串行 RapidIO 與萬兆位以太網(wǎng)

移動應(yīng)用中多媒體內(nèi)容的爆炸式增長孕育了無線網(wǎng)絡(luò)的又一次進(jìn)化。為了趕上日益增多的語音和數(shù)據(jù)通信量需求，就必須開發(fā)出高性能的系統(tǒng)。為了在競爭如此激烈的市場上保持領(lǐng)先，系統(tǒng)設(shè)計人員必須選擇一種可擴(kuò)展的互連標(biāo)準(zhǔn)，以提供更佳的性能、成本、功耗和可靠性。串行RapidIO（S-RIO）是唯一能夠滿足無線基帶處理應(yīng)用的特定需求的協(xié)議，不過萬兆位以太網(wǎng)（10GE）有時也被看作一種替代性解決方案。

要理解10GE和S-RIO之間的差別，首先必須了解這兩種標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展歷史。以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)是專為大型局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)而設(shè)計的，其前提是網(wǎng)絡(luò)上存在著功能強(qiáng)大的處理器，能夠加強(qiáng)軟件協(xié)議棧。這些種類的網(wǎng)絡(luò)上的事務(wù)實際上通常都包含大量的數(shù)據(jù)通信流量，具有很高的數(shù)據(jù)承載量。但是，無線基帶處理則具有與之不同的需求。在無線系統(tǒng)中，高性能處理部件都同時攜帶有控制面和數(shù)據(jù)面的通信量，并需要在彼此之間進(jìn)行快速而可靠的通信。串行RapidIO就是為了支持這種類型的需求而量身設(shè)計的。

性能很重要
3G+與4G無線協(xié)議以及高級天線系統(tǒng)（AAS）架構(gòu)都需要強(qiáng)大且可預(yù)知的系統(tǒng)性能。為了滿足這種需求，在RapidIO標(biāo)準(zhǔn)中，延遲和協(xié)議效率被給予了特殊的關(guān)注。為了盡量縮短延遲，RapidIO的設(shè)計采用了較短的數(shù)據(jù)包報頭以及基于目標(biāo)ID（DestID）的簡單路由選擇架構(gòu)。這種簡單的傳輸層功能實現(xiàn)了100ns以內(nèi)的直通交換機(jī)延遲。RapidIO提供了對傳輸中的數(shù)據(jù)包進(jìn)行“stomp”的功能，從而使得交換機(jī)設(shè)備無須接收到整個數(shù)據(jù)包就能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)發(fā)（“stomp”是一種控制符號，在RapidIO協(xié)議中用于在遇到錯誤時取消已部分傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包）。這種功能在不影響可靠性的前提下提高了系統(tǒng)的整體性能。如果在轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包中檢測到錯誤，RapidIO端口在無須軟件干預(yù)的情況下就能夠?qū)鬏斨械臄?shù)據(jù)包進(jìn)行“stomp”處理。

相反，10GE數(shù)據(jù)包的報頭要長得多，從而導(dǎo)致與其他處理部件進(jìn)行通信的延遲增加。對于局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)而言，較長的數(shù)據(jù)包長度可以補(bǔ)償較長的報頭長度及相關(guān)開銷所帶來的影響。但是，與局域網(wǎng)/廣域網(wǎng)模型中的通信量相比，無線應(yīng)用中的通信量通常長度較短，而數(shù)量較多。對于這種承載量較小的通信量而言，10GE標(biāo)準(zhǔn)中較長的數(shù)據(jù)包報頭就會給每次事務(wù)的效率帶來不利影響，并降低系統(tǒng)的整體性能。10GE標(biāo)準(zhǔn)中第2層的交換機(jī)延遲也要比S-RIO中的延遲大得多，在最佳情況下也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過200ns。以太網(wǎng)不能對傳輸中的數(shù)據(jù)包進(jìn)行“stomp”處理。相反，它會“盡力”去傳遞數(shù)據(jù)包，并依賴第3或第4層的軟件來驗證數(shù)據(jù)包內(nèi)容的完整性。

在不影響性能的前提下實現(xiàn)可靠性
可靠性是RapidIO的閃光點。內(nèi)置在硬件中的確認(rèn)設(shè)計防止了數(shù)據(jù)包丟失并保證了數(shù)據(jù)包的傳送。保證可靠的數(shù)據(jù)包傳送的機(jī)制是在物理層以純硬件方式實現(xiàn)的。在硬件中實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的傳送對于系統(tǒng)的性能具有重大的積極影響。因為無須軟件干預(yù)就能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的傳送，事務(wù)就不會因為軟件例程而引入延遲。對于10GE標(biāo)準(zhǔn)而言，物理層只是盡最大努力去管理數(shù)據(jù)包的傳送（也就是說，可能存在丟包）。要確保數(shù)據(jù)包傳送成功，需要交由TCP層處理，在TCP層中，可靠的傳送機(jī)制可能是在軟件中實現(xiàn)的。

訪問軟件層需要花費寶貴的時間，消耗處理資源且對系統(tǒng)性能不利。10GE設(shè)計中的這種軟件干預(yù)可能引入超過10μs的系統(tǒng)延遲。相反，S-RIO的系統(tǒng)延遲只有約1μs。10GE系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)包重傳則更為復(fù)雜，可能會消耗數(shù)十微妙。而對于S-RIO設(shè)計而言，數(shù)據(jù)包重傳是透明的，完全由硬件來處理，只需不到1μs即可完成。同時，依賴軟件來確保數(shù)據(jù)包的傳送會造成不確定的系統(tǒng)延遲。根據(jù)在數(shù)據(jù)包到達(dá)時正在運行的軟件例程的不同，完成數(shù)據(jù)包傳送操作所需要的時間在一定程度上是不可預(yù)測的。10GE依靠軟件來確保數(shù)據(jù)包的傳送，所以對于那些希望獲得較短而確定的延遲的系統(tǒng)而言，不是一個好的選擇。

考慮系統(tǒng)成本，而不僅僅是設(shè)備成本
為了運行用于實現(xiàn)協(xié)議棧的軟件，10GE需要用到處理器。這種對軟件棧的管理工作增加了處理開銷，降低了系統(tǒng)效率。以太網(wǎng)可能會耗費15%～30%的處理性能用于軟件棧的管理。對于100美元的處理器而言，這就等于是每臺處理器15～30美元的看不到的系統(tǒng)互連成本。在RapidIO系統(tǒng)中，協(xié)議會盡量減少對軟件的依賴性，從而降低處理器的負(fù)荷，同時節(jié)省下來的開支可用于更快的處理器上，從而以更低的成本實現(xiàn)性能更高的系統(tǒng)。

系統(tǒng)功耗
既然處理RapidIO協(xié)議所需的處理器負(fù)荷降低了，系統(tǒng)功耗也將隨之降低。因為用于協(xié)議管理的數(shù)千兆赫茲處理器的使用量減少了，所以系統(tǒng)的功耗能夠保持在最低值。因此，它還能降低熱管理成本并降低系統(tǒng)復(fù)雜度。在10GE系統(tǒng)中，對處理資源較多的使用量會造成更高的系統(tǒng)功耗。

可擴(kuò)展性提供了具有競爭力的優(yōu)勢
無線基礎(chǔ)設(shè)施市場中的競爭是很激烈的。因為供應(yīng)商們彼此之間爭著要在每條線路卡上提供更多的用戶，所以建立可擴(kuò)展的系統(tǒng)就是至關(guān)重要的。系統(tǒng)設(shè)計人員必須設(shè)計出一種架構(gòu)，使其只需經(jīng)過簡單修改就能夠適應(yīng)性能的變化。RapidIO系統(tǒng)使用相同的寄存器組，就能夠輕松地從最低速率擴(kuò)展到最高速率?？捎玫亩丝谒俾适?、2、2.5、4、5、8、10、16和20Gb/s。相反，為了使以太網(wǎng)從1Gb速率升級到10Gb帶寬，則需要一組新的寄存器，并且要對系統(tǒng)軟件進(jìn)行大量的更改。10GE生態(tài)系統(tǒng)所缺少的另一個重要部件是小端口數(shù)交換機(jī)。大多數(shù)設(shè)備要面對的都是擁有眾多1GE端口卻只有2個10GE端口的大端口數(shù)底板或聚合設(shè)備。

S-RIO的優(yōu)點包括：延遲小且確定，系統(tǒng)處理器負(fù)荷較低，可靠性高，處理器與協(xié)議管理軟件之間的耦合度低。這些優(yōu)點使得S-RIO成為了無線應(yīng)用的默認(rèn)協(xié)議選擇。盡管10GE是無線基帶應(yīng)用的一種可行的選擇，但因其自身的劣勢，通常會被設(shè)計人員舍棄。通過使用RapidIO，設(shè)計人員能夠建立可擴(kuò)展的系統(tǒng)，盡量提高性能，同時盡量降低功耗與成本，并且能夠在高度競爭的市場上縮短完成時間。