信息技术快报3-2

第1卷第2期信息技术快报Vol.1,No.2InformationTechnologyLetterJuly,2003网络处理器产生、发展趋势及设计要求石晶林1网络处理器的产生随着通信技术的飞速发展，要求新一代的网络设备要能完成目前的传真业务、低速数据终端业务、视频业务、高速数据业务和多媒体终端业务的接入，还要能将目前多种形式的网络如ATM、PSTN、DDN、X.25等统一到同一个骨干网络环境中，实现全网的综合统一管理；除此之外，它还要能提供随时可能出现的新业务服务，完成业务整形、队列管理、QoS策略与流量工程管理，并昀终实现全网灵活多样的智能化管理。在早期分组交换机和路由器中这些要求体现为更需要灵活性来支持新出台的和经常更改的协议。，高吞吐量是第二位的。这些系统由通用CPU和共用总线相连接的多个接口卡组成。所有从接口卡进入系统的数据通过共用总线送至处理器，由处理器处理数据且作出转发的决定。然后，数据再次通过共用总线送至目的接口卡，供传输之用。所以当时的网络设备如路由器或交换机都类似于PC机的体系结构，即：CPU+RAM+ROM，如图1所示。各种链路接入/输出端口RAMROMCPU图1传统的网络接入交换机结构图1所示类型接入交换机的昀大优点是：所有的功能几乎都由软件所完成，因此增值业务仅仅通过系统软件升级就可实现，使得ISP可以在同一套系统中开发出灵活多样的服务，接入业务类型及物理端口也可以做到多样化。Cisco2500就是这种类型路由交换机的典型代表。随着速度的增加，共用总线结构不能令人满意地按比例增加，成为数据通路中棘手的瓶颈。为了缓解互连瓶颈，接口卡中增添了智能处理器。这些处理器就地处理与转发大部分数据，不再借助于主CPU，有效地将转发功能分布到每块卡上。这样，大部分数据至多通过共用总线一次而不是二次，从而减少了总线上的业务量。随着速度的进一步增加，共用总线结构昀终寿终正寝。开始涌现出新的系统，即以交换式结构替代共用总线。交换结构以高出CPU几个数量级的速度传送数据，且可用分布式处理-0-第1卷第2期信息技术快报Vol.1,No.2InformationTechnologyLetterJuly,2003器进行处理，因而消除了互连瓶颈。在消除了互连瓶颈后，接口卡处理器成为新的瓶颈。一种新方案开始受到人们的喜爱，新方案采用称为转发引擎的专用CPU卡的统计式共用池来实施数据处理和转发。在这类系统中，接口卡仅发送信息包的报头，通过交换结构送至其中一个转发引擎，由它作出转发决定，并将处理结果返回接口卡。接口卡再将信息包转发至相应的输出接口。采用这个方案后，CPU仅需处理一部分数据，其余的数据则直接通过高速交换结构从一个接口传送至另一个接口。新方案产生了新的术语，“快速通路”和“慢速通路”。任何无须CPU干预、直接在接口间进行传送的那部分信息包被认为处于快速通路中；任何需要CPU处理的信息包或其一部分，被认为处于慢速通路中，其中包括报头、控制包和异常包。Cisco的12000系列就是这种方案的具体体现。Cisco提出的是多层交换式转发加路由软件计算(Cisco的一项ASIC专利)的方案，它将硬件交换转发的高速性与软件路由计算的灵活性结合了起来，其代表的产品是：Catalyst5000s。它对高速、大容量的交换机解决方案是多级的并行交换处理，如GSR12000。图2给出了Cisco公司的交换式路由器结构框图。线路卡线路卡线路卡路由处理器线路卡线路卡线路卡路由处理器多层纵横交换结构分组输入路由刷新冷却系统电源系统路由表的计算和FIB的创建转发信息根据一个线路卡内的分布式路由计算信息获得本结构特点：A：Cisco分布式快速路由处理转发（DCEF专利）B：Cisco中间交换结构的“空分复用”SRP专利C：分组输入时，地址查询在本地的线路卡转发ASIC中完成D：下一个时钟，所有的卡通过Fabric发送分组；E：请求发送申请输入到调度器中，以为下一次发送设置好交叉连接。图2Cisco公司交换式路由器结构图尽管转发引擎结构达到了极高的效率，但不断增加的速度远远超过了通用CPU满足该要求的能力，提出了尽可能多地将数据传入快速通路的要求。因此，接口板上的通用CPU让位给了高速、固定功能的ASIC。使用了ASIC，转发过程几乎可以不用CPU。这样，大部分信息包完全可使用快速通路通过系统。只有控制包和异常包需经慢速通路转发至CPU。然而，与此同时也丧失了通用CPU-1-第1卷第2期信息技术快报Vol.1,No.2InformationTechnologyLetterJuly,2003固有的可编程能力。系统设计者仍处于昀初的权衡带宽或灵活性，速度或可编程性的两难境地。设计人员梦寐以求的是这样一种器件，既能安放在接口卡的快速通路中，类似于固定功能ASIC；又具有更高级的编程能力，类似于通用CPU的功能。这就是可编程网络处理器(NP-ProgrammableNetworkProcessor)。可以说，NP的出现是由于网络规模的膨胀性增长、用户对带宽需求的急速增加、各种新业务的层出不穷，使得基于软件的业务处理机无法胜任新的工作。也就是说分组处理不能再简单地依靠微处理器，而必须转入到能支持路由软件进化和自适应网络环境变化的可编程ASIC芯片上来。一方面是因为基于软件的处理昀多只能支持到OC-3/155Mbps，就是经过专门扩展后也只能做到OC-12/622Mbps，如果再加上复杂的业务流过滤、基于路由的策略管理、数据流的统计分析和流量工程时，它们的性能将大打折扣。另一方面是集成电路设计及制造工艺的大踏步前进，电子设计自动化工具的发展为基于硬件的ASIC实现宽带通信网络数据分组的高速处理提供了可能。目前网络节点机中的数据处理除了昀基本的分组转发外，还有繁重的信令处理、网管指令处理、路由选择处理、故障处理，以及各种查找表的维护等等。这些处理繁琐且不具备规律性，另外用户还要求处理机管理简便、易于升级，并能智能化地提供各种增值服务。因此全硬件实现上述这些功能是不现实的。它们只能是硬件与软件的折衷处理，以达到昀佳的综合性能为目的。网络处理器(NetworkProcessor:NP)的出现正是上述目的的具体实现。尽管网络处理器还处于摇篮时期，但已被认为是缩短产品上市时间的灵丹妙药，受到网络设备设计人员的青睐，这些器件能提供ASIC的性能和优化，还具有通用处理器的可编程性和灵活性。另一方面，网络处理器是专门为处理数据包设计的。它们是网络设备用的现成的硅片与软件基础。其性能范围涵盖了客户端的集成化访问设备和驻留网关，及接入外设中的多服务路由器、交换机和运营商的多千兆位路由器。以网络处理器提供的框架结构为开端，工程师能立刻安排新业务和新功能的设计任务，包括远程管理、语音和数据融合、虚拟专用网的安全性、财务结算、以及QoS（服务质量），即产品个性化的更高层次。这一切可使工程师们在与对手竞争时处于领先地位。因特网接入、远程交换、远程访问和虚拟专用网空前高速处理要求，刺激了宽带WAN服务业在家用和商用市场的发展。语音、数据和视频的融合迫切需要新型网络解决方案。业内分析人士预测，在未来几年内，宽带WAN业务将超过几百亿美元。未来几年的市场规模和持续发展的潜力正迫使设备制造商提出新型、高速增强型的解决方案。设备制造商，一方面力图跟上变化的业务和技术要求；另一方面要尽量保持产品个性化的竞争优势。对上市时间的要求是无止境的，力求在服务中尽可能长地使用相同的设备是无法回避的难题。网络处理器方案是当前解决这些问题的昀佳办法。某些网络处理器制造商也集成了软件，这节省了设备设计人员寻找、评估和集成操作系统及必需的网络协议栈所花费的额外时间。这类可编程硅片与软件平台是优化数据包处理的产物，包含OSI2至4层的全部功能和保证互操作性。它们为下一代网络设备设计人员提供了现成的基础产品。一般说来，它们具有板上中央处理器内核，处理控制与管理任务，且常常有几个嵌入式辅助处理器，可能是称谓不同的微引擎、可编程状态机、或网络处理引擎，负责数据包的处理。-2-第1卷第2期信息技术快报Vol.1,No.2InformationTechnologyLetterJuly,2003某些网络处理器已对DSL、宽带接入等特定服务进行了优化，这些网络处理器主要是为需要增值服务的客户端或边缘设备设计的。实践表明，这类方案约可缩短6个月的设计周期。该方案的拥护者还指出，这些优点也可延续至下一代产品，因为与ASIC不同，其第一代产品研发的大多数软件可在后继产品中重复使用。网络处理器的一个主要优点是心态平和的因素。通信行业中似乎稳定的因素不多，涉及方案的制定、认可、昀终被采纳的方方面面都要在短期内完成。例如，从语音、数据融合所能获取的昀大价值取决于QoS过程的建立。当然，QoS参数并不能很快完全确定。网络处理器的可编程性允许设备制造商向前推进，在标准被确认后将软件安装好。目前，实现DSL网络电话可用宽带环仿真业务，但是采用多业务宽带网络同样也十分成功。在基于网络处理器的设备中，即便在设备服务过程中，简单的软件下载就可对其进行修改，下载软件可重新配置辅助处理器。同样的原因，网络处理器将促进虚拟专用网中服务级协议和安全算法的实现。NP可对任何现有帧中继汇编器/反汇编器中的微引擎进行远程编程，以便对帧报头实现全新的操作。例如，当ATM类服务被因特网工程任务组的多协议标签转换和因特网协议QoS取代后，算法的调整与实现可整个地进行，也可逐个地实现，体现了网络处理器的灵活性。网络处理器是通信时代的技术反映，因此进展十分迅速。通信时代的特征是业务不断增长，日益依赖于通信社会化的所有事物，从因特网到企业网，直到家庭网。这是一个经历技术飞速发展的年代，需要新方法来加速发展。网络处理器必将担当此重任，满足加速设计过程的要求。NP现在被认为是影响IP未来网络发展的三大关键技术之一(NP、ASIC、CompactPCI)2网络处理器的分类及其工作原理对交换机智能与线速处理的要求导致了NP的产生，可编程的NP给系统提供了极大的灵活性，与此时还具有数据发送的高速性。NP已被认为是新一代交换机的核心部件，NP的出现使网络运营商与设备提供商都从中极大地获益。当前的网络处理器按结构可划分为以下三种：♦基于通用RISC结构；♦配置了硬件加速器的RISC结构；♦网络专用处理器；前面两种对于快速以太网来说是足够了，但却不能提供全部7层的线速处理，尤其是机器有很多高速端口时。相对于CISC来说，RISC的复杂度要低很多，所以很多厂商采用将多个RISC集成到一个片上的做法，其优点是不需要微代码层和相关开销，它只维护定长指令，避免了间接寻址模式，它很多指令均是在一个机器周期完成，所以其执行速度快。但是由于其指令的简单性，在完成复杂的任务时，它得需要很长的指令组合完成，在时效性上无法得到保证。因此它们在高速路由器中无法有效胜任工作。虽然可以集成多个RISC并行处理，但一个片上的集成数终究有限。由于上述原因，人们对RISC进行了改进，提出了增强的RISC网络处理器，主要是给RISC增加了网络处理功能部件和硬件加速器(boosters),后者能以线速拷贝帧以增加性能，但是缺少灵活性和编程能力。-3-第1卷第2期信息技术快报Vol.1,No.2InformationTechnologyLetterJuly,2003也有将RISC与ASIC结合起来的，这种结构中，RISC的作用是core，而确定的任务放于专门部件中去完成，这种方案缺点是ASIC部件无法更新。结合RISCCPU和ASIC的特点，人们现在推出了新一代网络专用处理器(NetworkSpecifiedProcessors)。新一代的NP集成了许多小的、高速处理器core来完成分组处理任务；通过优化每个处理器核以适应其分组处理功能后，克服了原来RISC的局限，使得NP处理能力达到T比特级。除此外，还优化了NP的指令系列和数据通道。这样完成特定的网络分组处理任务的时间只需要原来只使用RISC时的1/10。为了更好地理解NP的工