基于網(wǎng)絡處理器的可編程路由器技術研究

1 前言

　　網(wǎng)絡處理器是現(xiàn)代綜合業(yè)務數(shù)據(jù)網(wǎng)絡不斷發(fā)展更新的產(chǎn)物,是一種基于可編程 ASIC 結(jié) 構的新一代SoC 芯片。它是為了適應下一代高速網(wǎng)絡特點，即為了能夠提供Qos,能夠不斷 適應新的網(wǎng)絡應用,能夠發(fā)展新的網(wǎng)絡管理模式以及能夠快速響應市場對新的網(wǎng)絡功能的需 求而推出的一種新的芯片產(chǎn)品。網(wǎng)絡處理器同時具有GPP 和ASIC 兩方面的優(yōu)點,即具有專用 集成芯片線速轉(zhuǎn)發(fā)報文的高速度特性同時又具有通用芯片的可編程性。近來對于網(wǎng)絡處理器 的研究非常活躍,國際各知名計算機芯片生產(chǎn)公司也紛紛推出自己的產(chǎn)品和標準。INTEL IXA(INTEL Internet Exchange Architecture，互聯(lián)網(wǎng)交換架構) 作為一種網(wǎng)絡處理架構， 是INTEL 公司網(wǎng)絡處理器的技術基礎。

　　在互聯(lián)網(wǎng)中,路由器具有核心的地位?；ヂ?lián)網(wǎng)一直在不斷向融合語音、數(shù)據(jù)等多種業(yè)務 的綜合開放結(jié)構發(fā)展。因此,路由器必須提供更高的吞吐量、服務質(zhì)量保證、可靠性和更多 的網(wǎng)絡管理功能。為了適應互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展變化,路由器的結(jié)構也一直在發(fā)展變化之中。 最初的路由器通常采用單一的通用CPU 來負責分組的處理和轉(zhuǎn)發(fā)。這種結(jié)構是在單一 CPU 中通過軟件來實現(xiàn)分組處理和轉(zhuǎn)發(fā),它的特點是實現(xiàn)簡單,可以通過修改軟件來提供新 的業(yè)務,缺點是單一CPU 處理能力有限,全軟件實現(xiàn)也難于實現(xiàn)高速分組轉(zhuǎn)發(fā)。因此,在高速 路由器中普遍采用了專用集成電路來負責數(shù)據(jù)的處理和轉(zhuǎn)發(fā),采用通用CPU 來負責路由器 的管理。

　　高速的專用集成電路,可以滿足日益增長的帶寬需求。但是由于專用集成電路的開 發(fā)時間長,并且在靈活性方面受到極大的限制,而不斷出現(xiàn)的新的業(yè)務卻期望廠商能夠在最短 時間內(nèi)更新路由器的功能。網(wǎng)絡處理器集中了專用集成電路的高速處理能力,同時還具有可 編程,擴展性強的特點,能夠很快適應業(yè)務的發(fā)展變化。因此基于網(wǎng)絡處理器的路由器得到了 許多網(wǎng)絡設備生產(chǎn)商和研究機構的重視，目前已有一些基于網(wǎng)絡處理器的路由器產(chǎn)品問世。

　　2 網(wǎng)絡處理器簡介

　　網(wǎng)絡處理器是一個被集成在一個半導體設備上的可編程器件。它主要用于優(yōu)化網(wǎng)絡處 理任務，這些任務是：接收包，處理包和轉(zhuǎn)發(fā)包。典型的網(wǎng)絡處理器由一個核心處理器和許 多包處理引擎組成。它利用并行分布式和流水線架構，并把高速度、靈活性的良好特性和可 擴充性相結(jié)合來提供更好的性能。 網(wǎng)絡處理器由兩類硬件功能單元組成，即網(wǎng)絡處理器單元和專用的智能協(xié)處理器／加 速器。網(wǎng)絡處理器運行的軟件是經(jīng)過優(yōu)化的,支持系統(tǒng)級應用和網(wǎng)絡專有功能。網(wǎng)絡處理器 單元是網(wǎng)絡處理器核心,它提供高速、大容量智能處理數(shù)據(jù)包功能,包括數(shù)據(jù)解析、分類和轉(zhuǎn) 發(fā)等等,因此網(wǎng)絡處理器單元常常被稱為數(shù)據(jù)包處理引擎。不同的協(xié)處理器則實現(xiàn)包分段／ 重組、加速查表、隊列／緩沖區(qū)管理、順序管理、存儲器控制和多播支持等功能。

　　為了保證關鍵數(shù)據(jù)包的實時處理, 網(wǎng)絡處理器一般將網(wǎng)絡處理任務劃分為數(shù)據(jù)層和控 制層兩個層面, 控制層面專門負責非實時性的管理和策略控制等,數(shù)據(jù)層面承載高速易變的 數(shù)據(jù)實時處理。網(wǎng)絡處理器位于數(shù)據(jù)通路物理接口處理器和背板之間, 它的典型功能包括： 分段和重組、協(xié)議識別和分類、排隊和存取控制、流量整形和流量工程、服務質(zhì)量。網(wǎng)絡處 理器的主要特征是其可編程特性和ASIC 處理性能的結(jié)合。

　　這一特征引發(fā)了通信系統(tǒng)設計的 革新,它使系統(tǒng)設計者擺脫了原先復雜、零散的設計,將注意力放在高層服務上,縮短產(chǎn)品推 向市場的時間,延長產(chǎn)品的生命周期,這也是生產(chǎn)商在激烈競爭中得以生存和發(fā)展的關鍵。表 1 中列出了網(wǎng)絡處理器七個關鍵的特性,它們來源于下一代網(wǎng)絡對網(wǎng)絡處理器編程能力、性 能和開放性的需求。

　　表 1：網(wǎng)絡處理器的七大特性

　　總之,網(wǎng)絡處理器技術是網(wǎng)絡發(fā)展的趨向,它不僅可以減少開發(fā)商的開發(fā)成本,縮短開發(fā) 時間,加快產(chǎn)品升級換代的能力,同時也保護用戶的利益,減少用戶在網(wǎng)絡新功能需要的投資 和升級換代的費用,所以無論在技術上還是在經(jīng)濟上都具有重要意義。

　　3 IXP1200 網(wǎng)絡處理器架構 IXP1200 由六個可編程的微引擎和一個協(xié)調(diào)系統(tǒng)行為的工作在200MHz 的StrongARM 內(nèi) 核組成。每個微引擎有四個硬件線程，在IXP1200 芯片上一共有24 個線程。除了微引擎， IXP1200 還用一些別的特殊的硬件設備來輔助進行包處理。 微引擎和StrongARM 還共享有 一個可編程的HASH 引擎和專門的隊列，IXP1200 網(wǎng)絡處理器的架構圖如圖1 所示。

　　下面我們將對 IXP1200 中的微引擎和StrongARM 做一個詳細的介紹。微引擎有一個特 別適用于處理網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的指令集。微引擎除了可以在單個指令里執(zhí)行位、字節(jié)、和長字操作外，還有帶有移位和循環(huán)移位的算術和邏輯操作。但是微引擎沒有整數(shù)乘或除、也沒有浮點 數(shù)操作。微引擎的乘法是通過反復進行加運算來完成的。在微引擎中每個指令占用一個長字 （32 位）的存儲空間。每個微引擎有一個獨立的可容納1024 條指令的4KB 的指令存儲器。 在微引擎開始運行之前，StrongARM 內(nèi)核上的代碼負責給這個指令存儲器裝入代碼。一旦微 引擎運行時，指令以一個五階段的流水線來運行，并且當流水線充滿時，平均只需用一個周 期去執(zhí)行一條指令。當指令阻塞在存儲器或設備存取操作完成時，或當跳轉(zhuǎn)指令迫使在流水 線中的某些指令退出執(zhí)行，平均的指令執(zhí)行時間就會長于一個周期。

　　在IXP1200 系列處理器上的StrongARM 內(nèi)核是基于INTEL 的SA-1 內(nèi)核。這個內(nèi)核實現(xiàn) 由ARM 公司定義的32 位的ARM V4 架構。StrongARM 內(nèi)核在計算能力和功耗上是一種折衷的 選擇。編程StrongARM 內(nèi)核和編程嵌入式通用處理器沒有太大的差別。

　　圖 1：IXP1200 網(wǎng)絡處理器架構

　　在一個微引擎的線程之間以輪轉(zhuǎn)方式實行非搶占式的硬件線程仲裁交換，而且只有準備 好運行的線程才能夠被交換到運行狀態(tài)。調(diào)度器保存有已準備運行的線程號，當有線程準備 放棄微引擎的控制權時，調(diào)度器在微引擎中以線程標志號的順序次序搜尋一個準備運行的線 程。對于有搶占式調(diào)度的操作系統(tǒng)，開發(fā)者不能控制也不能預測什么時候為了讓另一個代碼 塊運行而中斷一個指定的代碼塊。而在微引擎中，在另一個代碼被運行之前，當前代碼必須 明確放棄微引擎的控制權。這使得開發(fā)者可以控制代碼的實際運行情況。因為代碼訪問存儲 器是一個會消耗數(shù)十個周期的操作。所以一般情況下，當線程等待存儲器或別的硬件操作時， 線程會自動放棄對微引擎的控制權。當線程等待存儲器操作完成時，線程可以交換出去并允 許別的線程去運行。這種策略最大化了微引擎正在執(zhí)行的工作量。非搶占式線程調(diào)度使微引 擎能夠異步的處理存儲器。一個微引擎能明確選擇釋放微引擎的控制權，它也能選擇不釋放 控制權，等待一個存儲器操作。如，一個微引擎線程發(fā)出一個存儲器讀請求操作，然后又繼 續(xù)執(zhí)行其它指令。存儲器讀請求操作的完成信號然后能被異步的反饋給微引擎線程。異步存 儲器讀操作是微引擎和大多數(shù)通用處理器的一個重要的區(qū)分。

　　4、基于網(wǎng)絡處理器的路由器

　　在網(wǎng)絡發(fā)展初期,網(wǎng)絡傳輸?shù)乃俾瘦^低,沒有必要用專用的處理器處理分組,用原有的通 用處理器就可以滿足分組轉(zhuǎn)發(fā)的速率要求,但隨著網(wǎng)絡速度的提高,通用處理器已經(jīng)不能適 應網(wǎng)絡高速發(fā)展的需要。因此,需要想辦法提高路由器的性能,利用硬件處理分組的轉(zhuǎn)發(fā)是很 自然能想到的方法,所以就出現(xiàn)了基于ASIC 的路由器?；贏SIC 的路由器仍是當前提高網(wǎng) 絡設備速率的主流,它的最大缺點是缺乏靈活性,一旦把特性嵌入到硅片上,就很難來增加新 的特性和改善性能。設計和制造一個復雜的ASIC 要花費12 個月到兩年的時間,這對路由器 廠商來說,需要在發(fā)展周期中提前預測出市場可能最需要的特性和協(xié)議。它以失去靈活性和 快速響應市場的能力作為代價來獲取速度。隨著網(wǎng)絡應用領域的迅速擴大,新的特性(虛擬局 域網(wǎng)VLAN、虛擬專用網(wǎng)VPN 等)和用戶的新需求(多媒體、視頻點播、視頻會議等)不斷出現(xiàn) 和變化,這樣,由于ASIC 固有的不靈活性,導致廠商不能快速地對用戶要求的功能做出響應, 使廠商失去了快速響應市場的能力,于是人們在研究一種既能滿足性能要求又能滿足靈活的 處理器,這就是網(wǎng)絡處理器。除此之外,ASIC 還有引腳太多(200～400 個引腳),價格昂貴等缺 點。另外,局域網(wǎng)流量的分布變化促進了網(wǎng)絡處理器的發(fā)展。由Internet 規(guī)模和應用的發(fā)展, 以往大部分的通信限于局域網(wǎng)內(nèi)部,而現(xiàn)在有相當一部分的信息是和局域網(wǎng)外部網(wǎng)絡進行交 換的。而且這種趨勢還會不斷地增加,這使得分組將傳輸在更復雜的,多種多樣的網(wǎng)絡體系上, 相應地,安全問題(如加密、授權與鑒定、高級監(jiān)控和入侵監(jiān)測等)也成為重點考慮的對象, 為了提供不同服務質(zhì)量(如IP 廣播、高級的服務質(zhì)量Qos),網(wǎng)絡控制也將復雜得多,所有這 些要求路由器變得更加智能,同時要以線速處理7 層網(wǎng)絡協(xié)議(OSI)的高層內(nèi)容,以滿足用戶 要求的不同服務,由于ASIC 是用硬件來實現(xiàn)這些性能的,不能進行編程,所以就不能快速滿 足用戶的這些新要求,于是,基于網(wǎng)絡處理器的路由器應運而生。

　　從功能分，路由器可分為通用路由器與專用路由器。一般所說的路由器為通用路由器。 專用路由器通常為實現(xiàn)某種特定功能對路由器接口、硬件等作專門優(yōu)化。例如接入服務器用 作接入撥號用戶，增強PSTN 接口以及信令能力；VPN 路由器增強隧道處理能力以及硬件加 密；寬帶接入路由器強調(diào)寬帶接口數(shù)量及種類。

　　目前路由器有以下三種實現(xiàn)方法：基于通用處理器的軟件路由器、基于ASIC 的路由器、 基于網(wǎng)絡處理器的路由器。第一種路由器的優(yōu)點是：可靈活的升級系統(tǒng)；易于支持增加的接 口；可以更快的開發(fā)新產(chǎn)品并縮短產(chǎn)品的進入市場時間。核心處理器執(zhí)行所有的路由功能。 缺點是不能升級到高帶寬。第二種路由器的優(yōu)點是：能提供線速性能；ASIC 被用于包或幀 的轉(zhuǎn)發(fā)、CPU 被用于控制功能的架構提供了速度和靈活性。確定是缺乏靈活性。而第三種路 由器則綜合了前兩種路由器的優(yōu)點：可同時提供性能和靈活性；多個包處理元素（微引擎） 支持了多個線程；通過流水線化和并行處理能獲得更高的性能；軟件編程會更容易的增加服 務并可帶來靈活性。

　　5、結(jié)束語

　　網(wǎng)絡處理器結(jié)合了 ASIC 的硬件高速與智能處理器可編程的特點，為下一代網(wǎng)絡設備的 開發(fā)設計提供了全新的硬件平臺。合理利用IXP1200 網(wǎng)絡處理器的可編程性、高速數(shù)據(jù)處 理、并行處理和可擴展性等特性可構建出設計合理、實現(xiàn)簡單、性能良好、經(jīng)濟實用的路由器。