流、不溢出。這要求對各流水段進行精細劃分，使各段的周期盡量接近，即實現同步流水線，減少段間的緩存容量。
2 多協議支持策略
　　本方案考慮支持的協議為IPv4、IPv6、MPLS，均含單播、組播、二次查表。要支持如此多的協議類型，而不同類型報文的處理流程不盡相同，在時序上很難對齊，難以用通用模塊實現，必然需要大量的緩存FIFO。圖4給出了其分析。

　　可以看出，報頭處理的設計非常復雜，資源占用較多。為了合理利用FPGA的內部資源，必須對報頭處理單元精心設計。
　　報頭處理單元要處理的報文包括以下類型：IPv4(單、組播)、IPv6(單、組播)、MPLS(單、組播)6種,加上二次查表，共有12種類型的報文。對此，有如下分析：
　　(1)對以上的12種情況各用一個單元進行實現，這就意味著報頭處理中任何一處的緩存FIFO都必須生成12個。
　　(2)粗略劃分成IPv4、IPv6和MPLS三種實現單元，每一個單元又采用單組播獨立實現的方式，也就是將二次查表和非二次查表的報頭處理做成通用處理方式。這樣也需要6套FIFO緩存報文。
　　(3) 只分成IPv4、IPv6和MPLS三種情況，對單播和組播、二次查表以及非二次查表做成通用的處理模塊，這樣內部需要3套緩存FIFO。
　　(4) 與(3)的區別在于，通過精細設計報頭處理單元的各種讀寫信號(上報、轉發、二次查表)，使得報頭處理單元內部不需要緩存報文，報頭處理主要完成生成內部報頭(轉發、上報和二次查表)，將緩存FIFO合并為一個，不管是IPv4、IPv6還是MPLS共用一個轉發FIFO和上報FIFO。
　　為節省FPGA資源，提高設計可靠性，筆者在實際工程中采用了方案(4)的設計方法。其實現結構如圖5。

　　方案分析：顯然，該設計方案在節省資源的同時，復雜了內部邏輯的設計，因為任何一個報頭處理都需要同時完成單播和組播、非二次查表和二次查表的統一處理，而且各種報文都統一存放于一個緩存FIFO，因此還需要IPv4、IPv6和MPLS報頭處理單元中的轉發設計和上報設計進行時序對齊，即從緩存FIFO讀出報文的同時送往轉發和上報，供兩路同時使用(在轉發和上報都有效時)，需要二者的時序進行配合。
3 工程應用
　　該方案已應用在“大規模接入匯聚路由器ACR”的10G轉發引擎上，采用的FPGA為VIRTEX PRO系列的XC2VP70芯片。圖6給出了測試數據。