基于網(wǎng)絡(luò)處理器的可編程路由器技術(shù)研究

1 前言

　　網(wǎng)絡(luò)處理器是現(xiàn)代綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)展更新的產(chǎn)物,是一種基于可編程 ASIC 結(jié) 構(gòu)的新一代SoC 芯片。它是為了適應(yīng)下一代高速網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，即為了能夠提供Qos,能夠不斷 適應(yīng)新的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用,能夠發(fā)展新的網(wǎng)絡(luò)管理模式以及能夠快速響應(yīng)市場(chǎng)對(duì)新的網(wǎng)絡(luò)功能的需 求而推出的一種新的芯片產(chǎn)品。網(wǎng)絡(luò)處理器同時(shí)具有GPP 和ASIC 兩方面的優(yōu)點(diǎn),即具有專用 集成芯片線速轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文的高速度特性同時(shí)又具有通用芯片的可編程性。近來對(duì)于網(wǎng)絡(luò)處理器 的研究非?；钴S,國(guó)際各知名計(jì)算機(jī)芯片生產(chǎn)公司也紛紛推出自己的產(chǎn)品和標(biāo)準(zhǔn)。INTEL IXA(INTEL Internet Exchange Architecture，互聯(lián)網(wǎng)交換架構(gòu)) 作為一種網(wǎng)絡(luò)處理架構(gòu)， 是INTEL 公司網(wǎng)絡(luò)處理器的技術(shù)基礎(chǔ)。

　　在互聯(lián)網(wǎng)中,路由器具有核心的地位。互聯(lián)網(wǎng)一直在不斷向融合語(yǔ)音、數(shù)據(jù)等多種業(yè)務(wù) 的綜合開放結(jié)構(gòu)發(fā)展。因此,路由器必須提供更高的吞吐量、服務(wù)質(zhì)量保證、可靠性和更多 的網(wǎng)絡(luò)管理功能。為了適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展變化,路由器的結(jié)構(gòu)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(fù)責(zé)分組的處理和轉(zhuǎn)發(fā)。這種結(jié)構(gòu)是在單一 CPU 中通過軟件來實(shí)現(xiàn)分組處理和轉(zhuǎn)發(fā),它的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,可以通過修改軟件來提供新 的業(yè)務(wù),缺點(diǎn)是單一CPU 處理能力有限,全軟件實(shí)現(xiàn)也難于實(shí)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(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理和轉(zhuǎn)發(fā),采用通用CPU 來負(fù)責(zé)路由器 的管理。

　　高速的專用集成電路,可以滿足日益增長(zhǎng)的帶寬需求。但是由于專用集成電路的開 發(fā)時(shí)間長(zhǎng),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(wù)卻期望廠商能夠在最短 時(shí)間內(nèi)更新路由器的功能。網(wǎng)絡(luò)處理器集中了專用集成電路的高速處理能力,同時(shí)還具有可 編程,擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn),能夠很快適應(yīng)業(yè)務(wù)的發(fā)展變化。因此基于網(wǎng)絡(luò)處理器的路由器得到了 許多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備生產(chǎn)商和研究機(jī)構(gòu)的重視，目前已有一些基于網(wǎng)絡(luò)處理器的路由器產(chǎn)品問世。

　　2 網(wǎng)絡(luò)處理器簡(jiǎn)介

　　網(wǎng)絡(luò)處理器是一個(gè)被集成在一個(gè)半導(dǎo)體設(shè)備上的可編程器件。它主要用于優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)處 理任務(wù)，這些任務(wù)是：接收包，處理包和轉(zhuǎn)發(fā)包。典型的網(wǎng)絡(luò)處理器由一個(gè)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(gòu)，并把高速度、靈活性的良好特性和可 擴(kuò)充性相結(jié)合來提供更好的性能。 網(wǎng)絡(luò)處理器由兩類硬件功能單元組成，即網(wǎng)絡(luò)處理器單元和專用的智能協(xié)處理器／加 速器。網(wǎng)絡(luò)處理器運(yùn)行的軟件是經(jīng)過優(yōu)化的,支持系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)專有功能。網(wǎng)絡(luò)處理器 單元是網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(shí)現(xiàn)包分段／ 重組、加速查表、隊(duì)列／緩沖區(qū)管理、順序管理、存儲(chǔ)器控制和多播支持等功能。

　　為了保證關(guān)鍵數(shù)據(jù)包的實(shí)時(shí)處理, 網(wǎng)絡(luò)處理器一般將網(wǎng)絡(luò)處理任務(wù)劃分為數(shù)據(jù)層和控 制層兩個(gè)層面, 控制層面專門負(fù)責(zé)非實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)處理。網(wǎng)絡(luò)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(shí)別和分類、排隊(duì)和存取控制、流量整形和流量工程、服務(wù)質(zhì)量。網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)的 革新,它使系統(tǒng)設(shè)計(jì)者擺脫了原先復(fù)雜、零散的設(shè)計(jì),將注意力放在高層服務(wù)上,縮短產(chǎn)品推 向市場(chǎng)的時(shí)間,延長(zhǎng)產(chǎn)品的生命周期,這也是生產(chǎn)商在激烈競(jìng)爭(zhēng)中得以生存和發(fā)展的關(guān)鍵。表 1 中列出了網(wǎng)絡(luò)處理器七個(gè)關(guān)鍵的特性,它們來源于下一代網(wǎng)絡(luò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)處理器編程能力、性 能和開放性的需求。

　　表 1：網(wǎng)絡(luò)處理器的七大特性

　　總之,網(wǎng)絡(luò)處理器技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)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(shí)間,加快產(chǎn)品升級(jí)換代的能力,同時(shí)也保護(hù)用戶的利益,減少用戶在網(wǎng)絡(luò)新功能需要的投資 和升級(jí)換代的費(fèi)用,所以無論在技術(shù)上還是在經(jīng)濟(jì)上都具有重要意義。

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

　　下面我們將對(duì) IXP1200 中的微引擎和StrongARM 做一個(gè)詳細(xì)的介紹。微引擎有一個(gè)特 別適用于處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的指令集。微引擎除了可以在單個(gè)指令里執(zhí)行位、字節(jié)、和長(zhǎng)字操作外，還有帶有移位和循環(huán)移位的算術(shù)和邏輯操作。但是微引擎沒有整數(shù)乘或除、也沒有浮點(diǎn) 數(shù)操作。微引擎的乘法是通過反復(fù)進(jìn)行加運(yùn)算來完成的。在微引擎中每個(gè)指令占用一個(gè)長(zhǎng)字 （32 位）的存儲(chǔ)空間。每個(gè)微引擎有一個(gè)獨(dú)立的可容納1024 條指令的4KB 的指令存儲(chǔ)器。 在微引擎開始運(yùn)行之前，StrongARM 內(nèi)核上的代碼負(fù)責(zé)給這個(gè)指令存儲(chǔ)器裝入代碼。一旦微 引擎運(yùn)行時(shí)，指令以一個(gè)五階段的流水線來運(yùn)行，并且當(dāng)流水線充滿時(shí)，平均只需用一個(gè)周 期去執(zhí)行一條指令。當(dāng)指令阻塞在存儲(chǔ)器或設(shè)備存取操作完成時(shí)，或當(dāng)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(shí)間就會(huì)長(zhǎng)于一個(gè)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(gè)內(nèi)核實(shí)現(xiàn) 由ARM 公司定義的32 位的ARM V4 架構(gòu)。StrongARM 內(nèi)核在計(jì)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(luò)處理器架構(gòu)

　　在一個(gè)微引擎的線程之間以輪轉(zhuǎn)方式實(shí)行非搶占式的硬件線程仲裁交換，而且只有準(zhǔn)備 好運(yùn)行的線程才能夠被交換到運(yùn)行狀態(tài)。調(diào)度器保存有已準(zhǔn)備運(yùn)行的線程號(hào)，當(dāng)有線程準(zhǔn)備 放棄微引擎的控制權(quán)時(shí)，調(diào)度器在微引擎中以線程標(biāo)志號(hào)的順序次序搜尋一個(gè)準(zhǔn)備運(yùn)行的線 程。對(duì)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(yù)測(cè)什么時(shí)候?yàn)榱俗屃硪粋€(gè)代碼 塊運(yùn)行而中斷一個(gè)指定的代碼塊。而在微引擎中，在另一個(gè)代碼被運(yùn)行之前，當(dāng)前代碼必須 明確放棄微引擎的控制權(quán)。這使得開發(fā)者可以控制代碼的實(shí)際運(yùn)行情況。因?yàn)榇a訪問存儲(chǔ) 器是一個(gè)會(huì)消耗數(shù)十個(gè)周期的操作。所以一般情況下，當(dāng)線程等待存儲(chǔ)器或別的硬件操作時(shí)， 線程會(huì)自動(dòng)放棄對(duì)微引擎的控制權(quán)。當(dāng)線程等待存儲(chǔ)器操作完成時(shí)，線程可以交換出去并允 許別的線程去運(yùn)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(chǔ)器。一個(gè)微引擎能明確選擇釋放微引擎的控制權(quán)，它也能選擇不釋放 控制權(quán)，等待一個(gè)存儲(chǔ)器操作。如，一個(gè)微引擎線程發(fā)出一個(gè)存儲(chǔ)器讀請(qǐng)求操作，然后又繼 續(xù)執(zhí)行其它指令。存儲(chǔ)器讀請(qǐng)求操作的完成信號(hào)然后能被異步的反饋給微引擎線程。異步存 儲(chǔ)器讀操作是微引擎和大多數(shù)通用處理器的一個(gè)重要的區(qū)分。

　　4、基于網(wǎng)絡(luò)處理器的路由器

　　在網(wǎng)絡(luò)發(fā)展初期,網(wǎng)絡(luò)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(luò)速度的提高,通用處理器已經(jīng)不能適 應(yīng)網(wǎng)絡(luò)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。基于ASIC 的路由器仍是當(dāng)前提高網(wǎng) 絡(luò)設(shè)備速率的主流,它的最大缺點(diǎn)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(shè)計(jì)和制造一個(gè)復(fù)雜的ASIC 要花費(fèi)12 個(gè)月到兩年的時(shí)間,這對(duì)路由器 廠商來說,需要在發(fā)展周期中提前預(yù)測(cè)出市場(chǎng)可能最需要的特性和協(xié)議。它以失去靈活性和 快速響應(yīng)市場(chǎng)的能力作為代價(jià)來獲取速度。隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域的迅速擴(kuò)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(diǎn)播、視頻會(huì)議等)不斷出現(xiàn) 和變化,這樣,由于ASIC 固有的不靈活性,導(dǎo)致廠商不能快速地對(duì)用戶要求的功能做出響應(yīng), 使廠商失去了快速響應(yīng)市場(chǎng)的能力,于是人們?cè)谘芯恳环N既能滿足性能要求又能滿足靈活的 處理器,這就是網(wǎng)絡(luò)處理器。除此之外,ASIC 還有引腳太多(200～400 個(gè)引腳),價(jià)格昂貴等缺 點(diǎn)。另外,局域網(wǎng)流量的分布變化促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)處理器的發(fā)展。由Internet 規(guī)模和應(yīng)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(dāng)一部分的信息是和局域網(wǎng)外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交 換的。而且這種趨勢(shì)還會(huì)不斷地增加,這使得分組將傳輸在更復(fù)雜的,多種多樣的網(wǎng)絡(luò)體系上, 相應(yīng)地,安全問題(如加密、授權(quán)與鑒定、高級(jí)監(jiān)控和入侵監(jiān)測(cè)等)也成為重點(diǎn)考慮的對(duì)象, 為了提供不同服務(wù)質(zhì)量(如IP 廣播、高級(jí)的服務(wù)質(zhì)量Qos),網(wǎng)絡(luò)控制也將復(fù)雜得多,所有這 些要求路由器變得更加智能,同時(shí)要以線速處理7 層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(OSI)的高層內(nèi)容,以滿足用戶 要求的不同服務(wù),由于ASIC 是用硬件來實(shí)現(xiàn)這些性能的,不能進(jìn)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(luò)處理器的路由器應(yīng)運(yùn)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(shí)現(xiàn)某種特定功能對(duì)路由器接口、硬件等作專門優(yōu)化。例如接入服務(wù)器用 作接入撥號(hào)用戶，增強(qiáng)PSTN 接口以及信令能力；VPN 路由器增強(qiáng)隧道處理能力以及硬件加 密；寬帶接入路由器強(qiáng)調(diào)寬帶接口數(shù)量及種類。

　　目前路由器有以下三種實(shí)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(luò)處理器的路由器。第一種路由器的優(yōu)點(diǎn)是：可靈活的升級(jí)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(jìn)入市場(chǎng)時(shí)間。核心處理器執(zhí)行所有的路由功能。 缺點(diǎn)是不能升級(jí)到高帶寬。第二種路由器的優(yōu)點(diǎn)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(gòu)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(diǎn)：可同時(shí)提供性能和靈活性；多個(gè)包處理元素（微引擎） 支持了多個(gè)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(huì)更容易的增加服 務(wù)并可帶來靈活性。

　　5、結(jié)束語(yǔ)

　　網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)，為下一代網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的 開發(fā)設(shè)計(jì)提供了全新的硬件平臺(tái)。合理利用IXP1200 網(wǎng)絡(luò)處理器的可編程性、高速數(shù)據(jù)處 理、并行處理和可擴(kuò)展性等特性可構(gòu)建出設(shè)計(jì)合理、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、性能良好、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的路由器。