網(wǎng)絡(luò )處理器的發(fā)展及應用

我們所熟悉的通信網(wǎng)的基本結構是由傳統的電路交換系統和基于分組的交換系統構成，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )都是由一系列小的網(wǎng)絡(luò )、傳輸和終端設備組成, 網(wǎng)絡(luò )之間互通性差、可管理性不強，網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)不靈活。隨著(zhù)電子商務(wù)、多媒體業(yè)務(wù)和VoIP等業(yè)務(wù)的出現對帶寬的要求越來(lái)越高，同時(shí)，對網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)流量的控制能力和網(wǎng)絡(luò )安全也提出了更高的要求。

為適應這些網(wǎng)絡(luò )需求，當今網(wǎng)絡(luò )正在向NGN(Next Generation Network)的方向發(fā)展，下一代網(wǎng)絡(luò )是可以提供包括話(huà)音，數據和多媒體等各種業(yè)務(wù)的綜合開(kāi)放性網(wǎng)絡(luò )構架，采用開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò )構架體系、業(yè)務(wù)驅動(dòng)的網(wǎng)絡(luò )、基于統一協(xié)議的基于分組的網(wǎng)絡(luò )。這就要求各設備、芯片制造商開(kāi)發(fā)生產(chǎn)出適應性更強、功能更強大的相關(guān)設備以滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò )發(fā)展的需求。而具有可編程性、強大處理能力的網(wǎng)絡(luò )處理器NP(Network Processor)正是適合成為這些設備的核心功能單元。

網(wǎng)絡(luò )處理器的發(fā)展

網(wǎng)絡(luò )設備如路由器和交換機的體系結構的發(fā)展基本上經(jīng)歷了基于通用處理器的體系結構和基于A(yíng)SIC、RISC的體系結構兩個(gè)階段。

基于網(wǎng)絡(luò )處理器的體系結構是在以上兩種體系結構的基礎上，綜合了雙方優(yōu)點(diǎn)推出的一種新型的體系結構。網(wǎng)絡(luò )處理器是一種可編程ASIC，不但可為系統提供類(lèi)似ASIC的處理速度，而且可以提供類(lèi)似通用處理器的靈活性。網(wǎng)絡(luò )處理器主要被用于處理線(xiàn)速(wire-speed)數據，進(jìn)行協(xié)議分析和數據分類(lèi)，位于物理接口處理器和交換架構之間。

網(wǎng)絡(luò )處理器的功能特性

網(wǎng)絡(luò )處理器具備完全的可編程能力，可以實(shí)現OSI網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧2~7層的處理，對諸如信元、分組數據流等多種協(xié)議數據類(lèi)型的支持滿(mǎn)足了邊緣設備的需要；同時(shí)簡(jiǎn)單高效的編程開(kāi)發(fā)特征為網(wǎng)絡(luò )處理器走向市場(chǎng)奠定了基礎；強大的處理能力可以實(shí)現高帶寬的線(xiàn)速處理；開(kāi)放的高度集成的體系結構使得基于網(wǎng)絡(luò )處理器的網(wǎng)絡(luò )設備易于系統擴展。網(wǎng)絡(luò )處理器的主要任務(wù)是數據包的分析、處理及轉發(fā)，因而其主要的功能包括以下幾部分：

協(xié)議識別和分類(lèi)：根據數據包的協(xié)議類(lèi)型、端口號、目的地址、以及其它特定于協(xié)議的信息對數據包進(jìn)行識別。

拆裝和重組：數據包的拆分，處理，以及為轉發(fā)而重組。

排隊和接入控制： 識別出數據包之后，將這些數據包送往相應的隊列中以進(jìn)行下一步處理，如優(yōu)先處理，流量整形等。同時(shí)，可根據某些安全接入策略進(jìn)行數據包過(guò)濾，確定是繼續轉發(fā)，還是丟棄。

流量整形和流量工程： 某些協(xié)議或應用要求對流量進(jìn)行整形以使之在進(jìn)入輸出線(xiàn)或輸出光纖時(shí)滿(mǎn)足時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)的要求。

QoS(Quality of Service)和CoS(Class of Service)：除了對數據包進(jìn)行流量整形外，數據包還可以被打上標簽送往下一網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)進(jìn)行更加有效的處理。

修正數據包 ：編輯數據包并添加額外的信息。

差錯檢測 ：正確檢測來(lái)自數據鏈路層的有差錯的數據包并能采取有效的處理措施。

網(wǎng)絡(luò )處理器的體系結構

隨著(zhù)Intel 和IBM等公司大舉進(jìn)入網(wǎng)絡(luò )處理器市場(chǎng)，采用基于處理器體系結構的網(wǎng)絡(luò )處理器得到迅速發(fā)展，下面以Intel和IBM公司推出的網(wǎng)絡(luò )處理器家族中主流產(chǎn)品作一簡(jiǎn)單介紹。

IXP1200網(wǎng)絡(luò )處理器是Intel 公司推出的互聯(lián)網(wǎng)交換架構的網(wǎng)絡(luò )處理器之一，它由一個(gè)StrongARM處理器、六個(gè)微引擎(Microenginer)、存儲器接口和高速總線(xiàn)接口組成。IXP1200的主要功能模塊和體系結構的主要特征：

并行處理器結構： StrongARM核和6個(gè)微引擎均為RISC處理器，并行工作，StrongARM核主要負責協(xié)議控制平面和上層應用程序的處理，6個(gè)微引擎是32位的可編程RISC，有各自獨立的控制存儲器和局部寄存器，訪(fǎng)問(wèn)外部資源(SRAM、SDRAM和IXBUS等)的機會(huì )均等，提供大于2倍外部帶寬的內部總線(xiàn)帶寬。Intel 推出的微碼(Microcode)運行在微引擎上，微碼的可重載性為系統升級提供了極大的方便。

硬件多線(xiàn)程 ： 微碼指令的運行采用5級流水線(xiàn)機制，同時(shí)考慮訪(fǎng)存延遲，為提高微引擎的利用效率，采用硬件多線(xiàn)程，即每個(gè)微引擎同時(shí)運行4個(gè)線(xiàn)程，采用內部線(xiàn)程通信機制實(shí)現線(xiàn)程同步，提高了系統效率。

分布式數據存儲和內存組織優(yōu)化：IXP1200提供了多個(gè)存儲單元接口，利用專(zhuān)用的讀寫(xiě)寄存器實(shí)現對SRAM和SDRAM的訪(fǎng)問(wèn)，簡(jiǎn)化了編程模型，提高了存儲效率。同時(shí)SDRAM和SRAM均支持多個(gè)讀寫(xiě)隊列進(jìn)行優(yōu)先級排隊以?xún)?yōu)化帶寬。

可擴充的體系結構：IXP1200的IXBUS總線(xiàn)接口可以實(shí)現多個(gè)IXP1200的系統擴充。

Ixp1200網(wǎng)絡(luò )處理器提供了適應下一代網(wǎng)絡(luò )設備的開(kāi)放的體系機構，IX BUS總線(xiàn)不僅作為數據通道外接Ethernet MAC 、ATM、E1 等器件，還可實(shí)現多個(gè)IXP1200的系統擴展。

PCI標準接口為系統開(kāi)發(fā)調試提供了方便。多種存儲器接口為內部存儲訪(fǎng)問(wèn)、數據表查找效率的提高提供了硬件基礎。

IBM公司在網(wǎng)絡(luò )處理器的開(kāi)發(fā)上也推出了PowerNP 系列產(chǎn)品，如PowerNP 4GS3，能夠提供10/100 Ethernet、Gigabit Ethernet、POS等多個(gè)端口的連接，可以配置成40個(gè)10/100 Ethernet或者4個(gè)Gigabit 的端口，也可以配置成OC-48、4個(gè)OC-12端口，最高達到4Gbit的帶寬。IBM的網(wǎng)絡(luò )處理器同樣采用了基于處理器的結構，主要由以下幾部分組成：

EPC(Embedded Processor Complex)嵌入式處理器組：具備可編程能力的16個(gè)微處理器主要負責數據包的轉發(fā)處理。

入口EDS：對來(lái)自以太網(wǎng)物理層設備的幀進(jìn)行入隊、出隊和調度，送往交換組織。

出口EDS：對來(lái)自交換組織幀進(jìn)行入隊、出隊和調度，送往物理層設備。

入口和出口交換接口：完成中間交換或者與其他網(wǎng)絡(luò )處理器的內部連接。

入口、出口PMM(Physical MAC Multiplexer)：分別接收、發(fā)送來(lái)自Ethernet、POS物理層設備的幀。

嵌入式PowerPC：作為控制CPU，主要負責整個(gè)網(wǎng)絡(luò )處理器的管理和控制，同時(shí)負責協(xié)議幀的處理。

IBM網(wǎng)絡(luò )處理器同樣具有可擴充能力，多個(gè)網(wǎng)絡(luò )處理器組成一個(gè)交換和路由系統，實(shí)現2、3層直至更高層幀的線(xiàn)速轉發(fā)處理(見(jiàn)圖1)。

網(wǎng)絡(luò )處理器的應用

基于其強大功能，網(wǎng)絡(luò )處理器可以被用于實(shí)現從邊緣網(wǎng)絡(luò )至核心網(wǎng)絡(luò )的一系列應用，如：

WAN/MAN 邊緣路由器；
多業(yè)務(wù)接入平臺：支持IP、ATM和MPLS；
企業(yè)網(wǎng)骨干交換機；
DSLAM和其他寬度應用設備，如3G無(wú)線(xiàn)基站、CMTS；
VPN網(wǎng)管/路由器；
防火墻和安全路由器；
IP 吉比特/太比特路由器；
IPv6路由器。

從概念上來(lái)看，以上所有的應用都是基于如圖2的體系結構，物理層把來(lái)自物理介質(zhì)的光、電信號轉換成一定格式的比特流幀，幀轉交到網(wǎng)絡(luò )處理器，網(wǎng)絡(luò )處理器通過(guò)兩條通道處理數據幀，快速通道，如數據通道或者轉發(fā)通道，實(shí)現線(xiàn)速處理轉發(fā)數據幀，這部分是由微引擎完成的；慢通道，如控制通道，完成小部分數據幀(如控制、信令、路由幀)的處理，這是由通用微處理器完成的。在采用背板交換的網(wǎng)絡(luò )設備中，由交換背板完成系統擴展和數據幀的交換。

下面以網(wǎng)絡(luò )處理器在IPv6核心路由器中的應用作一探討。IPv6路由器和IPv4路由器相比，主要的區別在硬件和軟件的實(shí)現方面。硬件需要支持IPv6的網(wǎng)絡(luò )處理器，以及更快速和更高容量的CAM(根據內容訪(fǎng)問(wèn)的存儲器)存儲芯片，而這方面目前還缺乏成熟的產(chǎn)品。軟件方面需要對原有的協(xié)議棧進(jìn)行重新實(shí)現，這將涉及大量的程序修改和編譯、調試工作，此外還需要增加一些新的協(xié)議和功能，如IDRP(域間路由協(xié)議)、即插即用支持、QoS的全面支持等。其中的難點(diǎn)和關(guān)鍵是網(wǎng)絡(luò )處理器。NPU在路由器中的角色相當于CPU在PC中的角色，它專(zhuān)門(mén)為網(wǎng)絡(luò )處理量身定制，以線(xiàn)速處理和轉發(fā)每個(gè)數據包，并且具有可編程能力，因此可以隨技術(shù)的發(fā)展而進(jìn)行現場(chǎng)升級。

IBM網(wǎng)絡(luò )處理器同樣具有可擴充能力，多個(gè)網(wǎng)絡(luò )處理器組成一個(gè)交換和路由系統，實(shí)現2、3層直至更高層幀的線(xiàn)速轉發(fā)處理。圖2給出了兩個(gè)網(wǎng)絡(luò )處理器擴充的配置圖，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò )處理器之間擁有全雙工的快速通道，可以配置成提供80個(gè)10/100 Mbps以太網(wǎng)端口，或者是60個(gè)10/100 Mbps以太網(wǎng)端口加上2個(gè)千兆口，同樣也可配置成8個(gè)千兆口。

核心路由器主要有百兆、千兆線(xiàn)卡、交換背板、交換板和主控模塊板組成，從圖3中看出4個(gè)線(xiàn)卡支持96個(gè)10/100Mbps以太網(wǎng)口，一個(gè)千兆的線(xiàn)卡支持6個(gè)千兆以太網(wǎng)口，其中交換模塊通過(guò)背板直接和各個(gè)線(xiàn)卡相連，另外加上一個(gè)控制模塊。

其中百兆的交換線(xiàn)卡模塊主要有2個(gè)IXP1200構成，其交換模塊為IXE2424，每個(gè)端口都有IPv6路由功能，千兆模塊主要有Intel第二代網(wǎng)絡(luò )處理器IXP2400構成，其交換模塊為IXE5416。

另外一個(gè)典型應用是開(kāi)發(fā)基于網(wǎng)絡(luò )處理器的防火墻，利用網(wǎng)絡(luò )處理器的可編程能力可以容易實(shí)現防火墻的數據包過(guò)濾、訪(fǎng)問(wèn)控制、入侵檢測、地址轉換等功能，并且可以在同一硬件平臺上對軟件升級以滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需要?；诰W(wǎng)絡(luò )處理器的防火墻是硬件防火墻，因此有線(xiàn)速處理能力。目前國外的廠(chǎng)商已經(jīng)推出了基于網(wǎng)絡(luò )處理器的防火墻產(chǎn)品，我們國內的一些公司也正在加快這方面的開(kāi)發(fā)與研究，相信很快就會(huì )有相應的產(chǎn)品問(wèn)世。

結語(yǔ)

網(wǎng)絡(luò )處理器通過(guò)十分靈活的體系結構和強大的處理能力，將可編程能力和ASIC的處理能力有機的結合在一起，從而帶來(lái)更為智能的網(wǎng)絡(luò )設備、更短的產(chǎn)品研發(fā)周期以及更便捷的系統升級方式。各大廠(chǎng)商均推出了10Gbps的網(wǎng)絡(luò )處理器和其他的編程模型，40G 的網(wǎng)絡(luò )處理器正在逐步推向市場(chǎng)。網(wǎng)絡(luò )處理器論壇(Network Processing Forum, NPF)在公共交換接口協(xié)會(huì )和公共編程接口論壇的基礎上成立，加快了網(wǎng)絡(luò )處理器的發(fā)展步伐。在今后幾年里網(wǎng)絡(luò )處理器將迅速得以普及應用，代表著(zhù)下一代網(wǎng)絡(luò )設備的核心功能單元，將有著(zhù)非常巨大的發(fā)展空間。

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