[发明专利]一种FPGA中MAC地址查找表的实现方法

说明书

技术领域

本发明属于电通信技术领域，尤其涉及一种现场可编程门阵列中MAC地址查找表的实现方法。

背景技术

MAC查找表（以下简称查找表）用来实现数据查找转发，可以看成一块特殊的存储单元，里面存放有MAC地址及它所对应的端口号和生存时间，根据查找表对收到的帧的目的MAC地址来查找转发数据帧。基本原理是通过一定的算法把目的MAC地址转成查找表的查询地址，从而把该存储单元中的数据读出，找到目的端口号，把数据帧转发到对应端口上去。每当从某个端口收到一个源地址后，都要查表更新一下某个表项的生存时间，若长时间没有更新生存时间，则生存时间结束后，要删除该表项，防止设备位置移动后，仍然记录着一个无用的表项。

由于MAC地址是48bit，而一般的查找表容量在几万个以下，所以需要通过特定的映射把48bit的地址转成更少位宽的地址。常用的转换方法就是利用hash散列函数来实现把任意长度的消息压缩成特定位宽的消息摘要，通常称为索引值，索引值对应存储该MAC地址的地址，根据索引值查找。实际设计散列函数时不可避免的出现索引值冲突的问题，因此实际中，更多关注出现冲突后如何处理冲突的问题。

在构造哈希算法时首要考虑的是算法复杂度和对资源的消耗，然后维持碰撞大小在合理水平。对于一个N行，M列的查找表，它的容量大小为N×M，N表示可能的索引值总数，M表示每个索引值下允许发生M-1次碰撞，因此若某个索引值下发生了M次碰撞，则说明整个查找表发生了1次碰撞。虽然M取值越大，碰撞的可能就越小，但是M取值越大，查找表的查找速度就越低。

现在市场中对性能要求比较高的场合，采用ASIC实现MAC查找表的基本功能，然后再利用嵌入式微处理器、嵌入式操作系统和高速存储器(如RLDRAM)等实现具有可配置功能的交换机产品，但是对于性能要求不高的场合，常用的方法是采用一块FPGA来实现。

但是由于在FPGA实现查找表时，逻辑综合工具会为某一特定子功能综合出独立的逻辑电路，因此逻辑资源消耗很大。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于FPGA的MAC地址查找表的实现方法，有效的节约逻辑资源，维持索引值冲突在合理水平。

一种FPGA中MAC地址查找表的实现方法，用于在现场可编程门阵列FPGA中实现MAC查找表，包括步骤：

确定查找表的的随机存储器RAM结构；

确定查找表每个索引值对应的MAC地址数为M，将查找表拆分为M份；

对每一份查找表采用单独的老化逻辑资源，同时对M份查找表进行老化操作。

所述查找表的的随机存储器RAM结构为将MAC地址和端口号一起存储在一个RAM中，而对应的生存时间TTL存储在另一个RAM，所述MAC地址和端口号存储的RAM位宽为53bit，其中MAC地址占用48bit，端口号占用5bit，所述生存时间TTL存储的RAM位宽为5bit。一个最基本的查找表项需要包括48bit的MAC地址、5bit的目的端口号和5bit的生存时间TTL，而查找表的基本操作包括源MAC地址学习、目的MAC地址查找和查找表老化，其中源MAC地址学习需要存储MAC地址、目的端口号和TTL，目的MAC地址查找仅仅需要读取索引值下的MAC地址和目的端口号，查找表老化仅仅需要对TTL值进行操作，因此这样构造的查找表的数据组织结构，满足在读写时仅读写所需要操作的数据，尽量减少无用数据的读写，从而能尽量减少对逻辑资源的消耗。

进一步地，所述查找表容量为1K，所述查找表索引值对应的MAC地址数为2，将1K的查找表拆分为2个，分别为第一RAM与第二RAM，所述第一RAM包括第一53bit位宽RAM和第一5bit位宽RAM，所述第二RAM包括第二53bit位宽RAM和第二5bit位宽RAM。

进一步地，每个索引值对应于第一RAM和第二RAM的相同行。根据每个索引值对应的MAC地址个数将查找表分为相同结构的两个RAM，使得索引值冲突被维持在合理水平，兼顾索引值冲突和查找表查找速度。

所述索引值是通过哈希算法计算MAC帧中的MAC地址得到，将MAC地址每9比特分为一组，共分成6组，第6组不足9比特用0补充，然后通过下述公式计算得到索引值：

Hash(m)=A(m)+A(m+9)+A(m+18)+A(m+27)+A(m+36)+A(m+45)，其中m∈[0,8]。