基于多核處理器設計網(wǎng)絡(luò )接口卡

在IP網(wǎng)絡(luò )一統天下的時(shí)代，各種網(wǎng)絡(luò )設備都需要以太網(wǎng)接口來(lái)實(shí)現與其他設備的互聯(lián)互通，比如傳統的TDM設備就通過(guò)偽線(xiàn)技術(shù)實(shí)現了以太網(wǎng)封裝，具備了與IP網(wǎng)絡(luò )對話(huà)的能力。對于服務(wù)器來(lái)講，通常也需要配備網(wǎng)絡(luò )接口卡(NIC)來(lái)實(shí)現與其他網(wǎng)絡(luò )的數據對接與傳送。網(wǎng)絡(luò )接口卡可以幫助系統捕獲報文，對網(wǎng)絡(luò )性能進(jìn)行監測并檢測服務(wù)質(zhì)量，實(shí)現必要的OAM功能；在保障安全的IPSec功能基礎上，網(wǎng)絡(luò )接口卡還可以通過(guò)對接收流量進(jìn)行深度的報文檢測，識別不同應用與業(yè)務(wù)，對不同業(yè)務(wù)類(lèi)型進(jìn)行分門(mén)別類(lèi)的處理。

隨著(zhù)多核技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的網(wǎng)絡(luò )接口卡開(kāi)始采用多核處理器方案，通過(guò)分配不同的業(yè)務(wù)處理到不同的CPU核，多核架構可以靈活應對各種復雜的業(yè)務(wù)需求。不過(guò)，隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )帶寬的不斷提升，純CPU多核架構也面臨一些問(wèn)題。以網(wǎng)絡(luò )接口卡基本的安全功能為例，通常在第一層保護中需要ACL、防火墻/NAT/PAT、ALG、L2TP和IPSec VPN等；第二級保護中需要對接收數據深度檢測，進(jìn)而識別應用、ToE、IPSec；第三級保護中需要MAC/URL過(guò)濾，端口 /MAC認證等。如果將這些處理完全交給CPU，不僅CPU的業(yè)務(wù)負荷過(guò)大，影響到單板功耗和系統軟件設計，而且隨著(zhù)帶寬需求的不斷增加，CPU核會(huì )面臨處理瓶頸的問(wèn)題。

LSI公司推出的Axxia系列多核通信處理器，采用異構多核的方式，創(chuàng )新性的將多核與快速處理引擎通過(guò)專(zhuān)利技術(shù)虛擬管道(Virtual Pipeline)技術(shù)相連，解決了純CPU多核以及同構多核在處理復雜業(yè)務(wù)時(shí)性能下降的問(wèn)題，在保證業(yè)務(wù)線(xiàn)性處理的情況下仍然保留CPU核資源用于控制、管理、業(yè)務(wù)后處理等工作。

Axxia通信處理器

LSI公司第六代通信處理器的核心是高性能的多核處理器和一系列基于硬件的業(yè)務(wù)加速引擎，通過(guò)靈活的Axxia平臺架構，處理器核可以有多種選擇，如ARM、PowerPC或者M(jìn)IPS。本文將對以PowerPC為主的Axxia通信處理器進(jìn)行介紹，處理器的基本框圖如圖1所示。

圖1：基于PowerPC的AXXIA通信處理器內部框圖。

圖1中PPC476核由IBM和LSI聯(lián)合研發(fā)，兼容Power ISA Version 2.05，最高主頻可以達到2GHz；用來(lái)提供快速處理通路的各加速引擎得益于LSI公司多年來(lái)的研發(fā)積累，技術(shù)成熟可靠，多代產(chǎn)品經(jīng)過(guò)市場(chǎng)考驗，這些引擎主要包括：報文處理、安全引擎、正則處理引擎、流量管理/調度器(六級調度)。

Axxia設計采用異構多核的架構，創(chuàng )新性的采用虛擬管道技術(shù)來(lái)實(shí)現各加速引擎，CPU核以及各子系統間的通信，這個(gè)全新的消息傳遞機制保障Axxia無(wú)論報文長(cháng)短，系統負荷以及協(xié)議類(lèi)型都可以提供確定性的處理性能，避免同構多核在核數目與系統性能提升間不成比例的問(wèn)題。在虛擬化日益普及的情況下，低延時(shí)和可確定的處理性能已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò )設備的首選條件。

Axxia處理器提供一系列高速接口，包括8路基于SerDes的SGMII，2路基于XAUI的10GbE，3路PCIe接口，支持x1/x2/x4，同時(shí)它還支持IEEE1588v2協(xié)議。

網(wǎng)絡(luò )接口卡的硬件設計

Axxia兼備靈活的數據處理和強大的主控CPU，單芯片方案提供豐富的高速接口和低速調試接口，由此非常適合應用于嵌入式的單板設計。圖2為基于A(yíng)xxia芯片的網(wǎng)絡(luò )接口卡方案框圖。Axxia芯片的快速處理引擎可以用來(lái)實(shí)現數據層面的加速，PowerPC核可以用來(lái)實(shí)現附加功能以及主控層面的處理。

圖2：基于A(yíng)XXIA芯片的網(wǎng)絡(luò )接口卡方案框圖。

單板設計采用Axxia系列中中端的ACP3423，配置了2G DDR3 SDRAM，背板側PCIe x4 Gen2用做管理，6個(gè)SGMII和XAUI用做數據交換；網(wǎng)絡(luò )側為10GE SFP+；支持IEEE1588和同步以太網(wǎng)。

Axxia通信處理器為支持SGMII、XAUI、sRIO和PCIe等高速接口，芯片內部包含有多條SerDes PHY接口，這些協(xié)議可配置接口根據不同的發(fā)送和接收數據對被分成兩大組：SGMII/XAUI和sRIO/PCIe。對單板的硬件設計來(lái)講，這些高速接口的信號完整性非常重要，在設計過(guò)程中要保證PCB板、背板、線(xiàn)纜等有干凈的供電，良好的接地，在布線(xiàn)過(guò)程中要對走線(xiàn)做阻抗匹配。LSI公司提供了詳細的硬件設計文檔和SerDes設計文檔。

軟件開(kāi)發(fā)

如前文所述，Axxia確定性的性能來(lái)自于優(yōu)良的硬件架構，同時(shí)，作為整個(gè)接口卡方案的“靈魂”，LSI公司還為Axxia系列處理器的軟件開(kāi)發(fā)提供基于各種操作系統的軟件包，包括Axxia運行開(kāi)發(fā)環(huán)境RTE，Axxia軟件環(huán)境ASE等。對于網(wǎng)絡(luò )接口卡開(kāi)發(fā)還提供完整的Linux BSP實(shí)現以及Axxia應用開(kāi)發(fā)套件(ADK)。ADK由一系列針對特定協(xié)議的數據層和控制層軟件模塊組成，有了這些模塊軟件開(kāi)發(fā)者無(wú)需關(guān)注底層細節，可以很靈活方便的直接用高級語(yǔ)言如C進(jìn)行應用程序開(kāi)發(fā)。軟件基本框架如圖3所示。

圖3：Axxia軟件開(kāi)發(fā)框架。

應用案例

1．ARP(地址解析協(xié)議)處理加速

以太網(wǎng)中的數據幀從一個(gè)主機到達網(wǎng)內的另一臺主機不是根據32位的IP地址而是根據48位的以太網(wǎng)地址即硬件地址來(lái)確定接口。內核如驅動(dòng)必須知道目的端的硬件地址才能發(fā)送數據。由RFC826我們知道，ARP地址解析協(xié)議就用于將計算機的網(wǎng)絡(luò )地址即IP地址轉化為物理地址即MAC地址。由于傳統的物理網(wǎng)絡(luò )接入的是物理服務(wù)器，并且整個(gè)網(wǎng)絡(luò )只能為一個(gè)用戶(hù)使用，普通CPU就可以處理報文的ARP請求，但隨著(zhù)服務(wù)器的虛擬化，以及云計算多租戶(hù)的出現，網(wǎng)絡(luò )對ARP處理的性能需求也大幅提升。采用純CPU方案不僅大量耗費CPU資源，而且無(wú)法提供可確定的性能，無(wú)法防范可能的網(wǎng)絡(luò )攻擊。采用ACP3423的網(wǎng)絡(luò )接口卡方案就可以很好的解決這個(gè)問(wèn)題。

ACP3423處理ARP報文主要用到圖1中的網(wǎng)絡(luò )輸入輸出EIOA模塊和流分類(lèi)MPP模塊，無(wú)需內部PowerPC核的參與，也就是說(shuō)ARP流程完全卸載到快速通路來(lái)處理。EIOA模塊主要用來(lái)從網(wǎng)絡(luò )收發(fā)報文并執行以太CRC校驗；MPP模塊主要用來(lái)根據以太網(wǎng)類(lèi)型字段過(guò)濾ARP報文，ARP報文操作驗證諸如請求或者回復，MAC_DA flooding校驗，對給定AR_IP尋找對應AC_MAC，生成ARP響應報文等。ARP處理流程圖如圖4所示。

圖4：ARP地址解析協(xié)議處理流程圖。

以具有100K條目的ARP表項為例，Axxia可以處理超過(guò)1250萬(wàn)ARP報文/秒，即使在過(guò)載狀態(tài)，Axxia也可以保證確定性的性能，有效防范各種攻擊。

2. DPI(深度報文檢測)

在多租戶(hù)應用環(huán)境中，不同等級客戶(hù)會(huì )有不同的服務(wù)等級，此時(shí)傳統的五元組檢查無(wú)法提供精細的控制，這就需要有DPI技術(shù)來(lái)對報文進(jìn)行深入到7層的檢測。通過(guò)Axxia的流分類(lèi)引擎MPP，深度報文檢測DPI引擎以及內置的多核芯片，網(wǎng)絡(luò )接口卡可探測識別的應用種類(lèi)超過(guò)5500種。

處理流程既可以通過(guò)Axxia的MPP引擎檢測固定特性應用，也可以利用DPI引擎和CPU核對報文進(jìn)行深度排查?；诠潭ㄌ匦员淼膽米R別主要通過(guò)目的端口號和協(xié)議來(lái)識別應用，MPP引擎具有表查找功能；基于特征的應用識別通過(guò)DPI引擎來(lái)檢查特征時(shí)，在需要CPU干預或做后處理時(shí)，Axxia可以將報文送至內部CPU核做進(jìn)一步判別處理，也可以送至任意外部主處理器做進(jìn)一步操作。

本文小結

在數據中心的網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品應用中，既要保證交換速度足夠快，滿(mǎn)足某些金融用戶(hù)做高頻交易服務(wù)的需求，另一方面要把容量做得更大，更具擴展性，滿(mǎn)足像谷歌、Facebook這樣的互聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)的服務(wù)。LSI公司的異構多核通信處理器Axxia通過(guò)靈活的架構將硬件加速引擎與CPU相結合，很好解決了通用多核CPU處理效率與核數目增長(cháng)非線(xiàn)性的關(guān)系。Axxia完全卸載業(yè)務(wù)到快速通路的業(yè)務(wù)流程保證了系統具有確定性的性能，同時(shí)可減低系統的成本和功耗?；贏(yíng)xxia處理器的網(wǎng)絡(luò )接口卡很好的滿(mǎn)足了虛擬化環(huán)境下對網(wǎng)絡(luò )設備提出的新需求。