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下一代网络设备核心单元-网络处理器应用研究(2)

下一代网络设备核心单元-网络处理器应用研究(2)

(5)多层并发性:通过多个独立数据总线和控制总线,可以实现数据并发移动:SDRAM单元和微引擎或IX BUS单元之间的双向同时读写;SRAM单元和微引擎或IX BUS单元之间的双向同时读写;SDRAM单元和PCI单元之间读写;IX BUS单元和微引擎之间读写。
  (6)块数据移动:每个微引擎分配很大的寄存器集,单个指令就可以实现功能单元之间64个字节的数据块移动,和功能单元与IX BUS之间128个字节的数据块移动。块数据移动在充分利用微引擎计算资源的同时,还可以减小微码程序规模。
  (7)可扩展性:多个IXP1200处理器可以通过IX BUS总线互联,从而有效增加处理系统处理能力和数据带宽;ATM、E1/T1、Ethernet MAC等数据接口可以通过IX BUS总线接入IXP1200;微引擎的微码程序存储空间具有可扩展性。
4.2 IBM公司NP4GS3网络处理器介绍
  NP4GS3网络处理器是IBM PowerNP网络处理器家族的高端产品,支持2.5Gbps的网络应用,由以下模块组成:(1)EPC:嵌入式处理器组是NP核心部件,包含16个协议处理器,可同时执行32个线程,具有并行处理32个数据分组的能力。为提高性能,采用硬件加速器实现树搜索、帧转发、帧过滤、CRC计算及其他功能。(2)Embedded PowerPC:负责NP非实时管理控制,包括特殊帧处理、配置、盒管理和高层协议处理。同时集成PCI接口,可以满足用户集成其他新器件的需求。(3)Ingress EDS:对来自物理层设备的数据分组进行入队、出队、调度,然后送到交换组织。(4)Egress EDS:对来自交换组织的数据分组进行入队、出队、调度,然后送到物理层设备。(5)Ingress SWI:将数据分组从Ingress EDS传送到交换组织或其他的NP4GS3。(6)Egress SWI:将数据分组从交换组织或其他的 NP4GS3传送到Ingress EDS。(7)Ingress PMM:接收来自物理层设备的数据分组。(8)Egress PMM:将数据分组发送到物理层设备。
  NP4GS3网络处理器支持40个10/100Mb以太网端口和4个 Gigabit 以太网端口,可配置成4个OC-12 POS,16个OC-3 POS或链接聚合POS端口。处理器具有扩展能力,可由多达64个的NP4GS3组成交换组织,实现2层、3层甚至更高层数据分组的线速转发处理。
4.3 网络处理器体系结构特点
  上述两种NP的体系结构具有以下共同特点:(1)多内核并行处理器:采用多内核并行处理器结构。片内处理器按任务分为核心处理器和数据分组协处理器。核心处理器通常负责非实时的管理任务;数据分组处理器进行实时、线速数据分组处理。(2)专用硬件加速处理单元:采用专用硬件对特定协议操作进行协处理:如CRC效验、哈希查找、树查找、字符匹配。针对安全产品,提供加/解密、大数运算等硬件单元。(3)优化指令集:通常采用RISC技术,结合多级流水线技术,大部分指令在一个时钟周期完成。并针对网络协议处理特点,设置专用硬件加速处理单元,提供专用指令如压缩指令、哈希查找、状态判断、数据读写指令。(4)优化内存管理和分级存储器组织:NP需要进行大量的数据分组的接收、存储、复制、转发,内存操作成为系统开销的一大瓶颈。为了解决这个问题,通常采用块数据运动技术和特殊的优化存储接口。同时对数据进行分类存储:SRAM用于存放需要快速查找的各种表结构;SDRAM用于存放数据分组数据。(5)硬件多线程:为了提高NP资源利用率,每个数据分组协处理器还支持多个硬件线程。每个线程都有一套专门的硬件来存放上下文(Context),可获得线程切换的零开销。(6)高速I/O接口:具有丰富的高速I/O接口,包括物理链路接口、交换接口、存储器接口、PCI总线接口。(7)可扩展性:多个NP之间还可以互连,构成网络处理器簇,以支持更为大型高速的网络处理。
5 网络处理器产品现状和应用前景
  目前已有30个网络处理器厂商完成超过500个的NP设计,产品主要面向2.5Gbps网络应用和10Gbps网络应用,40G的NP正在走向市场。面向2.5Gbps网络应用的NP有:Vitesse公司的IQ2000和IQ2200,Motorola公司的C-5 DCP。面向10Gbps网络应用和全部7层协议的NP有:Xstream Logic公司的动态多线程(DMS)处理器核,Ezchip公司的NP-1,Lexra公司的NetVortex,Bay Microsystems公司的BRECIS MSP5000。
  网络处理器厂家推出NP产品时,通常会推出配套硬件调试目标机评估板、NP开发软件工具、操作系统。目前NP主要采用嵌入式操作系统,如VxWorks、Linux等等,也有一些厂商提供专用操作系统,如Princeton公司的Vera采用Scout OS操作系统。大部分NP有集成开发环境支持,能够用C语言、汇编语言进行开发,如:Intel的WorkBench集成开发环境,支持C语言和微代码,具有图形化界面,能够进行硬件平台软件模拟调试,同时提供丰富的IP协议API、子程序、应用范例。
  网络处理器主要用于网络接入、网络骨干设备,开发从第2层到第7层的各种网络服务和应用。在网络接入设备中,支持各种新业务、服务安全接入,进行质量控制,其中包括:提供VPN;入侵检测、网络监控、防火墙等安全控制;进行分组分类,识别关键业务流,保证QOS;执行协议转换,支持多种传输媒体接入;记费和负载均衡等。在网络骨干设备中,用于在OC-48 to OC-192甚至更高速率下实现聚合流的分类识别和转发,支持流量工程和QOS控制。并将传统的网络接入设备3层以上协议处理功能引入到核心网中,如对骨干网实施国家级的入侵检测。
  根据不同需求,可以采用NP灵活构造不同规模的处理平台,如单个NP构成的小型单板设备;多个NP构成的中型单板设备;多个线卡通过交换组织构成多板大型设备。下面是已有的基于NP的应用范例:(1)高速路由交换设备:Cloudshield公司使用八个Intel的IXP1200构建的OC-48光速2~7层包服务器。ALCATEL使用IBM的POWERNP构建核心路由设备。Cisco公司基于Cisco PXF网络处理器的边缘路由器。(2)高速安全设备:清华紫光UF10000是基于两个Intel的IXP1200网络处理器阵列千兆防火墙。作为第三方软件开发商,Deceng公司推出基于Intel的IXP2400的Snort千兆网络入侵检测系统软件解决方案。IXP2850更是以面向10-Gbit/s的IPSEC VPN设备市场而引起安全设备生产厂商的高度注意。(3)骨干测试设备:骨干网络从2.5Gbps到10Gbps,甚至是40Gbps的高速发展,给网络性能测试同样带来挑战。基于NP的下一代协议分析仪和性能测试仪成为趋势。EMPIRIX公司使用MOTOROLA的C-5DCP,开发网络参数模拟设备。(4)家庭网络设备:下一代网络的概念将从国家电信网、企业网扩展到家庭网络、个人网络。其中家庭网关是家庭网络的核心设备,需要根据具体家庭用户,快速、综合实现各种服务:如安全访问控制、VPN、视频流QOS保障、网络存储、计费管理等。低端NP正好完全满足家庭网关个性化、多变性、高性能要求特点。
  此外,NP的开发、应用直接推动网络处理器论坛(NPF)的成立。该论坛于2001年由公共交换接口协会CSIX和公共编程接口论坛CPIX两个组织共同创建,CSIX制定NP与交换组织之间的标准硬件接口,CPIX制定NP开发标准软件接口。NPF的成立,将进一步推动NP的发展,一方面将逐步结束目前各家NP硬件实现和软件开发工具各不相同的局面,另一方面将形成一支庞大的第三方队伍,分布在硬件组件、NP操作系统、开发工具、软件应用等方面。
  网络处理器面向高速数据流的高层细化分组处理,通过对执行环境、内存、硬件加速器、总线结构、网络应用开发接口的综合优化,具有灵活软件体系提供硬件级处理性能的关键特性。以网络处理器为核心的下一代网络设备具备高性能和灵活性特点,较好满足了未来网络和市场对网络设备的技术需求,具有巨大发展空间。
继承事业,薪火相传
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