《电子技术应用》
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基于Crossbar多端口缓存共享的交换架构设计
电子技术应用
张子琪,方震,于宗光
中国电子科技集团公司第五十八研究所
摘要: 随着网络的不断发展,数据带宽不断提升,对网络设备中交换容量、转发延迟、内存利用率等关键指标提出了更高的要求。采用基于Crossbar多端口缓存共享的交换架构,实现报文的存储、调度、排序和转发。采用共享缓存架构并使用描述符定义数据包,实现了多端口下多个队列的共享队列缓存,每端口支持 8 个优先级队列,实现有序的调度,减少多队列的阻塞问题。在多SRAM的缓存管理中采用分页式链表的方法,实现了动态共享缓存,提高数据存取效率、降低转发延迟。基于Xilinx公司的XCZU3EG验证平台上完成了FPGA原型验证,完成了多端口结构的功能验证和性能测试,平均端口速率达6.08 Gb/s,实现交换延迟可控。
中图分类号:TN915.05 文献标志码:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.256651
中文引用格式: 张子琪,方震,于宗光. 基于Crossbar多端口缓存共享的交换架构设计[J]. 电子技术应用,2025,51(11):53-58.
英文引用格式: Zhang Ziqi,Fang Zhen,Yu Zongguang. Design of switching architecture with shared multi-port buffers based on crossbar[J]. Application of Electronic Technique,2025,51(11):53-58.
Design of switching architecture with shared multi-port buffers based on crossbar
Zhang Ziqi,Fang Zhen,Yu Zongguang
The 58th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation
Abstract: With the continuous development of the network and the continuous improvement of data bandwidth, higher requirements have been put forward for key indicators such as switching capacity, forwarding delay, and memory utilization in network devices. This design adopts a switching architecture based on crossbar multi-port cache sharing to achieve the storage, scheduling, sorting, and forwarding of messages. This design uses a shared cache architecture and defines data packets with descriptors, achieving shared queue cache for multiple queues under multiple ports. Each port supports 8 priority queues, realizing orderly scheduling and reducing the blocking problem of multiple queues. In the cache management of multiple SRAMs, a paged linked list method is adopted to achieve dynamic shared cache, improving data access efficiency and reducing forwarding delay. This design has completed FPGA prototype verification on the XCZU3EG verification platform of Xilinx Company, achieving functional verification and performance testing of the multi-port structure. The average port rate reaches 6.08 Gb/s, and the switching delay is controllable.
Key words : shared cache;multi-port;switching architecture;QoS

引言

交换结构对交换机的性能有着巨大影响,交换机需要具备快速的数据处理和转发能力[1],这对交换架构中的缓存管理技术提出了更高的要求,需要其能够高效地存储和读取数据包,减少数据的等待时间和处理延迟,因此,在交换中设计合理的缓存结构是至关重要的[2]。

本文介绍基于Crossbar多端口缓存共享的交换架构,该架构具有64 bit位宽16入16出的端口,支持数据包长度为64~1 024 B,数据包存储采用32块256 Kb的SRAM存储器,将SRAM缓存设计为共享式缓存确保在交换中实现高速数据存储,并且SRAM控制器能够通过分页式链表建立和链接对缓存内部的数据包进行管理,避免数据包的长度和存储器数据通道的数量对存储器资源的影响,实现内存回收,动态调整空间,在保证高速传输的前提下,很大程度地节约了存储资源[3]。数据包交换采用描述符描述数据包,减少数据包多次存储产生的时间,极大地降低了交换的延迟,解决了交换过程中缓存效率低的问题[4]。为了保证交换的服务质量,该架构支持按 QoS调度,可实时切换严格优先级、加权差额轮询调度算法,支持多端口多队列动态共享缓存,解决了传统Crossbar交换架构中存在的队头阻塞等问题[5]。经验证该架构具有存储、排序、转发功能,并能高效存储数据包,实现高速、多端口、无冲突的交换。


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作者信息:

张子琪,方震,于宗光

(中国电子科技集团公司第五十八研究所,江苏 无锡 214026)


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