用網(wǎng)絡(luò)處理器建立通信系統(tǒng)

使用網(wǎng)絡(luò)處理器來設(shè)計通信系統(tǒng)，所設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，和設(shè)計時所采用的設(shè)計方法，與傳統(tǒng)的方法相比都很不相同。影響最大的是設(shè)計工作的重點，設(shè)計人員的注意力將從硬件線路和通信協(xié)議的細節(jié)的考慮中，轉(zhuǎn)向軟件、服務(wù)以及最終用戶的技術(shù)要求方面。也就是說，設(shè)計將是以軟件為中心，以通信服務(wù)為中心，和以最終用戶的技術(shù)要求為注意的集中點。設(shè)計公司將一改過去集中注意于硬件設(shè)計的傳統(tǒng)，轉(zhuǎn)而將注意力集中于用戶所需要的服務(wù)方面，并考慮如何使用軟件來實現(xiàn)用戶所需要的服務(wù)。

這些變化與進展在相當(dāng)大程度上應(yīng)該歸功于網(wǎng)絡(luò)處理單元（NPU, network processing unit）的推動。在這種情況下，系統(tǒng)設(shè)計人員如果對于網(wǎng)絡(luò)處理器能夠運用自如，那么就可以充分了解網(wǎng)絡(luò)處理器的作用，并且能夠感覺到，與使用網(wǎng)絡(luò)處理器隨之而來的潛在自由空間。系統(tǒng)設(shè)計人員也才有可能最大限度地發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)處理器的潛能。

附圖是系統(tǒng)原理圖，它顯示出網(wǎng)絡(luò)處理器在系統(tǒng)設(shè)計中所處的重要位置。NPU一般位于物理層（MAC或幀調(diào)節(jié)器）線路和交換結(jié)構(gòu)之間。在圖中并串行/串并行轉(zhuǎn)換器(SERDES)在NPU和交換結(jié)構(gòu)造之間起接口作用。

NPU的運行速度有待提高

表1給出了在不同的數(shù)據(jù)傳輸速率條件下，網(wǎng)絡(luò)處理器處理一個40字節(jié)的分組（最小的通信分組）所需要的時間。例如，在數(shù)據(jù)傳輸速率為1G位/秒時，網(wǎng)絡(luò)處理器可以有360 ns 的時間來處理此分組。在這段時間內(nèi)，NPU必須對分組進行檢查，語法分析，以及必要的編輯和查表（有時對于分組的內(nèi)容需要按照不同的策略采取不同的處理措施，有的繼續(xù)向前傳送，有的要送去排隊，有的需要作標(biāo)記；一般說來，對于一個分組可能要進行2到3種數(shù)據(jù)庫的查表處理）。對于即使是比較低的傳輸速率1G位/秒，網(wǎng)絡(luò)處理器也只有360 ns 來完成上述作業(yè)；如果傳輸速率為100G位/秒，對于每個分組就只有3.6 ns 的時間來進行處理了。

從目前情況來看，價格適中的SRAM，存取時間為10 nsec，有望提高到5 nsec。如果將一個10 nsec的SRAM用于1G/秒的數(shù)據(jù)流，在留給處理分組的360 nsec 時間窗口內(nèi)，只能對存儲器進行36次的存取。如果用于10 G位/秒的數(shù)據(jù)流，存取次數(shù)將減少到只能進行3次了；即使是采用5 nsec的SRAM，也只能進行7次存取。

從表1所給出的數(shù)據(jù)可以看出，為了有效地提高數(shù)據(jù)處理速率，只能將處理步驟分段，并采用流水線的方式來進行處理，或者采用多個處理機來并行處理（即多個處理機同時對不同分組進行處理）。這種解決辦法，對于策略查表存儲器，和內(nèi)容尋址存儲器（CAM）都適用。例如，對于40 G位/秒的數(shù)據(jù)流，采用10 nsec 的存儲器，在允許的時間內(nèi)一次存取也進行不了。這時，設(shè)計人員必須采用許多并行的存儲器陳列。

網(wǎng)絡(luò)處理器可以按照它們對于數(shù)據(jù)處理的速率來進行分類。在表1的中間部分列出了對于一定的數(shù)據(jù)速率，需要采用的網(wǎng)絡(luò)處理器種類和數(shù)量。例如，對于2.5 G位/秒的數(shù)據(jù)流，需要使用3個1G位/秒的處理器來進行處理。而對于100 G位/秒的數(shù)據(jù)流，則需要144個這樣的處理器。對于這樣的數(shù)據(jù)流，也許改為采用12個OC-192處理器，或兩個OC-768處理器更合適一些。

表1 對網(wǎng)絡(luò)處理器處理速率的要求（以每分組40字節(jié)為例）

除了實際處理分組需要時間以外，將分組從網(wǎng)絡(luò)一方轉(zhuǎn)移進來，和將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到交換結(jié)構(gòu)一方去也去要花費時間。表2給出的分?jǐn)倳r間是總時間的25%。以上數(shù)字對于MAC接口是很符合實際的假設(shè)，但是對于交換結(jié)構(gòu)接口，由于分段(segmentation)的效率一般只有50%，因此在計算時需要留下100%的速度余度，才能跟得上通信線路的速度。

表2 對于網(wǎng)絡(luò)媒體/交換結(jié)構(gòu)接口的要求

從表2可以看出，對于10G位/秒的傳輸速率，如果采用32位單數(shù)據(jù)速率（SDR）總線，則總線必須工作在391MHz。而對于40G位/秒的傳輸速率，假定采用64位SDR總線，總線必須工作在781MHz。表3總結(jié)了對分組緩沖存儲器的要求。分組緩沖存儲器至少必須具有3倍用通信線路的速度的傳輸速率（300%的速度余度）。表3中分門別類地給出了這一要求。例如，對于10G位/秒的傳輸速率，如果采用的是64位的雙倍數(shù)據(jù)速率（DDR）緩沖存儲器，則需要工作在313MHz以上的頻率。

表3 對分組緩沖存儲器的要求

網(wǎng)絡(luò)處理單元（NPU）的結(jié)構(gòu)問題

網(wǎng)絡(luò)處理器和中央處理單元（CPU）不同。網(wǎng)絡(luò)處理器需要對它所需要進行處理自行抽象提取。它必須能夠識別字段（field），分組(packet)，和數(shù)據(jù)流(flow)。它必須對于它所需要進行的處理功能，例如：語法分析，編輯，搜尋，和調(diào)度等，具有特殊的運算能力。

在程序編制模型方面，網(wǎng)絡(luò)處理器和CPU并沒有根本的不同：它也是一個可以儲存程序的微編碼機。但是在數(shù)據(jù)的模型方面則有很大的區(qū)別。NPU處理的是一種恒定的連續(xù)數(shù)據(jù)流（一種數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)），因此不需要將數(shù)據(jù)從一個大容量存儲器中移進移出。如上所述，網(wǎng)絡(luò)處理器為了滿足一定的數(shù)據(jù)速率，絕對地需要并行處理，或流水線（pipelined）結(jié)構(gòu)，或者兩種方式同時都需要采用。

另一個問題是網(wǎng)絡(luò)處理器的可編程性能。一個極端是使它具有最大的可編程性，因而使它具有最大的靈活性，也可以在最大程度上適應(yīng)未來的發(fā)展變化（即使它可以通過新開發(fā)的軟件使系統(tǒng)改變或升級，而不是當(dāng)要求改變系統(tǒng)時就更新硬件）。這種方式的缺點是，為了完成一項作業(yè)需要執(zhí)行許多個指令，因而可能導(dǎo)致缺乏凈空（headroom）。

另一種折衷方式，稱為“適當(dāng)程度的可編程性”。這種方式提供一定程度的可編程性以適應(yīng)變化的需要，或者說使處理器具有一定的靈活性。但是它不能適應(yīng)完全的重新編程的需要。和RISC型的CPU類似（RISC采用簡約的有效指令集，以提高CPU速度）；而NPU則通過提供適當(dāng)?shù)目删幊绦裕沟孟到y(tǒng)設(shè)計人員能夠犧牲某些靈活性，去提高運行速度，換取更多的性能凈空。

對于運行在載體網(wǎng)絡(luò)核心的交換機和路由器，速度的要求高于一切。這些在網(wǎng)際間工作的裝置，不需要進行復(fù)雜的分組處理功能，只是要求將分組以最大的線速度向前傳送。與此相反，在企業(yè)網(wǎng)的邊沿，線速度明顯地比較低，而交換機對分組的處理能力卻要求相當(dāng)?shù)母?。例如，對于多協(xié)議標(biāo)記交換機，它處于網(wǎng)絡(luò)的邊沿，需要對某些數(shù)據(jù)流進行識別并相應(yīng)地對某些分組予以標(biāo)記。

交換機的設(shè)計人員可以根據(jù)這些不同的要求，以及交換機所處的位置，為預(yù)計在企業(yè)網(wǎng)邊沿使用的交換機選擇可以充分編程的NPU。而對于將應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)核心部位的交換機，則應(yīng)該選擇編程能力有限，但是具有較高速度的NPU。

網(wǎng)絡(luò)處理器的實現(xiàn)方式

網(wǎng)絡(luò)處理器的實現(xiàn)方式大體上可以分為三種。一種是采用專用的ASIC或FPGA（后者往往功能不夠完整，或者性能不夠理想）。這種方式就是依靠“硬件”的方式，它具有最高的性能，但是靈活性也最差（因為設(shè)計決策是熔制在硅的體內(nèi)）。此外，ASIC的開發(fā)過程比較長，一次性的、不可重復(fù)使用的投入的費用也比較高。

另一種方式是將許多個RISC CPU做在一塊芯片上，采用對稱多重處理的運行方式（使用微編碼將通用CPU轉(zhuǎn)變成為專用的網(wǎng)絡(luò)處理器）。這種實現(xiàn)方式，由于NPU的一切行為幾乎都是通過軟件實現(xiàn)的，因此靈活性最高。這種方式所需要的開發(fā)時間比較短，它展現(xiàn)在設(shè)計人員面前的形象是設(shè)計人員十分熟悉的編程模型。然而，隨著軟件復(fù)雜性的增加，這種方式的費用也在增長。由于嚴(yán)重地依賴軟件，這種方式實現(xiàn)的系統(tǒng)，與采用專用ASIC實現(xiàn)的系統(tǒng)相比性能較差，所消耗的功率也較多。

介乎上述二者之間的一種實現(xiàn)方式是流水線方式，它采用一些具有不同功能的專用處理器，組成“裝配線”型式的數(shù)據(jù)流構(gòu)造。采用流水線方式實現(xiàn)的系統(tǒng)，性能接近用ASIC實現(xiàn)的系統(tǒng)，而在編程的靈活性方面又和多處理器實現(xiàn)的系統(tǒng)相差不多。

衡量NPU技術(shù)水平的尺度

設(shè)計人員十分關(guān)心的一個問題是技術(shù)水平。衡量技術(shù)水平，可以從幾個不同的層次加以分析。

* 在芯片層次，人們關(guān)心的問題是：在一個芯片上究竟可以容納多大的處理能力？根據(jù)當(dāng)前的技術(shù)水準(zhǔn)，在一個芯片上可以做成10G位/秒的NPU。

* 在線路卡（line-card）層次，問題在于：一張線路卡可以安置多少塊芯片？同樣重要的是：使用一個小型交換結(jié)構(gòu)或一個共用的總線，究竟可以將多少塊芯片放在一個線路卡上，正常地并行運行？現(xiàn)在看來，可以在一張卡上安置足夠的處理能力，使之達到100G位/秒的傳輸要求。

* 在機架或機箱層次，問題在于，一個機架或機箱，通過一個交換結(jié)構(gòu)可以容納多少張線路卡進行信息傳遞？現(xiàn)在看來一個機架實現(xiàn)數(shù)太拉（1012）位的傳輸能力是可能的。

* 在機房層次，問題在于，究竟多大規(guī)模的機架簇群可以連接在一起仍然能夠進行有效的通信？目前在這個層次上，還沒有把握說清楚，但是一些新建的機房已經(jīng)把目標(biāo)瞄準(zhǔn)在數(shù)拍它（1015）帶寬的水平。

評價一個NPU不能只看單個NPU的工作能力，還要看它的互操作性。一個10G位/秒的NPU，并不一定比一個9G位/秒的NPU優(yōu)越。它還決定于互操作性：如果9G位/秒的NPU，能夠十分容易地和其它的NPU連接在一起，實現(xiàn)更強得多的交換能力，那么選用它，不失為明智的選擇。

設(shè)計人員如何才能發(fā)揮多處理器的優(yōu)勢？不論是并行結(jié)構(gòu)或者是串行結(jié)構(gòu)，都可以采用；也可以采用混合結(jié)構(gòu)，即串-并排列的結(jié)構(gòu)。重要的問題在于需要考慮：負荷的平衡（注意不使任何一個NPU超載）；作業(yè)的劃分；保持分組流的順序不亂；維持服務(wù)質(zhì)量；以及對NPU之間通信業(yè)務(wù)量的控制。

衡量NPU性能的指標(biāo)

如何正確地評估不同的NPU？關(guān)鍵的指標(biāo)之一是：處理分組的速度（即每秒處理多少百萬個分組或稱為Mpps）。另一個指標(biāo)是：在一定的分組傳遞速率下，處理每個分組時，允許進行的查表次數(shù)（一般每處理一個分組允許進行2次查表）。當(dāng)然在進行處理時可以利用的存儲器的規(guī)模也是一項重要指標(biāo)。此外，及時不斷的提高速度也是十分重要的。許多處理策略也需要進行周期性的更新。有些NPU具有能以很高的速度向前傳送的性能，但是更新處理策略，或更改某些參數(shù)時，卻需要耗用數(shù)毫秒，甚至數(shù)秒的時間才能完成。比較理想的NPU，更新策略，更改參數(shù)的時間最好在數(shù)微秒的時間范圍內(nèi)；這一點對于用在路由頻繁跳變的場合特別重要。

“凈空”也是需要的。凈空可以看作是在保持線傳送速度不降低的情況下，可能增加的處理功能（或可能增加的處理復(fù)雜問題的能力）；處理復(fù)雜問題的能力（即在一個時鐘周期內(nèi)，用一個指令，包括轉(zhuǎn)移這樣的控制指令，可以完成多少處理功能）是另一重要的事項。

設(shè)計人員應(yīng)該考慮的其它問題還有：等待時間，排隊和調(diào)度的效率，分組存儲（以及分段）的效率，在硅體內(nèi)多重熔制的效率，芯片的大小，以及這些問題對于總體系統(tǒng)的影響（包括對于消耗功率和成本的影響）等等。

發(fā)展趨勢

隨著設(shè)計人員逐漸習(xí)慣于使用NPU進行系統(tǒng)設(shè)計，幾種時尚可能會流行。下面列出今后幾年將會出現(xiàn)的趨向。

* 今日的系統(tǒng)設(shè)計越來越趨向于從眾多的制造商那里采購ASIC和IC。這些芯片中有許多都是各廠商自家獨有的產(chǎn)品，與它們相關(guān)聯(lián)的軟件也都是各廠商自行開發(fā)的。它們之間往往缺乏互操作性。預(yù)計今后幾年設(shè)計人員會越來越對商品化的IC感興趣，并且NPU的發(fā)展毫無疑問將會進一步助長這種傾向的發(fā)展。在硬件方面的發(fā)展趨勢是越來越多地采用現(xiàn)成的商品IC，軟件也在朝這個方向發(fā)展，例如一些專門的協(xié)議棧開發(fā)商正在提供越來越多的商品軟件部件。以這些ASIC和IC，以及商品軟件部件為基礎(chǔ)的增值服務(wù)業(yè)務(wù)也將會發(fā)展，并且可能成為交換機供應(yīng)商引以為榮的特點和具有真正競爭力的象征。

* 在市場范圍內(nèi)，操作系統(tǒng)的供應(yīng)商將會趨向聯(lián)合和統(tǒng)一，設(shè)計人員采用標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)的可能性會越來越大。

* 從長遠看，可能會出現(xiàn)一系列標(biāo)準(zhǔn)的硬件平臺，例如標(biāo)準(zhǔn)的機架，標(biāo)準(zhǔn)的背板等。設(shè)計人員可能會從許多廠商中選擇一種線卡，買來插入標(biāo)準(zhǔn)機架。

* 在軟件方面，可能會出現(xiàn)一些標(biāo)準(zhǔn)的軟件集（操作系統(tǒng)，協(xié)議軟件棧，管理控制軟件等）。系統(tǒng)設(shè)計人員將利用這些即插即用的部件組成系統(tǒng)，并且增加一些可以提供不同服務(wù)內(nèi)容的線卡。
如果這些趨向成為現(xiàn)實，標(biāo)準(zhǔn)接口問題將會成為十分重要的課題。例如，為了開發(fā)一種以太網(wǎng)的線卡，設(shè)計人員可能會選擇一種物理層（PHY）芯片、MAC芯片、網(wǎng)絡(luò)處理器以及并串/串并轉(zhuǎn)換器等（參看附圖）來進行設(shè)計開發(fā)。為了簡化設(shè)計業(yè)務(wù)，縮短開發(fā)時間，這些芯片必須具有明確清晰的接口，應(yīng)該使設(shè)計人員不需要再花費力氣提供連接的邏輯線路，就可以完成任務(wù)。

NPU時代

網(wǎng)絡(luò)處理器將成為網(wǎng)絡(luò)中各個系統(tǒng)的重要組成部分，但是目前它還不很成熟。它們將在以下幾個方面取得重大進步：在它們能夠處理的分組的復(fù)雜程度和所具有的智能方面；在可以下載的程序規(guī)模大小方面；隨著線速度的增加在每個時鐘周期內(nèi)能夠處理的一個分組或多個分組的綜合能力方面。

NPU 的性能正在按照統(tǒng)一的性能指標(biāo)穩(wěn)步提高。經(jīng)過一段時間以后，使用網(wǎng)絡(luò)處理器來設(shè)計開發(fā)通信系統(tǒng)的方法學(xué)，估計將會和軟件的開發(fā)一樣，也會出現(xiàn)并取得發(fā)展進步。