TCAM

TCAM (ternary content addressable memory)是一種三態內容定址存儲器，主要用於快速查找ACL、路由等表項。

基本介紹

• 外文名：ternary content addressable memory
• 簡稱：TCAM
• 性質：三態內容定址存儲器
• 作用：用於快速查找ACL、路由

簡介

它是從CAM的基礎上發展而來的。一般的CAM存儲器中每個bit位的狀態只有兩個，“0”或“1”，而TCAM中每個bit位有三種狀態，除掉“0”和“1”外，還有一個“don’t care”狀態，所以稱為“三態”，它是通過掩碼來實現的，正是TCAM的這個第三種狀態特徵使其既能進行精確匹配查找，又能進行模糊匹配查找，而CAM沒有第三種狀態，所以只能進行精確匹配查找。

特點

1、TCAM 表內所有條目都可以並行訪問，比如，如果你有100條ACL，TCAM能一次就能對比這100條ACL進行對比操作，過去如果有100條ACL的話，需要第一條ACL對比完後再對比第二條，然後第三條，直至N條，效率很明顯沒有TCAM高。

2、TCAM得結構已經經過了最佳化，支持更抽象的操作，通常是基於二進制關鍵字匹配，查詢相當快

如FIB TCAM中每個表項都有對應的下一條，而每個下一條又維護了下一條鄰居的MAC。

2、正因為有上邊的這些特性，所以無論表內有多少條數目，性能都不會減弱。

3、TCAM 包含多組的Mask 與Value 對應關係，對應比例為1:8，一個Mask可對應8個Value。最長掩碼位於TCAM頂部，如255.255.255.255位於最頂部，用於最長匹配，提升查找速率。

4、Mask 用於表示Value 的匹配方法，1 為必須比較並匹配，0 為不用比較。

5、TCAM的可用掩碼、值模式、LOU表項有限，如果訪問列表很大或需要很多第四層運算，TCAM表和暫存器很可能溢出。

6、TCAM成本比較高，存儲空間的單位價格高於普通的sram，而且耗能也遠遠高於sram

7、由於TCAM的並行查找特性和三態，存儲必須以前綴形式來存儲，比如一個range需要拆分成幾個更小的可以表示成前綴形式的range才可以存儲在TCAM中

查找操作

1、從包的內容中讀取相關欄位（如，前綴、掩碼等）

2、創建查找關鍵字（lookup key）

3、用lookup key和TCAM中的Value段對比，如果匹配了某Value，則將該Value和對應的Mask關聯

4、返回最長匹配結果（值(Value)+掩碼(Mask))=結果）

相關組件

FM

（特性管理器）

在創建或配置訪問列表後，FM軟體將匹配語句編譯（合併）為TCAM表項，這樣就可以以幀轉發速度查詢TCAM

SDM

（交換資料庫管理器）

在某些Catelyst交換機中，可以將TCAM劃分為不同的功能區域，SDM軟體將配置或調整TCAM分區，Catelyst4500 和6500交換機，TCAM是固定的，不能分區。

生產商

主要有：

1.XeL(雄立科技)

2.Netlogic

這二家分別將TCAM器件稱作Intelligent Search Engine(ISE) 和Knowledge-based Processor(KBP)。

相關用途

主要有：

1).ATM Switching設備中的VCI/VPI轉發和ATM-to-MPLS or ATM-to-TCP-Flow地址映射表項的存儲和查找；

2).Ethernet Switching設備中的二層MAC地址、ARP/RARP解析和三層IP路由表項的存儲和查找；

3).Emerging Protocols and functions方面的MPLS label表項的存儲和查找；

4).Packet Classification業務中的Enforce security、Enforce departmental policies和QOS檢測表項的存儲和查找；

5).安全防護設備中的FIB/LBT、MFIB及ACL表項存儲和查找。

套用

傳統的表項查找方法有很多，主要有：線型查找法、二叉樹查找法、哈希表查找等，這些查找方法都是基於SRAM的軟體查找方法，共同特點是查找速度慢。線型查找法需要遍歷表中的所有表項；二叉樹查找法需要遍歷樹中大多數節點，而且查找速度受樹的深度影響較大；哈希表查找法是軟體查找中較快的一種方法，它是根據設定的哈希函式H(key)和處理衝突方法將一組關鍵字映象到一個有限的地址區間上，並以關鍵字在地址區間中的象作為記錄在表中的存儲位置，這種表稱為哈希表或散列，所得存儲位置稱為哈希地址或散列地址。雖然哈希表查找法相對來說比較快，但還是滿足不了高速實時通信系統(如40G/100G POS)的極速查找需求。 基於硬體的TCAM查找法正是在這種背景下提出的，用此方法進行查找時，整個表項空間的所有數據在同一時刻被查詢，查找速度不受表項空間數據大小影響，每個時鐘周期完成一次查找，平均查找速度是基於SRAM算法查找的6倍，最好情況下，能達到128倍。

TCAM的硬體設計方式

TCAM器件的硬體設計方式一般有三種，如下圖所示：

tcam硬體設計原理圖

網路處理器NP從報文頭中把需要查找的信息提取出來，這個待查找的信息要整理成跟TCAM所存表項的格式一致，稱之為KEY。KEY作為TCAM的輸入數據，經過與表項對照，如果有匹配的表項，就把該表項所在的地址作為輸出，稱之為Index。然後將Index作為RAM的地址輸入，從RAM里得到所需查找的信息，稱之為Data。最後將Data返回給發起查找操作的NP，至此完成一次查找操作。

TCAM在高端路由器中的套用及查找過程

TCAM在高端路由器中的套用

CAM和TCAM的基本存儲單元

cam存儲單元圖

tcam存儲單元圖