【導(dǎo)讀】乙太網(wǎng)路系統(tǒng)單晶片(SoC)的設(shè)計(jì)日益復(fù)雜，電路與功能的模擬驗(yàn)證更是曠日費(fèi)時(shí)。而利用硬體模擬技術(shù)，即可處理大量驗(yàn)證作業(yè)，又可支援多用戶同時(shí)進(jìn)行，能較傳統(tǒng)軟體模擬方法，達(dá)到更快速、準(zhǔn)確的效果，有助SoC設(shè)計(jì)人員提高工作效率。
乙太網(wǎng)路VirtuaLAB軟體可提供由軟體控制的整合環(huán)境，用于生成、傳輸和分析乙太網(wǎng)路封包，從而對(duì)硬體模擬平臺(tái)內(nèi)映射的乙太網(wǎng)系統(tǒng)單晶片(SoC)進(jìn)行測(cè)試。隨著對(duì)連通性需求的大幅增長(zhǎng)，網(wǎng)際網(wǎng)路已成為數(shù)10億用戶的主要通訊手段。根據(jù)“Internet Live Stats”指出，2014年網(wǎng)際網(wǎng)路覆蓋人數(shù)已達(dá)到30億，占全球人口約40%。
網(wǎng)際網(wǎng)路實(shí)現(xiàn)了廣泛的資料通訊服務(wù)，如電子郵件、視訊下載、Google搜索、推特(Twitter)消息發(fā)送、Skype電話等等。表1列出了每天和每一秒鐘的主要網(wǎng)際網(wǎng)路活動(dòng)數(shù)量。
網(wǎng)際網(wǎng)路的起源可以追溯到不同時(shí)間不同地點(diǎn)的多項(xiàng)發(fā)明的匯合，集眾人之力完成。垂直發(fā)展包括封包交換技術(shù)、通訊協(xié)議以及源自20世紀(jì)60年代的電信行業(yè)活動(dòng)。Xerox Palo Alto實(shí)驗(yàn)室在傳輸控制協(xié)定(網(wǎng)際網(wǎng)路協(xié)定或TCP/IP)基礎(chǔ)上創(chuàng)建了專為“區(qū)域網(wǎng)路”(LAN)開(kāi)發(fā)的乙太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。
個(gè)人電腦的發(fā)明，推動(dòng)了網(wǎng)際網(wǎng)路發(fā)展，使其成為現(xiàn)如今這樣擁有30億使用者的網(wǎng)路。沒(méi)有個(gè)人電腦及其關(guān)聯(lián)設(shè)備(如印表機(jī)和掃描器)，網(wǎng)際網(wǎng)路可能就只能局限于軍事和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)中。
在網(wǎng)路術(shù)語(yǔ)中，所有連接到網(wǎng)路的設(shè)備都被分類(lèi)為網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)。在最基本的網(wǎng)路結(jié)構(gòu)中，各節(jié)點(diǎn)通過(guò)集線器連接在一起。即多埠設(shè)備將任何到達(dá)的資訊包復(fù)制到與之連接的所有其他埠(節(jié)點(diǎn))(圖1)。
圖1.典型基于集線器的網(wǎng)路配置
這種最簡(jiǎn)單的方法存在一個(gè)問(wèn)題，即網(wǎng)路的發(fā)展會(huì)被限制在數(shù)臺(tái)設(shè)備或節(jié)點(diǎn)當(dāng)中。
基于集線器的網(wǎng)路中，有四個(gè)問(wèn)題阻礙了網(wǎng)路擴(kuò)展：
．頻寬：通過(guò)一段時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)馁Y料量進(jìn)行測(cè)量。在集線器網(wǎng)路中，使用者共用總頻寬。
．延遲：通過(guò)封包到達(dá)目的地的時(shí)間進(jìn)行測(cè)量。在集線器網(wǎng)路中，傳輸規(guī)則使得延遲增加到不能接受的程度。
．網(wǎng)路故障：在集線器網(wǎng)路中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)可能會(huì)引發(fā)其他節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問(wèn)題，如過(guò)度廣播或不恰當(dāng)?shù)乃俣仍O(shè)置。
．沖突：多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)傳輸封包時(shí)會(huì)發(fā)生沖突，因此可能有必要進(jìn)行重新傳輸。
要解決并糾正這些問(wèn)題，業(yè)界開(kāi)發(fā)了可替代集線器的新設(shè)備。其中，交換機(jī)和路由器可保留頻寬、降低延遲、避免網(wǎng)路故障以及防止沖突。
乙太網(wǎng)SoC案例研究
早在1989年，Kalpana就發(fā)明了七埠乙太網(wǎng)交換機(jī)，可處理10Mbit/s流量。時(shí)至今日，乙太網(wǎng)交換機(jī)和路由器已達(dá)到256個(gè)埠，到年底可能還將達(dá)到1024個(gè)埠，它們可處理1/10/40/100/120Gbit/s的流量。盡管業(yè)界預(yù)測(cè)未來(lái)埠數(shù)量還將增加，但受到傳輸介質(zhì)的限制，頻寬不太可能會(huì)提升到1000Gbit/s，可看到采用平行處理方法增加頻寬的措施。網(wǎng)路交換的延遲持續(xù)下降，到如今，最低延遲已降至1μs以下。
大量埠、流量增加、延遲降低、安全性整體提升以及易用性，使得如今的網(wǎng)路交換機(jī)和路由器成為巨大的電路設(shè)計(jì)，達(dá)到了五億邏輯閘數(shù)量級(jí)，僅屈居于最大的處理器和圖形晶片之后。網(wǎng)路SoC的設(shè)計(jì)，包含128埠乙太網(wǎng)介面，且可支援1/10/40/100/120Gbit/s等不同的連結(jié)速度，在實(shí)體晶片可用之前，驗(yàn)證此類(lèi)復(fù)雜積體電路(IC)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)難以完成的任務(wù)。
當(dāng)可以在電路區(qū)塊層級(jí)使用硬體描述語(yǔ)言(HDL)模擬時(shí)，用模擬流量來(lái)驗(yàn)證數(shù)億門(mén)級(jí)的整個(gè)設(shè)計(jì)顯得不合實(shí)際，而且必然會(huì)被淘汰。這是在電路內(nèi)類(lèi)比(ICE)模式中采用硬體模擬的主要案例。
這種驗(yàn)證方式的獨(dú)特之處在于能通過(guò)真實(shí)流量對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)試。設(shè)定上針對(duì)每個(gè)埠需要一臺(tái)乙太網(wǎng)測(cè)試儀。由于測(cè)試儀和模擬的待測(cè)設(shè)計(jì)(DUT)之間速度范圍差異較大，因此不能直接連接，需要在兩者之間插入速率適配器。這樣就可以將測(cè)試儀的高速調(diào)整到類(lèi)比至DUT的相對(duì)較低速度。
分析中的設(shè)計(jì)含128個(gè)埠，需要設(shè)置128個(gè)乙太網(wǎng)測(cè)試儀和128個(gè)乙太網(wǎng)速度適配器，以及大量接線(圖2)。除了錯(cuò)綜復(fù)雜的布線、潛在的硬體不可靠性、整體開(kāi)支外，最令人沮喪的是整個(gè)設(shè)置只能支援模擬實(shí)驗(yàn)室附近的單一用戶。
圖2.128埠且支援1/10/40/100/120Gbit/s傳輸率的乙太網(wǎng)交換機(jī)通過(guò)電路內(nèi)類(lèi)比(ICE)進(jìn)行驗(yàn)證。
VirtuaLAB用于網(wǎng)路設(shè)計(jì)驗(yàn)證
將這種設(shè)置與采用虛擬方法的設(shè)置進(jìn)行比較，如明導(dǎo)國(guó)際(Mentor Graphics)的虛擬乙太網(wǎng)設(shè)備(VirtuaLAB)。在此場(chǎng)景中，裝有Linux環(huán)境的工作站連接硬體加速器，在工作站上用軟體對(duì)乙太網(wǎng)測(cè)試儀實(shí)現(xiàn)一樣的行為模式?；诔墒斓膶?shí)現(xiàn)智慧財(cái)產(chǎn)權(quán)(IP)，模型準(zhǔn)確再現(xiàn)了實(shí)際的物理測(cè)試儀。
這種虛擬測(cè)試儀包括乙太網(wǎng)資料包生成器和監(jiān)視器(EPGM)，可生成、傳輸并監(jiān)控DUT的乙太網(wǎng)資料包?？梢詾?G、10G、40G/100G和120G分別配置GMII、XGMII、XLGMII/CGMII和CXGMII介面。VirtuaLAB軟體也可對(duì)流量進(jìn)行離線分析，提供統(tǒng)計(jì)資料，并支援下列功能。
VirtuaLAB虛擬測(cè)試儀和DUT之間的介面包括一個(gè)VirtuaLAB-DPI實(shí)例，它負(fù)責(zé)與虛擬乙太網(wǎng)擴(kuò)展的寄存器傳輸級(jí)(xRTL)交易處理器通訊，該處理器與連接到DUT的Null-PHY相連。任意xMII支援類(lèi)型的每個(gè)埠需要一個(gè)xRTL交易處理器(圖3)。
圖3.VirtuaLAB和DUT之間的介面采用負(fù)責(zé)與虛擬乙太網(wǎng)xRTL通訊的一個(gè)EPGM-DPI實(shí)例。
VirtuaLAB可為每個(gè)工作站提供32GMII、XGMII、XLGMII/CGMII和CXGMII埠。多個(gè)工作站的多個(gè)VirtuaLAB應(yīng)用可以結(jié)合在一起，即實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳輸通道，可支援多埠數(shù)所需配置。采用高速鏈路(HSL)卡將各個(gè)工作站的協(xié)同模型(Co-model)連接到模擬器中。緊密集成的傳輸機(jī)制已準(zhǔn)備就緒，設(shè)計(jì)時(shí)鐘性能已調(diào)節(jié)至最佳化，并且它對(duì)測(cè)試平臺(tái)來(lái)說(shuō)是透明的。由于采用并行運(yùn)行時(shí)和調(diào)試架構(gòu)，資料流(Data-plane)硬體模擬流量會(huì)隨埠數(shù)呈線性增長(zhǎng)。圖4為多個(gè)協(xié)同模型拓?fù)涞募軜?gòu)圖。
圖4.多個(gè)協(xié)同模型拓?fù)涞母邔右晥D
除了實(shí)現(xiàn)高速資料流傳輸外，采用這種方法還有諸多其他益處。首先，通過(guò)遠(yuǎn)端存取可快速重新配置虛擬測(cè)試儀，以便執(zhí)行各項(xiàng)功能。其次，工作站是穩(wěn)定可靠的設(shè)備，只占同等功能的復(fù)雜乙太網(wǎng)測(cè)試儀的一小部分成本。
更重要的是，其能支持多重平行用戶，在大型軟體發(fā)展團(tuán)隊(duì)備份時(shí)特別有用。同樣重要的是，VirtuaLAB設(shè)置可利用企業(yè)伺服器的資訊科技(IT)管理功能，是將硬體模擬資料中心設(shè)置為企業(yè)級(jí)模擬資源的理想解決方案。
VirtuaLAB支持通過(guò)定向(Directed)的測(cè)試方法來(lái)定義并控制進(jìn)入硬體模擬DUT的特定封包串流，然后跟蹤從DUT返回的封包內(nèi)容。它可以配置用于多個(gè)協(xié)同模型主機(jī)，主機(jī)由一個(gè)軟體實(shí)例，以及虛擬乙太網(wǎng)xRTL交易處理器支援，交易處理器連接到Null-PHY和硬體模擬器上的DUT。此軟體可在最多八個(gè)協(xié)同模型主機(jī)上運(yùn)行?？稍谝粋€(gè)工作站上控制集中“控制器”軟體，對(duì)VirtuaLAB實(shí)例進(jìn)行管理。
VirtuaLAB動(dòng)態(tài)埠組重新配置支援復(fù)雜測(cè)試
乙太網(wǎng)VirtuaLAB非常適合于復(fù)雜測(cè)試場(chǎng)景的生成和監(jiān)控。采用互動(dòng)介面和批次處理模式TCL命令介面來(lái)控制媒體存取控制(MAC)并生成由協(xié)議和資料流所組成的金字塔。乙太網(wǎng)封包結(jié)構(gòu)的示例包括非同質(zhì)資料包類(lèi)型、所有乙太網(wǎng)封包類(lèi)型、封包資料酬載(Payload)、Jumbo封包、虛擬區(qū)域網(wǎng)路(VLAN)、TCP/IP、使用者資料封包協(xié)定(UDP)、PAUSE包、網(wǎng)際網(wǎng)路群組管理協(xié)議(IGMP)、位址解析通訊協(xié)定(ARP)等。每種協(xié)議類(lèi)型的流量百分比可以和不同的資料包大小或資料流程隨機(jī)大小相混合。封包傳輸仲裁包括多種演算法：如WRR、DWRR、SO和加密隨機(jī)亂數(shù)(Random)等。
乙太網(wǎng)VirtuaLAB為1/10/40/100Gbit/s全雙工速度采用動(dòng)態(tài)埠組重新配置功能，支援復(fù)雜交換拓?fù)涞膲毫y(cè)試和錯(cuò)誤注入。例如，xMII/PCS寬度、鏈路速度、鏈路建立/斷線，以及故障狀態(tài)都可在硬體模擬運(yùn)行時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置，并且不需重新編譯即可支援對(duì)大量埠組配置的測(cè)試?；厝θ哂嘈ｒ?yàn)(CRC)、前置訊號(hào)(Preamble)、IFG和網(wǎng)路速率等協(xié)定和性能違規(guī)均可報(bào)告出來(lái)。資料包可以在交互或批次處理介面進(jìn)行查驗(yàn)，以檢查資料包統(tǒng)計(jì)、發(fā)射器(TX)/接收器(Rx)跟蹤、中繼資料(如簽名)、時(shí)間戳記以及線路中的所有內(nèi)容。
硬體模擬提供復(fù)雜性能分析
硬體模擬的特點(diǎn)之一是，它能對(duì)大型復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜性能分析。硬體模擬用于驗(yàn)證封包分類(lèi)、篩選、速率、小頻寬(BW)、封包導(dǎo)向規(guī)則、流量調(diào)整、CoS、刪除序列以及利用簽名分析對(duì)流量進(jìn)行IFG分析。
某些情況下，可能需要數(shù)百萬(wàn)個(gè)資料包才能切中當(dāng)前設(shè)計(jì)中穩(wěn)態(tài)分析的重點(diǎn)。以測(cè)量兆百萬(wàn)位元組乙太網(wǎng)交換機(jī)的流量位元速率為例。采用虛擬乙太網(wǎng)簽名生成和封包時(shí)間戳記(TS)來(lái)計(jì)算這些數(shù)據(jù)。
在此測(cè)量示例中(圖5)，流速X=(Window FlowX中的位元組數(shù))×8/(1-ms時(shí)間 WindowFlowX)。在大量埠數(shù)的設(shè)備軟體模擬中，像這樣每個(gè)埠每個(gè)流量的測(cè)量都可以輕松耗掉一周的時(shí)間。但通過(guò)硬體模擬，同樣的測(cè)量在1小時(shí)內(nèi)就能完成。
圖5.采用硬體模擬，各埠的測(cè)量可以在1小時(shí)內(nèi)完成。
總而言之，乙太網(wǎng)VirtuaLAB可提供由軟體控制的環(huán)境，用于生成、傳輸和分析乙太網(wǎng)資料包，從而對(duì)硬體模擬平臺(tái)內(nèi)映射的乙太網(wǎng)SoC進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)軟體模擬方法，一般每天可驗(yàn)證1000個(gè)資料包，而硬體模擬和VirtuaLAB乙太網(wǎng)的處理量卻達(dá)到每天1100萬(wàn)以上。全球位于多個(gè)地點(diǎn)的平行多用戶可以同時(shí)受益。
VirtuaLAB作為一項(xiàng)快速、準(zhǔn)確、易用的解決方案，將復(fù)雜乙太網(wǎng)SoC設(shè)計(jì)如期推向市場(chǎng)，極大提升了效率。
