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下一代網絡設備核心單元-網絡處理器應用研究
摘要：網絡處理器的設計、應用被認為是推動下一代網絡向高性能、靈活性方向發(fā)展的核心技術。本文從網絡設備研制角度，對網絡協(xié)議處理基本操作、網絡處理器產生技術需求、基本功能、體系結構特點、產品現(xiàn)狀、應用前景、未來發(fā)展進行研究。網絡高速發(fā)展，對下一代網絡設備提出以下要求：具有優(yōu)異性能，支持高速分組處理；具有高度靈活性，支持不斷變換高層網絡服務。傳統(tǒng)的基于ＧＰＰ（Ｇｅｎｅｒａｌ Ｐｕｒｐｏｓｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）的網絡設備只滿足靈活性要求；基于ＡＳＩＣ(Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ)的網絡設備只滿足高性能要求；網絡處理器能夠通過靈活的軟件體系提供硬件級的處理性能，基于ＮＰ（Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）的網絡設備具有高性能和靈活性。
１ 網絡處理器產生技術需求
以網絡設備核心部件更新為標志，網絡設備體系結構發(fā)展經歷了三個階段：
（１）以ＧＰＰ為核心的網絡設備體系結構
在網絡發(fā)展早期，網絡傳輸速率低，服務少，研究集中在服務框架構建和網絡協(xié)議實現(xiàn)。設備以ＧＰＰ為核心，在通用操作系統(tǒng)基礎上，以軟件方式實現(xiàn)各種網絡服務。目前許多邊緣設備：如防火墻、ＶＰＮ設備、ＶＯＩＰ設備，還在采用這種通用處理器＋通用操作系統(tǒng)＋專用網絡服務軟件的體系結構。其優(yōu)點是靈活性好，缺點是性能處理差。這種結構為支持各種復雜運算，采用通用體系結構和指令集，其通用性導致網絡性能處理差。
（２）以ＡＳＩＣ／ＲＩＳＣ為核心的網絡設備體系結構
隨著網絡帶寬的增長速度遠大于通用計算機處理的增長速度，網絡瓶頸變成基于ＧＰＰ的節(jié)點設備。采用基于ＡＳＩＣ和ＲＩＳＣ（ｒｅｄｕｃｅｄ ｉｎｓｔｒｕｃｔ ｓｅｔ ｃｏｍｐｕｔｅ）為核心的體系結構成為主流，尤其是骨干設備的設計。為獲取高性能，通常由ＲＩＳＣ負責非實時管理，ＡＳＩＣ負責高速數(shù)據(jù)處理。這種結構缺點是開發(fā)周期長，缺乏靈活性。ＡＳＩＣ不具備可編程性，一旦將計算邏輯固化到硬件，很難修改。設計制造復雜ＡＳＩＣ需要花費１８個月到兩年時間，設備制造商必須準確預測未來的市場需求和技術趨勢。
（３）以ＮＰ為核心的網絡設備體系結構
在新信息技術、用戶需求、市場競爭三駕馬車牽引下，未來網絡需求出現(xiàn)新特點，主要集中在以下三方面：（１）高性能壓力依舊存在：按照摩爾定律，電處理器處理速度每１８個月增加一倍；但隨著ＤＷＤＭ等光纖技術在主干網絡的廣泛應用，每１２個月光纖鏈路容量就增加一倍。因此以電處理器為核心的路由器仍然是網絡發(fā)展瓶頸。在低廉光處理技術出現(xiàn)之前，需要充分挖掘現(xiàn)有電處理技術。（２）靈活性要求更為迫切：Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的爆炸性增長，數(shù)據(jù)通信市場的瞬息萬變，使得服務提供商和設備提供商面臨流量增加、用戶增多的嚴峻挑戰(zhàn)，面臨根據(jù)用戶復雜多變要求，快速提供、部署不同服務的市場挑戰(zhàn)。服務提供商希望設備提供商提供保護已有巨額投資的平滑升級解決方案。面對這些挑戰(zhàn)，只有采用靈活性好，開發(fā)成本低，周期短，可持續(xù)性網絡開發(fā)技術，才能在未來市場占據(jù)先機。（３）高層細化處理更為關鍵：網絡應用范圍不斷擴大、新型業(yè)務不斷涌現(xiàn)，導致新協(xié)議不斷出現(xiàn)，對服務質量和安全性能的要求越來越高。核心問題在于：設備能夠在網絡２～７層上對高速數(shù)據(jù)流進行細化分組分類處理，而不僅是在網絡２～３層上進行數(shù)據(jù)流的簡單存儲轉發(fā)處理。數(shù)據(jù)分組處理涉及層次越多，系統(tǒng)資源負荷開銷就越大。
在高速數(shù)據(jù)流高層細化處理背景下，ＮＰ技術為下一代網絡的核心技術。其特點是：ＮＰ針對數(shù)據(jù)分組處理，采用優(yōu)化體系結構、專用指令集、硬件單元，滿足高速數(shù)據(jù)分組線速處理要求；具有軟件編程能力，能夠迅速實現(xiàn)新的標準、服務、應用，滿足網絡業(yè)務復雜多樣化需求，靈活性好；設備具有軟件升級能力，滿足用戶設備硬件投資保護需求。此外為縮短設備提供商的產品研制周期，ＮＰ廠商通常會提供配套硬件評估板和規(guī)范軟件應用范例。
２ 網絡處理器概念
網絡處理器是面向網絡應用領域的應用特定指令處理器?熏是面向數(shù)據(jù)分組處理的、具有體系結構特征和／或特定電路的、軟件可編程器件。通過靈活的軟件體系提供硬件級的處理性能是ＮＰ的關鍵特性。
在以ＧＰＰ和ＡＳＩＣ／ＲＳＩＣ為核心的設備體系結構階段，對２～３層數(shù)據(jù)處理采用“存儲——轉發(fā)”數(shù)據(jù)分組處理模式。隨著網絡發(fā)展，需要對２～７層的數(shù)據(jù)分組采用“存儲——處理——轉發(fā)”數(shù)據(jù)分組處理模式才能實現(xiàn)復雜的ＱＯＳ、安全控制、負載均衡等功能模塊。ＮＰ的出現(xiàn)，標志著設備對數(shù)據(jù)分組的處理能力從低層粗放式處理過渡到高層細化處理。
３ 網絡應用處理基本操作
在對ＡＴＭ、ＶＬＡＮ、ＭＰＬＳ、ＩＰｖ４、ＩＰｖ６、ＩＰＳｅｃ、ＵＤＰ、ＴＣＰ、ＮＡＴ、Ｗｅｂ交換、ＱＯＳ協(xié)議等多種協(xié)議和應用的分析基礎上，參考文獻?眼１?演歸納對單個數(shù)據(jù)分組處理的六種基本操作：（１）模式匹配：對分組字段的比特進行匹配。輸入為需要匹配值和分組字段值，輸出為某個確定邏輯值。（２）檢索：根據(jù)某個關鍵字查找數(shù)據(jù)。通常與模式匹配聯(lián)合使用，用于查找表中的某個特定數(shù)據(jù)項。數(shù)據(jù)結構和算法取決于關鍵字的大小和需要搜索的類型（一對一或一對多）。（３）計算：對不同協(xié)議，數(shù)據(jù)分組的計算處理差異很大。如：ＩＰＳＥＣ中需要對整個分組進行加密、解密、鑒別等計算；而多數(shù)協(xié)議都要求進行ＣＲＣ效驗計算。（４）數(shù)據(jù)處理：對分組報頭的修改便視為數(shù)據(jù)處理。如：數(shù)據(jù)分組的分割、重組；ＩＰＶ４中的ＴＴＬ字段每跳減一修改。（５）隊列管理：對進出的協(xié)議數(shù)據(jù)單元進行存儲和出入管理。負責實現(xiàn)數(shù)據(jù)報文在分組分割／重組的存儲操作，以及與ＱＯＳ相關的流量整形和流量工程策略。（６）控制處理：通常涉及不需要線速執(zhí)行的管理任務，如：異常處理、表更新、統(tǒng)計數(shù)據(jù)匯總等。
通過繼承ＡＳＩＣ和ＲＩＳＣ分層處理合理思想，ＮＰ將網絡處理任務劃分為控制面和數(shù)據(jù)面兩個層次：控制面負責非實時性的管理和策略控制任務，數(shù)據(jù)面負責承載高速多變的數(shù)據(jù)分組處理。目前ＮＰ主要任務是進行數(shù)據(jù)分組的線速分析、處理及轉發(fā)，通過上述六種基本操作組合，實現(xiàn)以下功能：協(xié)議識別／分類、數(shù)據(jù)包拆分／重組、排隊／接入控制、流量整形／流量工程、數(shù)據(jù)包修正、差錯檢測。隨著ＳＯＣ技術發(fā)展，ＮＰ將集成更多設備級功能。
４ 網絡處理器體系結構簡介
４．１ Ｉｎｔｅｌ公司ＩＸＰ１２００網絡處理器介紹
ＩＸＰ１２００系列是Ｉｎｔｅｌ公司ＩＸＡ架構的核心產品，組成如下：１個主頻最高可達２３２ＭＨｚ的處理核心ＳｔｒｏｎｇＡＲＭ；６個ＲＩＳＣ結構的可編程微引擎，每個微引擎又包含４個硬件線程；６４位ＩＸ Ｂｕｓ；３２位的ＳＲＡＭ接口單元，工作頻率為核心頻率的一半；６４位的ＳＤＲＡＭ接口單元
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