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下一代網(wǎng)絡(luò)設(shè)備核心單元-網(wǎng)絡(luò)處理器應(yīng)用研究
摘要：網(wǎng)絡(luò)處理器的設(shè)計(jì)、應(yīng)用被認(rèn)為是推動(dòng)下一代網(wǎng)絡(luò)向高性能、靈活性方向發(fā)展的核心技術(shù)。本文從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備研制角度，對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理基本操作、網(wǎng)絡(luò)處理器產(chǎn)生技術(shù)需求、基本功能、體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、產(chǎn)品現(xiàn)狀、應(yīng)用前景、未來(lái)發(fā)展進(jìn)行研究。網(wǎng)絡(luò)高速發(fā)展，對(duì)下一代網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(wǎng)絡(luò)服務(wù)。傳統(tǒng)的基于ＧＰＰ（Ｇｅｎｅｒａｌ Ｐｕｒｐｏｓｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備只滿足靈活性要求；基于ＡＳＩＣ(Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備只滿足高性能要求；網(wǎng)絡(luò)處理器能夠通過(guò)靈活的軟件體系提供硬件級(jí)的處理性能，基于ＮＰ（Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備具有高性能和靈活性。
１ 網(wǎng)絡(luò)處理器產(chǎn)生技術(shù)需求
以網(wǎng)絡(luò)設(shè)備核心部件更新為標(biāo)志，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備體系結(jié)構(gòu)發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段：
（１）以ＧＰＰ為核心的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備體系結(jié)構(gòu)
在網(wǎng)絡(luò)發(fā)展早期，網(wǎng)絡(luò)傳輸速率低，服務(wù)少，研究集中在服務(wù)框架構(gòu)建和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)。設(shè)備以ＧＰＰ為核心，在通用操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上，以軟件方式實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。目前許多邊緣設(shè)備：如防火墻、ＶＰＮ設(shè)備、ＶＯＩＰ設(shè)備，還在采用這種通用處理器＋通用操作系統(tǒng)＋專用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)軟件的體系結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點(diǎn)是靈活性好，缺點(diǎn)是性能處理差。這種結(jié)構(gòu)為支持各種復(fù)雜運(yùn)算，采用通用體系結(jié)構(gòu)和指令集，其通用性導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能處理差。
（２）以ＡＳＩＣ／ＲＩＳＣ為核心的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備體系結(jié)構(gòu)
隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬的增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)大于通用計(jì)算機(jī)處理的增長(zhǎng)速度，網(wǎng)絡(luò)瓶頸變成基于ＧＰＰ的節(jié)點(diǎn)設(shè)備。采用基于ＡＳＩＣ和ＲＩＳＣ（ｒｅｄｕｃｅｄ ｉｎｓｔｒｕｃｔ ｓｅｔ ｃｏｍｐｕｔｅ）為核心的體系結(jié)構(gòu)成為主流，尤其是骨干設(shè)備的設(shè)計(jì)。為獲取高性能，通常由ＲＩＳＣ負(fù)責(zé)非實(shí)時(shí)管理，ＡＳＩＣ負(fù)責(zé)高速數(shù)據(jù)處理。這種結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)是開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，缺乏靈活性。ＡＳＩＣ不具備可編程性，一旦將計(jì)算邏輯固化到硬件，很難修改。設(shè)計(jì)制造復(fù)雜ＡＳＩＣ需要花費(fèi)１８?jìng)�(gè)月到兩年時(shí)間，設(shè)備制造商必須準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來(lái)的市場(chǎng)需求和技術(shù)趨勢(shì)。
（３）以ＮＰ為核心的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備體系結(jié)構(gòu)
在新信息技術(shù)、用戶需求、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)三駕馬車牽引下，未來(lái)網(wǎng)絡(luò)需求出現(xiàn)新特點(diǎn)，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?jìng)�(gè)月增加一倍；但隨著ＤＷＤＭ等光纖技術(shù)在主干網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，每１２個(gè)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(wǎng)絡(luò)發(fā)展瓶頸。在低廉光處理技術(shù)出現(xiàn)之前，需要充分挖掘現(xiàn)有電處理技術(shù)。（２）靈活性要求更為迫切：Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的爆炸性增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)通信市場(chǎng)的瞬息萬(wàn)變，使得服務(wù)提供商和設(shè)備提供商面臨流量增加、用戶增多的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，面臨根據(jù)用戶復(fù)雜多變要求，快速提供、部署不同服務(wù)的市場(chǎng)挑戰(zhàn)。服務(wù)提供商希望設(shè)備提供商提供保護(hù)已有巨額投資的平滑升級(jí)解決方案。面對(duì)這些挑戰(zhàn)，只有采用靈活性好，開(kāi)發(fā)成本低，周期短，可持續(xù)性網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)技術(shù)，才能在未來(lái)市場(chǎng)占據(jù)先機(jī)。（３）高層細(xì)化處理更為關(guān)鍵：網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大、新型業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)，導(dǎo)致新協(xié)議不斷出現(xiàn)，對(duì)服務(wù)質(zhì)量和安全性能的要求越來(lái)越高。核心問(wèn)題在于：設(shè)備能夠在網(wǎng)絡(luò)２～７層上對(duì)高速數(shù)據(jù)流進(jìn)行細(xì)化分組分類處理，而不僅是在網(wǎng)絡(luò)２～３層上進(jìn)行數(shù)據(jù)流的簡(jiǎn)單存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)處理。數(shù)據(jù)分組處理涉及層次越多，系統(tǒng)資源負(fù)荷開(kāi)銷就越大。
在高速數(shù)據(jù)流高層細(xì)化處理背景下，ＮＰ技術(shù)為下一代網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)。其特點(diǎn)是：ＮＰ針對(duì)數(shù)據(jù)分組處理，采用優(yōu)化體系結(jié)構(gòu)、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(shí)現(xiàn)新的標(biāo)準(zhǔn)、服務(wù)、應(yīng)用，滿足網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)復(fù)雜多樣化需求，靈活性好；設(shè)備具有軟件升級(jí)能力，滿足用戶設(shè)備硬件投資保護(hù)需求。此外為縮短設(shè)備提供商的產(chǎn)品研制周期，ＮＰ廠商通常會(huì)提供配套硬件評(píng)估板和規(guī)范軟件應(yīng)用范例。
２ 網(wǎng)絡(luò)處理器概念
網(wǎng)絡(luò)處理器是面向網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)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(jié)構(gòu)特征和／或特定電路的、軟件可編程器件。通過(guò)靈活的軟件體系提供硬件級(jí)的處理性能是ＮＰ的關(guān)鍵特性。
在以ＧＰＰ和ＡＳＩＣ／ＲＳＩＣ為核心的設(shè)備體系結(jié)構(gòu)階段，對(duì)２～３層數(shù)據(jù)處理采用“存儲(chǔ)——轉(zhuǎn)發(fā)”數(shù)據(jù)分組處理模式。隨著網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，需要對(duì)２～７層的數(shù)據(jù)分組采用“存儲(chǔ)——處理——轉(zhuǎn)發(fā)”數(shù)據(jù)分組處理模式才能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的ＱＯＳ、安全控制、負(fù)載均衡等功能模塊。ＮＰ的出現(xiàn)，標(biāo)志著設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)分組的處理能力從低層粗放式處理過(guò)渡到高層細(xì)化處理。
３ 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用處理基本操作
在對(duì)ＡＴＭ、ＶＬＡＮ、ＭＰＬＳ、ＩＰｖ４、ＩＰｖ６、ＩＰＳｅｃ、ＵＤＰ、ＴＣＰ、ＮＡＴ、Ｗｅｂ交換、ＱＯＳ協(xié)議等多種協(xié)議和應(yīng)用的分析基礎(chǔ)上，參考文獻(xiàn)?眼１?演歸納對(duì)單個(gè)數(shù)據(jù)分組處理的六種基本操作：（１）模式匹配：對(duì)分組字段的比特進(jìn)行匹配。輸入為需要匹配值和分組字段值，輸出為某個(gè)確定邏輯值。（２）檢索：根據(jù)某個(gè)關(guān)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(gè)特定數(shù)據(jù)項(xiàng)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法取決于關(guān)鍵字的大小和需要搜索的類型（一對(duì)一或一對(duì)多）。（３）計(jì)算：對(duì)不同協(xié)議，數(shù)據(jù)分組的計(jì)算處理差異很大。如：ＩＰＳＥＣ中需要對(duì)整個(gè)分組進(jìn)行加密、解密、鑒別等計(jì)算；而多數(shù)協(xié)議都要求進(jìn)行ＣＲＣ效驗(yàn)計(jì)算。（４）數(shù)據(jù)處理：對(duì)分組報(bào)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(duì)列管理：對(duì)進(jìn)出的協(xié)議數(shù)據(jù)單元進(jìn)行存儲(chǔ)和出入管理。負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)文在分組分割／重組的存儲(chǔ)操作，以及與ＱＯＳ相關(guān)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(wù)，如：異常處理、表更新、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)匯總等。
通過(guò)繼承ＡＳＩＣ和ＲＩＳＣ分層處理合理思想，ＮＰ將網(wǎng)絡(luò)處理任務(wù)劃分為控制面和數(shù)據(jù)面兩個(gè)層次：控制面負(fù)責(zé)非實(shí)時(shí)性的管理和策略控制任務(wù)，數(shù)據(jù)面負(fù)責(zé)承載高速多變的數(shù)據(jù)分組處理。目前ＮＰ主要任務(wù)是進(jìn)行數(shù)據(jù)分組的線速分析、處理及轉(zhuǎn)發(fā)，通過(guò)上述六種基本操作組合，實(shí)現(xiàn)以下功能：協(xié)議識(shí)別／分類、數(shù)據(jù)包拆分／重組、排隊(duì)／接入控制、流量整形／流量工程、數(shù)據(jù)包修正、差錯(cuò)檢測(cè)。隨著ＳＯＣ技術(shù)發(fā)展，ＮＰ將集成更多設(shè)備級(jí)功能。
４ 網(wǎng)絡(luò)處理器體系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介
４．１ Ｉｎｔｅｌ公司ＩＸＰ１２００網(wǎng)絡(luò)處理器介紹
ＩＸＰ１２００系列是Ｉｎｔｅｌ公司ＩＸＡ架構(gòu)的核心產(chǎn)品，組成如下：１個(gè)主頻最高可達(dá)２３２ＭＨｚ的處理核心ＳｔｒｏｎｇＡＲＭ；６個(gè)ＲＩＳＣ結(jié)構(gòu)的可編程微引擎，每個(gè)微引擎又包含４個(gè)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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