线卡通信系统的基本构件
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这些系统的中心架构通常由许多功能相似的电路板构成，这些系统通过一个终端连接至外部；在另一端它们互相连接在一起。在路由器、无线网络交换机或存储域网络(SAN)交换机中，能找到数十种这样的通用电路板。它们运行系统的大多数关键功能，包括接收、处理、转接及传输数据。在本文中，我们将这些功能相似的电路板称为“线卡”。
典型的线卡可划分为三个明显的区域：端口、信息包处理及背板部分，端口部分在线卡和外部之间传递格式正确的数据，采用Ethernet或SONET等行业标准和协议；信息包处理部分则处理数据，设定其传送优先级，并做好传输至其目的地的准备；背板部分的作用是对数据进行缓冲、排列、调度，并传输至其它的互连线卡，然后反转路径，将数据发送至它的正确的目的地。为了简化说明，我们特别研究广域网(WAN)领域的系统，如路由器，简要说明线卡的基本功能。存储和无线领域的线卡的端口和背板部分可能具有相似的功能和元件。然而，它们不需要信息包处理功能。
端口部分的主要功能是将线卡连接至外部，因此，除其本身外，它必须能够与系统通信，必须采用通用语言或行业标准，这部分由两个器件构成，一个器件能够将数据放置在介质(PHY)上，或从介质上取得数据，另一个器件将数据格式化为行业标准信息包(即成帧器)。
PHY——这个术语代表“物理层器件”，它代表开放系统互连(OSI)模型的最低层，在采用铜连线的系统中，PHY可直接连接至物理介质，或者连接光模组，以便在光纤链路上发送光数据。在任一情况下，PHY的主要功能是将从介质接收的电信号转换为系统能够解译的数据，主要工作是将数据传输至线卡和从线卡接收数据。遵从行业标准、低功耗、集成化或信号抖动性能是端口PHY的部分最重要特性。
成帧器——这个器件的名称来自于它的主要功能，将从PHY至线卡其它元件的数据“成帧”和“解帧”为正确的格式。在SONET网络，成帧器从PHY取得数据的SONET帧，再将其解帧为另一种系统所用的格式。可对数据进行智能处理，如虚拟级联，从而动态分配带宽，使系统带宽的效率更高。
信息包处理——这部分主要包含在广域网的通信系统中，存储域网络和无线基础设施通信系统则相反。信息包处理部分的主要功能是处理数据，做好有效传送至其目的地的准备。通常采用网络处理器(NPU)来快速处理数据包，并将数据存储在存储器(RAM)中。因为路由器中的数据需要发送至目的地，必须进行表查寻，将数据与其适当的基于源地址、优先级等条件的目的地址相匹配。网络搜索引擎(NSE)适用于运作速率为OC-48(2.5Gb/s)或更高的系统，提供高性能的查寻功能，为了提高处理性能，采用网络协处理器(NCP)卸载NPU的工作任务。
网络处理器(NPU)——NPU可对数据进行智能化决策，用于信息包分类。这可帮助实施基于服务质量(QoS)和服务级别(CoS)等规则的功能，用于区分信息包的优先顺序。NPU是经过优化适合网络应用的设备(与通用CPU相比)，能够实现多千兆速率的线速处理。
网络协处理器(NCP)——NCP运行非常特别的网络功能，如查寻表搜索等，有助于减轻NPU的负担，它还可用作桥接芯片，简化NPU和信息包处理部分的其它元件(NSE和存储器等)之间的互连，无需附加的界面粘接逻辑，通常NCP将帮助管理储存在NSE和存储器中的表，并帮助将NPU的搜索要求传递至表，优化搜索性能。这有助于大幅提高系统的整体性能。
网络搜索引擎(NSE)——NSE的架构优化用于表搜索，它可为NPU提供加速表查寻功能，NSE能够匹配数据，在单个时钟循环内获得结果。采用算法方案的相似搜索需要进行多重循环，才能完成一项匹配；因此，NSE可进行最高效的表搜索。在运作速率为OC-48(2.5Gb/s)或以上的通信应用中，采用NSE进行表搜索是实现线速处理的必需，通常搜索结果是存储器中数据的索引指示器，用于决定信息包的优先顺序、目的地等。
存储器——存储器(由于高性能要求，采用基于SRAM的存储器)储存表的数据，由NSE决定的索引用来寻地址存储器，读出相应的数据。来自存储器的数据经过NCP传递回来，NPU用这些数据来修改数据包。因此，信息包处理部分的所有元件均协同工作，为系统提供高速、有效的表搜索。
背板——背板部分是线卡中与系统内的所有其它线卡互连的部分，这部分包括许多关键的系统功能，如时钟分配、缓冲、排队、调度、转接及最终将数据发送至另一个线卡。虽然线卡所有部分的元件均需要计时功能，但这个功能做在背板部分。
时钟——系统计时是通信系统所需的关键功能，用来与其各个元件协调计时，时钟用于元件同步、高速时钟生成，以及围绕线卡的计时分布。可采用许多类型的时钟，包括简单的晶体振荡器、频率计时发生器、传播频谱计时发生器、非零计时延迟缓冲器、带PLL的零延迟缓冲器、级别/信号译码器，以及可编程偏移时钟缓冲器。
逻辑——固定功能的逻辑器件或可编程逻辑器件用于所有的通信系统中，控制多数其它元件。在许多情况下，这些逻辑器件可视作系统的智能部分，常常为ASIC、FPGA或CPLD 器件，它们帮助控制其它器件，运行固定的数据处理功能，进行信号接口转换、信息包传输调度，并且常常能够在单个器件中集成一些围绕它的其它功能区块(如计时装置和存储器)。
存储器——背板普遍需要采用存储器以缓冲通过线卡传递的数据，由于数据所需的接入速率高，通常采用靠近背板互连部分的SRAM存储器，如果存储器用作背板部分多个器件之间的临时储存点，可能需要多重时域功能。采用双端口RAM或FIFO，常常可使系统设计更简单，并且，存储器常划分为多个队列或FIFO，以方便基于规则、级别或服务质量的信息包传递。
转接元件——线卡的数据可能需要转接至系统中的任何其它线卡，虽然转接功能可以独立进行，单独的转接卡与所有线卡的背板互连，可能每一个线卡需要一个转接元件。如果线卡上存在多重PHY，转接元件有助于将数据转接至正确的PHY，或Quad PHY。如果系统存在线端阻塞（防止由于低优先级别的信息包阻塞路径，导致高优先级别的信息包被延误，）的问题，转接元件有助于重新安排数据通道，以确保首先传送最高优先级别的数据，转接元件也可用于数据的多路传输，或将线卡的多重处理路径聚集在单个PHY上，在容许错误的系统中，转接元件也可用于创建发往多重PHY的冗余型数据路径，增加数据的可靠性。
PHY——象端口部分的PHY，背板PHY用于将数据传输至线卡，及接收来自线卡的数据，然而，因为背板仅与同一个系统内的其它线卡相连，PHY支持的标准和协议常常自有所有权，背板PHY从不需要与外部连接，因此，能够采用特定系统的最佳速度或协议运行背板PHY。
总之，今天所用的多数类型的通信系统，无论它是OC-48路由器，W-CDMA无线网络，或光纤通道开关，数据通过一系列互连的线卡传送。采用PHY从外部介质接收数据；由成帧器进行格式化；在NCP、NSE和存储器构成的查寻子系统确定数据的正确目的地之后，采用NPU进行数据处理和修改；利用可编程逻辑控制和调度数据；由一列双端口存储器对数据进行缓冲和排列；采用转接元件进行聚集和转发；通过PHY将数据传输至背板互连介质；最终反转其路径，通过背板部分的另一个线卡返回信息包处理部分，到达端口部分，后到达外部的目的地。这种极其简化的通信系统清楚地表明，如何采用一套通信基本构件来构建系统的大部分关键功能。■
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