Verilog开源项目——百兆以太网交换机（七）包修改模块设计

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包修改模块 PM（Packet Modifier）和PF对称，负责Atom出口Packet的整合，Packet从PM出去后就不再被改变。PM将负责出口带宽控制、风暴控制、VLAN映射、VLAN透传等VLAN管理，以及流量统计。

一、Feature

100M时钟下，pipeline处理，处理速度支持25Gbps；
支持通过令牌桶控制发送速率；
VLAN manage：Insert VLAN、VLAN map、QinQ VLAN透传；
支持风暴控制（multicast、boardcast和no dest packet）；
支持流量统计；
支持Flush功能；

二、概述

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PM采用申请的方式从DB获取Packet，这是因为PM需要支持Port出口限速，以及风暴控制，会导致某些Port不能接收Packet，所以由PM主动申请数据更合理。PM内存在4个Port buffer，各自对应一个MAC，并提供buffer almost full信号。每个Port使用两个TKM来实现output QoS，一个负责Port出口控速，另一个负责Port的风暴控制，共计8个TKM。PM根据buffer almost full和TKM的令牌情况决定如何从DB获取Packet。

当DB发送Packet至PM后，PM根据LPH确定VLAN策略，重新组包发送至对应mac buffer，并进行相应Packet type进行统计。

三、接口

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四、功能设计

a）QoS & Storm control

为了在出口Port同样支持带宽控制，以及风暴控制，将在PM模块中支持该特性。

Normal Packet（单播）的output width control通过TKM来实现，TKM动态维护normal Packet令牌数，由TKM增加令牌数量，每次发包PM请求减少令牌数量。PM对multicast、boardcast pkt采用另一个TKM，以此控制多播包的速率，该TKM将不针对单播包改变令牌数量。

风暴控制：每个Port都需要有独立的TKM，共PORT_NUM * 2=8个，当发生风暴时，可以有以下三种策略：

不受风暴TKM控制；
受风暴TKM控制；
风暴严重时关闭端口；

b）VLAN管理

和商用交换机类似，Atom的Port也分为了三种模式：access、trunk、hybrid，默认状态下统一为hybird模式，每种模式对VLAN tag的处理都不相同。

PM主要功能就是根据LPH的dst Port、Port type、VLAN状态进行组包，并发送至TMAC，其中最为复杂的便是VLAN处理。

在Atom中支持VLAN以及QinQ，以下是untagged Packet、tagged Packet和QinQ Packet结构，tagged Packet在Source MAC和Length field间插入了一个4B的VLAN tag，而QinQ加入了内外两层的VLAN tag，其中内层VLAN tag常用于用户定义，外层VLAN tag常用于厂商定义。Atom中如何识别VLAN和QinQ Packet的具体实现方案可以参考PF模块的介绍：Verilog开源项目——百兆以太网交换机（六）Packet filter单元设计。

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TPID：Tag Protocol Identifier（标签协议标识符），表示数据帧类型；
PRI：帧优先级，dot1p；
CFI：规范标识位，0为规范格式；
VID：VLAN ID；

VLAN管理

VLAN映射可以修改报文携带的VLAN Tag或为报文添加VLAN Tag，实现不同VLAN ID之间的相互转换。Atom支持下面几种映射能力：

1:1 VLAN映射：将某一特定VLAN的报文所携带的VLAN Tag替换为新的VLAN Tag；
N:1 VLAN映射：将多个VLAN的报文所携带的不同VLAN Tag替换为相同的VLAN Tag；
1:2 VLAN映射：为携带有一层VLAN Tag的报文添加外层VLAN Tag，使报文携带两层VLAN Tag。
0:2 VLAN映射：为没有携带VLAN Tag的报文添加两层VLAN Tag。
2:2 VLAN映射：将携带有两层VLAN Tag的报文的内、外层VLAN Tag都替换为新的VLAN Tag。

Atom在PM中通过VLAN map table来实现VLAN映射功能，当packet从DB发送到PM后，PM即开始判断是否需要VLAN map。只有规则完全匹配，才能进行VLAN map，例如packet为双层VLAN，但是内层VLAN对应1：2VLAN映射规则，此时判断为匹配失败，拒绝映射。

Atom每个Port将支持128条映射规则。

VLAN透传

VLAN透传功能可使端口在收到带有指定VLAN Tag的报文后，不为其添加外层VLAN Tag而直接在运营商网络中传输。

Atom如果需要开启VLAN透传功能，必须在配置VLAN透传功能前，配置端口路为Trunk/Hybrid类型，并在报文传输路径的所有端口上都配置允许透传VLAN通过。为了便于实现Atom将不支持同一接口上同时配置VLAN透传和VLAN映射。

Atom每个port将支持16条VLAN透传配置（直接以寄存器形式实现），当启用透传后，原本的QinQ规则将无效。

基于端口管理的VLAN

Atom支持两种VLAN管理方式：基于端口管理的VLAN、基于MAC地址管理的VLAN。缺省情况下，对于Untagged报文的处理优先级为：基于MAC的VLAN > 基于端口的VLAN。

以下为不同端口类型的VLAN管理行为：

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当端口为Trunk或Hybrid类型时，每个端口存在一份VLAN ID list配置，用于控制允许哪些VLAN向外发送，Access类型端口可以不进行配置。

基于MAC地址管理的VLAN

无线终端可能本次使用Port A接入网络，下次使用Port B接入网络。如果Port A和Port B的VLAN配置不同，那么第二次设备接入会被划分到另一VLAN，导致报文丢失或发生其它不可预计的情况；如果Port A和Port B的VLAN配置相同，当Port B被分配给别的终端设备时，又会引入安全问题，这种情况下基于MAC的VLAN将起到作用。

Atom中仅支持静态MAC VLAN配置，且只在Hybrid端口类型起作用：

手动配置静态MAC VLAN：用户强制配置MAC、VLAN、Port等关系，无法被后续相同的MAC所修改；
动态触发端口加入静态MAC VLAN：当用户不确定该MAC会从哪个Port接收时，先绑定MAC和VLAN关系，等交换机运行后，根据该MAC的实际情况确定Port信息；

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基于MAC地址管理的VLAN将在PF实现，仅负责插入VLAN tag或更新MAC VLAN list。

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c）流量统计

支持Port level的流量统计，例如:

Port totally byte cnt / packet number
Port ipv4/ipv6 byte cnt / packet number
组播/广播packet byte cnt / packet number

将这些寄存器放在PM本地维护，直接assign to CSR，上层通过读寄存器获得统计值。

d）Flush

当PM完成LPH中携带Flush标志的Packet后，通过给CSR发送一个flush done的脉冲使得CSR结束Flush流程。

五、数据结构

a）LPH

LPH（Local Packet Header）是Atom定义的内部传输的一种数据格式，把Packet中提取的重要信息，或者需要在Atom中传输的自定义数据都放在LPH中，避免模块冗余逻辑。

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b）VLAN map table

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Atom的每个Port将支持128条VLAN映射规则，具体映射表如上图所示，需要用户定义映射类型、原始内外层VLAN tag以及映射后的内外层VLAN tag。

其中VLAN map type由0x0~0x4分别对应了1：1、N：1、1：2、0：2、2：2的映射方式，需要注意的是packet需要完全和规则对应才能执行映射规则，否则结束映射检测。例如：rule0对应1：2映射，此时只需比较Packet.inner VLAN ID是否为0x100，若匹配成功，则将内层VLAN ID替换为0x200，并插入VLAN ID为0x3的外层VLAN tag，不需要在意原始外层VLAN这项。

而rule1对应为2：2映射方式，就需要Packet的内外层VLAN ID完全匹配，当然Packet需要满足基础的VLAN tag个数。

c）VLAN ID list

Atom采用全局VLAN ID list共享的模式，支持所有内层VLAN ID的管理，采用一块32-bits x 512的ram实现，每个VLAN ID占据4-bits，分别对应4个Port，每个个地址存放8个VLAN ID，共4096 VLAN ID，其中VLAN0和VLAN4095默认全0，保留功能。

具体格式如下图，VLAN1存放在地址0的7~4 bits，图中值为‘0110’，表示只有Port1、Port2允许该VLAN通过。

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