XS-TCAM-104x320：基于FPGA的TCAM开源实现（一）

发布时间：2018-03-06

当前FAST开源项目中通用匹配引擎（GME）规则匹配能力有限，只支持64条规则长度为512比特的带掩码匹配功能，对需要大量规则匹配的环境，只能采用片外的TCAM器件。

为此，湖南新实网络科技有限公司基于FPGA内部的查找表逻辑和RAM资源，设计实现了具有TCAM功能的IP核——XS-TCAM-104x320。目前XS-TCAM-104x320 IP的源代码已经开源，对提升FAST流水线查表引擎的能力具有重要意义。

一、XS-TCAM-104x320的基本指标

       目前实现的指标：
       1．编译速率：125Mhz
       2．规则条数：320条
       3．LUT资源：16799
       4．RAM(M10K)资源：368
       5．查询周期：首次单条规则查询12周期出结果，后续连续查询则1个时钟周期出结果。

二、XS-TCAM-104x320的实现原理

     针对FAST前期版本支持流表项条目少的不足，目前对查找算法进行了改进，实现了XS-TCAM-104x320 IP，其优点如下：
      1.支持按优先级查找匹配；
      2.支持硬件进行规则更新；
      3.支持规则条目的按需扩展；
      4.支持匹配域关键字的按需扩展；
      5.支持规则查找/更新按掩码匹配；
      6.采用流水化并行的处理方式可实现高速查找匹配。

1、设计思想：
XS-TCAM-104x320 IP使用二维数组的存储方式，并行的进行规则更新及查找匹配，并采用流水化的方式实现多条规则匹配查找，从而实现高效快速的分类查找的目的。另外，此算法支持灵活的匹配域及流表表项的扩展能力，可满足将来匹配域扩展及流表表项扩展的需求。

XS-TCAM-104x320 IP是基于FPGA每个内嵌RAM块可配置成512*20的双端口RAM进行的实现，图1为XS-TCAM-104x320 IP基本处理结构图，由于RAM块为512*20因此切分的匹配域关键字（Key）为9位，查找逻辑以9位Key为查找地址对表项进行访问，得到20位的规则索引标识位，优先级选择器则根据优先级输出最高优先级的规则索引。此算法将索引0位的规则定义为最高优先级的索引位。

图1 XS-TCAM-104x320 IP基本处理结构图

参照图2，图2为流表匹配域的存储结构图，其为512*20的RAM存储块，在此可视为512*20的二维数组，其中行地址512个，为匹配域关键字（Key）字段；列地址为20个，为规则索引字段(Index)。图2将9位的Key作为地址查找RAM（Key=00111_1111），查找出的结果为此关键字段命中的20条规则的索引标识位（Index_Bitmap）为0_0005，其中第0，2，位为1，表示该key匹配了上述2条规则。由于0为高优先级位，因此0号索引被输出。