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(lái)設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，和設(shè)計(jì)時(shí)所采用的設(shè)計(jì)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(jì)工作的重點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員的注意力將從硬件線路和通信協(xié)議的細(xì)節(jié)的考慮中，轉(zhuǎn)向軟件、服務(wù)以及最終用戶(hù)的技術(shù)要求方面。也就是說(shuō)，設(shè)計(jì)將是以軟件為中心，以通信服務(wù)為中心，和以最終用戶(hù)的技術(shù)要求為注意的集中點(diǎn)。設(shè)計(jì)公司將一改過(guò)去集中注意于硬件設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)，轉(zhuǎn)而將注意力集中于用戶(hù)所需要的服務(wù)方面，并考慮如何使用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶(hù)所需要的服務(wù)。

這些變化與進(jìn)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(dòng)。在這種情況下，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員如果對(duì)于網(wǎng)絡(luò)處理器能夠運(yùn)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(jué)到，與使用網(wǎng)絡(luò)處理器隨之而來(lái)的潛在自由空間。系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)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(yùn)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(gè)40字節(jié)的分組（最小的通信分組）所需要的時(shí)間。例如，在數(shù)據(jù)傳輸速率為1G位/秒時(shí)，網(wǎng)絡(luò)處理器可以有360 ns 的時(shí)間來(lái)處理此分組。在這段時(shí)間內(nèi)，NPU必須對(duì)分組進(jìn)行檢查，語(yǔ)法分析，以及必要的編輯和查表（有時(shí)對(duì)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(duì)，有的需要作標(biāo)記；一般說(shuō)來(lái)，對(duì)于一個(gè)分組可能要進(jìn)行2到3種數(shù)據(jù)庫(kù)的查表處理）。對(duì)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(lái)完成上述作業(yè)；如果傳輸速率為100G位/秒，對(duì)于每個(gè)分組就只有3.6 ns 的時(shí)間來(lái)進(jìn)行處理了。

從目前情況來(lái)看，價(jià)格適中的SRAM，存取時(shí)間為10 nsec，有望提高到5 nsec。如果將一個(gè)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(shí)間窗口內(nèi)，只能對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)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(jìn)行3次了；即使是采用5 nsec的SRAM，也只能進(jìn)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(lái)進(jìn)行處理，或者采用多個(gè)處理機(jī)來(lái)并行處理（即多個(gè)處理機(jī)同時(shí)對(duì)不同分組進(jìn)行處理）。這種解決辦法，對(duì)于策略查表存儲(chǔ)器，和內(nèi)容尋址存儲(chǔ)器（CAM）都適用。例如，對(duì)于40 G位/秒的數(shù)據(jù)流，采用10 nsec 的存儲(chǔ)器，在允許的時(shí)間內(nèi)一次存取也進(jìn)行不了。這時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須采用許多并行的存儲(chǔ)器陳列。

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

表1 對(duì)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(shí)際處理分組需要時(shí)間以外，將分組從網(wǎng)絡(luò)一方轉(zhuǎn)移進(jìn)來(lái)，和將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到交換結(jié)構(gòu)一方去也去要花費(fèi)時(shí)間。表2給出的分?jǐn)倳r(shí)間是總時(shí)間的25%。以上數(shù)字對(duì)于MAC接口是很符合實(shí)際的假設(shè)，但是對(duì)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(jì)算時(shí)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)分組緩沖存儲(chǔ)器的要求。分組緩沖存儲(chǔ)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(mén)別類(lèi)地給出了這一要求。例如，對(duì)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(chǔ)器，則需要工作在313MHz以上的頻率。

表3 對(duì)分組緩沖存儲(chǔ)器的要求

網(wǎng)絡(luò)處理單元（NPU）的結(jié)構(gòu)問(wèn)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(duì)它所需要進(jìn)行處理自行抽象提取。它必須能夠識(shí)別字段（field），分組(packet)，和數(shù)據(jù)流(flow)。它必須對(duì)于它所需要進(jìn)行的處理功能，例如：語(yǔ)法分析，編輯，搜尋，和調(diào)度等，具有特殊的運(yùn)算能力。

在程序編制模型方面，網(wǎng)絡(luò)處理器和CPU并沒(méi)有根本的不同：它也是一個(gè)可以?xún)?chǔ)存程序的微編碼機(jī)。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(gè)大容量存儲(chǔ)器中移進(jìn)移出。如上所述，網(wǎng)絡(luò)處理器為了滿(mǎn)足一定的數(shù)據(jù)速率，絕對(duì)地需要并行處理，或流水線（pipelined）結(jié)構(gòu)，或者兩種方式同時(shí)都需要采用。

另一個(gè)問(wèn)題是網(wǎng)絡(luò)處理器的可編程性能。一個(gè)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(lái)的發(fā)展變化（即使它可以通過(guò)新開(kāi)發(fā)的軟件使系統(tǒng)改變或升級(jí)，而不是當(dāng)要求改變系統(tǒng)時(shí)就更新硬件）。這種方式的缺點(diǎn)是，為了完成一項(xiàng)作業(yè)需要執(zhí)行許多個(gè)指令，因而可能導(dǎo)致缺乏凈空（headroom）。

另一種折衷方式，稱(chēng)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(shuō)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(lèi)似（RISC采用簡(jiǎn)約的有效指令集，以提高CPU速度）；而NPU則通過(guò)提供適當(dāng)?shù)目删幊绦?，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠犧牲某些靈活性，去提高運(yùn)行速度，換取更多的性能凈空。

對(duì)于運(yùn)行在載體網(wǎng)絡(luò)核心的交換機(jī)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(jìn)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(jī)對(duì)分組的處理能力卻要求相當(dāng)?shù)母?。例如，?duì)于多協(xié)議標(biāo)記交換機(jī)，它處于網(wǎng)絡(luò)的邊沿，需要對(duì)某些數(shù)據(jù)流進(jìn)行識(shí)別并相應(yīng)地對(duì)某些分組予以標(biāo)記。

交換機(jī)的設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)這些不同的要求，以及交換機(jī)所處的位置，為預(yù)計(jì)在企業(yè)網(wǎng)邊沿使用的交換機(jī)選擇可以充分編程的NPU。而對(duì)于將應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)核心部位的交換機(jī)，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(shí)現(xiàn)方式

網(wǎng)絡(luò)處理器的實(shí)現(xiàn)方式大體上可以分為三種。一種是采用專(zhuān)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?yàn)樵O(shè)計(jì)決策是熔制在硅的體內(nèi)）。此外，ASIC的開(kāi)發(fā)過(guò)程比較長(zhǎng)，一次性的、不可重復(fù)使用的投入的費(fèi)用也比較高。

另一種方式是將許多個(gè)RISC CPU做在一塊芯片上，采用對(duì)稱(chēng)多重處理的運(yùn)行方式（使用微編碼將通用CPU轉(zhuǎn)變成為專(zhuān)用的網(wǎng)絡(luò)處理器）。這種實(shí)現(xiàn)方式，由于NPU的一切行為幾乎都是通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)的，因此靈活性最高。這種方式所需要的開(kāi)發(fā)時(shí)間比較短，它展現(xiàn)在設(shè)計(jì)人員面前的形象是設(shè)計(jì)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(fèi)用也在增長(zhǎng)。由于嚴(yán)重地依賴(lài)軟件，這種方式實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)，與采用專(zhuān)用ASIC實(shí)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(shí)現(xiàn)方式是流水線方式，它采用一些具有不同功能的專(zhuān)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(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)，性能接近用ASIC實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)，而在編程的靈活性方面又和多處理器實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)相差不多。

衡量NPU技術(shù)水平的尺度

設(shè)計(jì)人員十分關(guān)心的一個(gè)問(wèn)題是技術(shù)水平。衡量技術(shù)水平，可以從幾個(gè)不同的層次加以分析。

* 在芯片層次，人們關(guān)心的問(wèn)題是：在一個(gè)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(gè)芯片上可以做成10G位/秒的NPU。

* 在線路卡（line-card）層次，問(wèn)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(gè)小型交換結(jié)構(gòu)或一個(gè)共用的總線，究竟可以將多少塊芯片放在一個(gè)線路卡上，正常地并行運(yùn)行？現(xiàn)在看來(lái)，可以在一張卡上安置足夠的處理能力，使之達(dá)到100G位/秒的傳輸要求。

* 在機(jī)架或機(jī)箱層次，問(wèn)題在于，一個(gè)機(jī)架或機(jī)箱，通過(guò)一個(gè)交換結(jié)構(gòu)可以容納多少?gòu)埦€路卡進(jìn)行信息傳遞？現(xiàn)在看來(lái)一個(gè)機(jī)架實(shí)現(xiàn)數(shù)太拉（1012）位的傳輸能力是可能的。

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

評(píng)價(jià)一個(gè)NPU不能只看單個(gè)NPU的工作能力，還要看它的互操作性。一個(gè)10G位/秒的NPU，并不一定比一個(gè)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(shí)現(xiàn)更強(qiáng)得多的交換能力，那么選用它，不失為明智的選擇。

設(shè)計(jì)人員如何才能發(fā)揮多處理器的優(yōu)勢(shì)？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(wèn)題在于需要考慮：負(fù)荷的平衡（注意不使任何一個(gè)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(duì)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(píng)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(wàn)個(gè)分組或稱(chēng)為Mpps）。另一個(gè)指標(biāo)是：在一定的分組傳遞速率下，處理每個(gè)分組時(shí)，允許進(jìn)行的查表次數(shù)（一般每處理一個(gè)分組允許進(jìn)行2次查表）。當(dāng)然在進(jìn)行處理時(shí)可以利用的存儲(chǔ)器的規(guī)模也是一項(xiàng)重要指標(biāo)。此外，及時(shí)不斷的提高速度也是十分重要的。許多處理策略也需要進(jìn)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(shí)，卻需要耗用數(shù)毫秒，甚至數(shù)秒的時(shí)間才能完成。比較理想的NPU，更新策略，更改參數(shù)的時(shí)間最好在數(shù)微秒的時(shí)間范圍內(nèi)；這一點(diǎn)對(duì)于用在路由頻繁跳變的場(chǎng)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(wèn)題的能力）；處理復(fù)雜問(wèn)題的能力（即在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，用一個(gè)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(xiàng)。

設(shè)計(jì)人員應(yīng)該考慮的其它問(wèn)題還有：等待時(shí)間，排隊(duì)和調(diào)度的效率，分組存儲(chǔ)（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(wèn)題對(duì)于總體系統(tǒng)的影響（包括對(duì)于消耗功率和成本的影響）等等。

發(fā)展趨勢(shì)

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

* 今日的系統(tǒng)設(shè)計(jì)越來(lái)越趨向于從眾多的制造商那里采購(gòu)ASIC和IC。這些芯片中有許多都是各廠商自家獨(dú)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(kāi)發(fā)的。它們之間往往缺乏互操作性。預(yù)計(jì)今后幾年設(shè)計(jì)人員會(huì)越來(lái)越對(duì)商品化的IC感興趣，并且NPU的發(fā)展毫無(wú)疑問(wèn)將會(huì)進(jìn)一步助長(zhǎng)這種傾向的發(fā)展。在硬件方面的發(fā)展趨勢(shì)是越來(lái)越多地采用現(xiàn)成的商品IC，軟件也在朝這個(gè)方向發(fā)展，例如一些專(zhuān)門(mén)的協(xié)議棧開(kāi)發(fā)商正在提供越來(lái)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(huì)發(fā)展，并且可能成為交換機(jī)供應(yīng)商引以為榮的特點(diǎn)和具有真正競(jìng)爭(zhēng)力的象征。

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

* 從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，可能會(huì)出現(xiàn)一系列標(biāo)準(zhǔn)的硬件平臺(tái)，例如標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)架，標(biāo)準(zhǔn)的背板等。設(shè)計(jì)人員可能會(huì)從許多廠商中選擇一種線卡，買(mǎi)來(lái)插入標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架。

* 在軟件方面，可能會(huì)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(jì)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(shí)，標(biāo)準(zhǔn)接口問(wèn)題將會(huì)成為十分重要的課題。例如，為了開(kāi)發(fā)一種以太網(wǎng)的線卡，設(shè)計(jì)人員可能會(huì)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(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，這些芯片必須具有明確清晰的接口，應(yīng)該使設(shè)計(jì)人員不需要再花費(fèi)力氣提供連接的邏輯線路，就可以完成任務(wù)。

NPU時(shí)代

網(wǎng)絡(luò)處理器將成為網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)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(gè)方面取得重大進(jìn)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(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)能夠處理的一個(gè)分組或多個(gè)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(guò)一段時(shí)間以后，使用網(wǎng)絡(luò)處理器來(lái)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)通信系統(tǒng)的方法學(xué)，估計(jì)將會(huì)和軟件的開(kāi)發(fā)一樣，也會(huì)出現(xiàn)并取得發(fā)展進(jìn)步。