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存储域网络中的线卡解决方案
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Line Card Solutions in Storage Area Networking
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■Cypress公司产品市场工程师 Manoj Roge
高级专利工程师及技术顾问 Michael T.Moore
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几年来，Internet的平均带宽每6~9个月向上翻一倍，因而网络传输能力（带宽）和存储能力（存储Internet上来来往往的数据）都面临严峻挑战。电子商务、数据挖掘、数据库、客户关系管理等网络应用产生并要求处理大量的数据，同时还提出容错要求和全局24/7的数据存取速度要求。所有这些都迫切要求大容量的、快速高效的存储方案。传统的多服务器分布式存储系统已不能满足要求。
现在的解决方案是什么
存储网络为这些问题提供了一种有效的解决途径。存储网络采用共享的存储体系模型提供数据的存储和访问?quot;存储域网络"这一术语包含两层技术：存储域网络（SAN）和网络附属存储（NAS）。SAN和NAS系统所存储、备份和恢复的数据流都来自应用网络。
SAN交换机线卡及其组件
线卡是一种接口设备，用来实现端口（外部网络连接）之间的互连。端口通过交换机、路由器或类似通信/存储设备与主干网之间的连接。大多数通信/存储路由器采用线卡作为进、出端口与中心交换机之间的接口。一般，线卡具有与外部端口连接的所有功能，能实现有效载荷数据的协议转换，并控制数据的顺序和处理。
带线卡的设备通常设计有一个底盘和一块底板，底板上有许多插槽，各种线卡可安装固定于插槽内。线卡作为附件可以方便地进行拆装，以支持不同的通信协议或各种物理接口。
图1为某存储交换机线卡示例。卡的前端为线路接口界面，采用四口（quad）1.5Gb PSI 设备提供4个G比特以太网端口或光纤通道端口。卡的后端为通过高速串行连接的交换机界面。此连接通过CYS25G0101DX
2.5Gb PHY实现。单、双口2.5Gb PSI设备或四口3.2G串行收发器也可用于这一接口。系统控制卡的界面是控制端口，用来接收配置和控制命令并提供状态信息。这一连接是通过一个4口1.5Gb
PSI 设备实现的，可设置的运行速度为200Mbps ~ 1.5Gbps。线卡的核心部件是包处理引擎，通常采用网络处理器或某种专利方案。引擎采用NoBL存储器来缓存数据包并处理它们。线卡的操作用普通的微处理器来控制。
SAN交换机线卡的组件功能
串行连接
和广域网一样，在存储网络中，串行连接可根据不同的介质提供高性能和高灵活性。如光纤通道和吉比特以太网标准都规定了光纤接口和铜缆接口。
基于模块的串行连接器允许用户在铜缆和各种光纤介质类型之间进行选择，只需更换端口的模块类型。例如，吉比特接口转换器（GBIC）模块是一种可移动的、可热交换的单元，可以很容易地实现不同介质模块的选改。它还允许与插座盲匹配，用户可以轻松地替换（或检测）底板上的故障模块。即使在系统设计好并安装好之后，用户也还可以在铜缆和光纤之间进行选择。
端口侧的SERDES是线卡与其他独立设备（通常为远程设备）的连接界面。根据不同的应用，SERDES（PHY）支持以下常用标准(表1)：
每个标准都提出了不同的要求，适合于某标准的某一SERDES不一定适合于其他标准的应用，这取决于SERDES的频率灵活性和抖动特性。
逻辑器/存储器
在线卡中加入逻辑器件，设计者便可以灵活地修改设备以满足不断发展变化的标准，进行多次开发。也可利用其可编程性为用户定制开发功能模块。可编程逻辑器件可包含大量的高速通信存储器，集成FIFO和双口控制逻辑以保证高速运行。这样用户不必手动创建逻辑器，节省了设计者原本必须使用的可编程资源。
存储应用的专用存储器方案
存储应用中采用了诸如FIFO、四端口RAM、高带宽NoBL、NetRAM和QDR SRAM等高带宽专用存储器。
FIFO：（先进先出存储器）
数据一般是从PCI接口流向光纤通道然后再返回到PCI。为了同步不同接口的数据速率，两侧都采用了一个FIFO。赛普拉斯公司的"新的"Beast
FIFO能提供超高带宽达30Gbps，对于80位宽的接口甚至超过30Gbps，并且时钟频率也可达200MHz。它在输入和输出端口都提供了总线匹配，允许将X80的设备配置成X40、X20、X10或任何一种倍率，单个设备原则上可以创建16种不同的总线宽度选项。设计者不需要使用额外的逻辑器件便可设计不同带宽的总线接口，只需充分利用FIFO。X80的接口允许在每个字节的后面附加两位数据（X10：X8），以提供奇偶校验或带宽用尽示警能力。另外，两个独立的端口可以有不同的数据速率，为多种异类时钟域提供无缝接口。Beast
FIFO采用2.5V供电，所使用的工业标准高速收发器逻辑器件（HSTL）I/O工作电压为1.5V。
双口RAM
一个多口RAM有一个静态RAM（6-T）存储器单元和多个端口。赛普拉斯拥有超过85种的同步和异步双口RAM，范围从64Kbit
到9Mbit，速度高达150MHz。FLEx36系列双端口RAM能为两个端口提供36位宽的数据总线，并且具有双端口架构的许多新特性。这一系列产品中既有同步设备也有异步设备。
高带宽SRAM
高带宽缓存也被应用于存储线卡。在大多数的存储应用中，读和写的比例接近于50:50，因此独立的读和写端口将能提供更好的性能。Quad
Data RateTM(QDRTM)已经成为高带宽缓存的一种事实上的选择。更高的数据速率要求迫使设计者在独立的读、写端口上采用DDR接口--这正是QDR
SRAM所提供的。QDR由于采用分离的I/O架构，消除了总线问题，能全速接收数据，同时向主机服务器输出数据，其他特性还有它的突发操作。存储内存中含有处理器代码，所需容量为18-36Mb。
新的QDR架构带来存储应用中系统和存储器性能的急剧提升。QDR来源于数据输入和数据输出同时都采用双数据速率（Double Data
Rate）接口。上述特性被应用到目标应用（网络）中以满足系统要求。通过为某种特定应用定制设计一种存储器架构，更高带宽的存储器能带来更高的系统性能。
4口（Quad-port） RAM
Quad-port RAM能够访问冗余通道，并且允许并行的数据存取。
四端口数据通道交换元件 (DSE) 系列设备提供4个完全独立的端口，能同时访问64K X 18-bit数据存储阵列，且可工作在不同的频率域，方便了高性能数据路径管理。每个端口能在133-MHz的工作频率下读写数据，最高数据吞吐量（带宽）高达9.6Gbps。
4端口数据通道交换元件 (DSE)可用作存储设备或通信数据路径管理设备，因为它集成了逻辑器和存储器，创建了一个非阻塞的交换机架构。例如，一个4口设备可用作：
●一个4X4的交换装置，应用于4个FPGA、CPLD、物理层设备（PHY）或一系列数字信号处理器（DSP）;
●冗余的数据路径发生器，允许用户从一个端口输入单个数据流，然后以不同的速率从其他端口输出同一数据流，以实现容错。这在存储应用中非常有用，存储应用中往往需将数据镜像到两个以上的备份点;
●包头处理引擎，使用两个端口读写整个数据包，一个或两个端口监测和/或修改包头;
●大数据路径FPGA的替换装置，可减少用于控制功能的逻辑门的数量，同时也降低了费用。
直接在底板物理层设备（SERDES）之后的数据路径中插入DSE可免除使用大量的PLD。用两个端口控制从物理层设备到系统其他部分的数据流，剩下两个端口可连接到处理器或可编程逻辑设备，以控制和处理数据。
系统设计者将注意力从PLD功能的数据路径转移到纯粹的控制，可以减少PLD的逻辑门数量及I/O要求。设计者再也不必受限制于高逻辑门数量的FPGA，而采用小型的、便宜的PLD。
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