路由器的硬件与实现

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1、第 四 章 路 由 器 硬 件 设 计 与 实 现 ,通 常 由 线 卡 提 供 。 实 现 五 类 功 能 ： （ 2） 通 过 输 入 包 目 的 地 址 等 参 数 ， 查 找 路 由 表 决 定 目 的端 口 （ 称 为 路 由 查 找 ） ， 路 由 查 找 可 以 使 用 硬 件 实 现 ， 或者 在 线 卡 上 嵌 入 微 处 理 器 。 （ 3） 提 供 QoS（ 服 务 质 量 ） 。 端 口 对 收 到 的 包 分 成 若 干预 定 义 的 服 务 级 别 。 （ 4） 可 能 需 要 运 行 诸 如 SLIP（ 串 行 线 网 际 协 议 ） 和 PPP（ 点 对 点 协

2、 议 ） 这 样 的 数 据 链 路 级 协 议 或 者 诸 如 PPTP（ 点对 点 隧 道 协 议 ） 这 样 的 网 络 级 协 议 。 （ 5） 参 加 对 公 共 资 源 （ 如 交 换 开 关 ） 的 仲 裁 协 议 。实 现 数 据 链 路 层 的 封 装 和 解 封 装 ； 实 现 复 杂 的调 度 算 法 以 支 持 优 先 级 ； 支 持 一 些 较 高 级 协 议 等 等 。 路 由 处 理 器 ： 计 算 路 由 表 实 现 路 由 协 议 ， 并 运 行 对 路 由 器进 行 配 置 和 管 理 的 软 件 。 同 时 ， 它 还 处 理 那 些 目 的 地 址 不在

3、 线 卡 路 由 表 中 的 包 路 由 器 的 类 型 按 照 路 由 器 在 网 络 中 所 处 位 置 分 类 ：1 接 入 路 由 器 连 接 家 庭 或 ISP内 的 小 型 企 业 客 户 。 接 入 路 由 器 已 经开 始 不 只 是 提 供 SLIP或 PPP连 接 ， 还 支 持 诸 如 PPTP和 IPSec等 虚 拟 私 有 网 络 协 议 。 这 些 协 议 要 能 在 每 个 端 口 上 运 行 。 2 企 业 级 路 由 器 企 业 或 校 园 级 路 由 器 连 接 许 多 终 端 系 统 ， 其 主 要 目 标是 以 尽 量 便 宜 的 方 法 实 现 尽 可

4、 能 多 的 端 点 互 连 ， 并 且 进 一步 要 求 支 持 不 同 的 服 务 质 量 。 企 业 级 路 由 器 的 成 败 就 在 于 是 否 提 供 大 量 端 口 且 每 端口 的 造 价 很 低 ， 是 否 容 易 配 置 ， 是 否 支 持 QoS。 支 持 防 火墙 、 包 过 滤 以 及 大 量 的 管 理 和 安 全 策 略 以 及 VLAN。 路 由 器 的 类 型 3 骨 干 级 路 由 器 骨 干 级 路 由 器 的 关 键 因 素 是 速 度 和 可 靠 性 。 硬 件 可 靠性 可 以 采 用 电 话 交 换 网 中 使 用 的 技 术 ， 如 热 备 份

5、、 双 电 源 、双 数 据 通 路 等 来 获 得 。 骨 干 IP路 由 器 的 主 要 性 能 瓶 颈 是 在路 由 表 中 查 找 某 个 路 由 所 耗 的 时 间 。 当 收 到 一 个 包 时 ， 输入 端 口 在 转 发 表 中 查 找 该 包 的 目 的 地 址 以 确 定 其 目 的 端 口 ，当 包 越 短 或 者 当 包 要 发 往 许 多 目 的 端 口 时 ， 势 必 增 加 路 由查 找 的 代 价 。 因 此 ， 将 一 些 常 访 问 的 目 的 端 口 放 到 缓 存 中能 够 提 高 路 由 查 找 的 效 率 。 不 管 是 输 入 缓 冲 还 是 输

6、出 缓 冲路 由 器 ， 都 存 在 路 由 查 找 的 瓶 颈 问 题 。 除 了 性 能 瓶 颈 问 题 ，路 由 器 的 稳 定 性 也 是 一 个 常 被 忽 视 的 问 题 。 路 由 器 的 类 型 4 太 比 特 路 由 器 光 纤 和 DWDM都 已 经 很 成 熟 ， 但 如 果 没 有 与 现 有 的 光纤 技 术 和 DWDM技 术 提 供 的 原 始 带 宽 对 应 的 路 由 器 ， 新 的网 络 基 础 设 施 将 无 法 从 根 本 上 得 到 性 能 的 改 善 ， 因 此 开 发高 性 能 的 骨 干 交 换 /路 由 器 （ 太 比 特 路 由 器 ） 已

7、经 成 为 一项 迫 切 的 要 求 。 太 比 特 路 由 器 技 术 现 在 还 主 要 处 于 开 发 实 验 阶 段 。 4.2 路 由 器 硬 件 体 系 结 构 的 发 展 1.发 展 概 述 路 由 器 本 质 上 还 是 一 台 特 殊 的 专 门 执 行 协 议 处 理 的 计 算机 ， 但 从 功 能 上 看 ， 路 由 器 与 计 算 机 还 是 有 较 大 的 区 别 。 路 由 器 主 要 有 三 种 发 展 趋 势 ： 一 是 越 来 越 多 的 功 能 以 硬 件 方 式 来 实 现 ， 具 体 表 现 为ASIC芯 片 使 用 得 越 来 越 广 泛 ； 二 是

8、 放 弃 使 用 共 享 总 线 ， 而 使 用 交 换 背 板 ， 即 开 始 普遍 采 用 交 换 式 路 由 技 术 ； 三 是 并 行 处 理 技 术 在 路 由 器 中 运 行 ， 极 大 地 提 高 了 路由 器 的 路 由 处 理 能 力 和 速 度 。 路 由 器 硬 件 体 系 结 构 的 发 展 2. 发 展 历 程 : 第 一 代 单 总 线 单 CPU结 构 路 由 器 最 初 的 路 由 器 采 用 了 传 统 计 算 机 体 系 结 构 ， 包 括 共 享中 央 总 线 、 中 央 CPU、 内 存 及 挂 在 共 享 总 线 上 的 多 个 网络 物 理 接 口

9、。 CPU RAM 物 理 接 口 物 理 接 口 物 理 接 口 这 种 单 总 线 单 CPU的 主 要 局 限 是 处 理 速 度 慢 ， 一 个 CPU完 成 所 有 的 任 务 ， 从 而 限 制 了 系 统 的 吞 吐 量 。 另 外 ， 系 统容 错 性 也 不 好 ， CPU若 出 现 故 障 容 易 导 致 系 统 完 全 瘫 痪 。但 该 结 构 的 优 点 是 系 统 价 格 低 。 目 前 的 边 缘 路 由 器 基 本 上都 是 这 种 结 构 。 第 二 代 单 总 线 主 从 CPU结 构 路 由 器 用 主 从 两 个 CPU代 替 了 原 来 仅 一 个 CP

10、U结 构 ， 因 而 较 大 地降 低 了 CPU的 负 荷 ， 提 高 了 处 理 速 度 。 两 个 CPU为 非 对 称 主从 式 关 系 结 构 ， 其 中 一 个 CPU负 责 通 信 链 路 层 的 协 议 处 理 ，另 一 个 CPU则 作 为 主 CPU负 责 网 络 层 以 上 的 处 理 ， 主 要 包 括转 发 决 定 、 路 由 算 法 和 配 置 控 制 等 计 算 工 作 。 CPU RAM物 理 接 口 物 理 接 口 物 理 接 口CPU总 体 上 来 说 ， 第 二 代 体 系 结 构 实 际 上 是 第 一 代 体 系 结 构的 简 单 延 伸 第 三 代

11、单 总 线 对 称 式 多 CPU结 构 路 由 器 第 三 代 路 由 器 可 以 说 改 善 了 在 第 二 代 体 系 结 构 中 主要 限 制 ， 因 为 它 开 始 采 用 了 简 单 的 并 行 处 理 技 术 ， 在 每 个接 口 处 都 有 一 个 独 立 CPU， 专 门 单 独 负 责 接 收 和 发 送 本 接 口 数 据 包 ， 管 理 接 收 发 送 队 列 、 查 询 路 由 表 做 到 出 转 发决 定 等 。 而 主 控 CPU仅 完 成 路 由 器 配 置 控 制 管 理 等 非 实 时功 能 。 CPU RAM 物 理 接 口 物 理 接 口 物 理 接 口

12、CPU RAM CPU RAMCPU RAM 第 四 代 多 总 线 多 CPU结 构 路 由 器 第 四 代 路 由 器 至 少 包 括 三 类 以 上 总 线 和 三 类 以 上 CPU。显 然 ， 这 种 路 由 器 的 结 构 非 常 复 杂 ， 性 能 和 功 能 也 非 常强 大 。 Cxbus是 数 据 包 在 各 接 口 间 转 发 的 总 线 通 道 ， 带宽 达 到 533mbps； dbus是 diagnosticbus的 缩 写 ，用 于 传 送 处 理 器 之 间 的 诊 断 和 管 理 控 制 数 据 ；Sxbus是 交 换 CPU与 路 由 CPU之 间 的 系

13、统 内 部 总线 。 接 口 CPU仅 完 成 非 常 简 单 的 接 收 和 发 送 数 据的 任 务 。 而 交 换 CPU是 这 个 路 由 器 的 核 心 ， 它 负责 处 理 网 络 第 二 层 、 第 三 层 乃 至 更 高 层 的 协 议 ，完 成 数 据 包 交 换 功 能 ， 交 换 CPU与 接 口 CPU共 享内 存 ， 以 避 免 数 据 传 送 的 延 迟 。 路 由 CPU采 用 普通 的 CISC CPU ， 用 于 完 成 所 有 非 实 时 的 任 务 ，如 运 行 路 由 协 议 、 统 计 网 络 状 态 信 息 、 响 应SNMP请 求 、 配 置 管

14、理 路 由 器 等 。 第 五 代 共 享 内 存 式 结 构 路 由 器 在 共 享 存 储 器 结 构 路 由 器 中 ， 使 用 了 大 量 的高 速 RAM来 存 储 输 入 数 据 ， 并 可 实 现 向 输 出 端 的转 发 。 在 这 种 体 系 结 构 中 ， 由 于 数 据 首 先 从 输 入端 口 存 入 共 享 存 储 器 ， 再 从 共 享 存 储 器 结 构 路 由器 的 交 换 带 宽 主 要 由 存 储 器 的 带 宽 决 定 。 为 了 提高 带 宽 ， 必 须 增 大 存 储 器 的 带 宽 ， 并 采 用 较 多 存储 模 块 。 显 然 ， 当 规 模 较

15、 小 时 ， 这 类 结 构 还 比 较 容 易实 现 ， 但 当 系 统 升 级 扩 展 时 ， 设 备 所 需 要 的 连 线将 会 大 量 增 加 ， 控 制 也 会 变 得 越 来 越 复 杂 。 这 种结 构 不 适 应 向 更 高 水 平 发 展 。 第 六 代 交 叉 开 关 /交 换 式 体 系 结 构 路 由 器 与 共 享 存 储 器 设 计 方 案 相 比 ， 基 于 交 叉 开 关 的 设 计 有更 好 的 可 扩 展 性 ， 并 且 省 去 了 控 制 大 量 存 储 模 块 的 复 杂 性和 成 本 。 数 据 直 接 从 输 入 端 经 过 交 叉 开 关 流 向

16、 输 出 端 。 它 采 用 交叉 开 关 结 构 替 代 共 享 总 线 ， 这 样 就 允 许 多 个 数 据 包 同 时 通过 不 同 的 线 路 进 行 传 送 ， 从 而 极 大 地 提 高 了 系 统 的 吞 吐 量 ，使 得 系 统 性 能 得 到 了 显 著 提 高 。 系 统 的 最 终 交 换 带 宽 仅 取 决 于 中 央 交 叉 阵 列 和 各模 块 的 能 力 ， 而 不 是 取 决 于 互 连 线 自 身 。 就 目 前 来看 ， 这 种 方 案 是 高 速 核 心 路 由 器 的 最 佳 方 案 。基 于 机 群 系 统 的 路 由 器 这 种 基 于 机 群 系

17、 统 的 路 由 器 方 案 目 前 仍 处 于 研 究 阶 段 ，如 纽 约 州 立 大 学 石 溪 分 校 的 suez系 统 ， 采 用 了 由 myrinet连接 的 8台 pentiumii 233构 成 路 由 器 。 原 理 上 这 种 结 构 的 系统 具 有 更 强 的 可 扩 展 能 力 （ 如 扩 展 到 太 位 级 ） 和 更 高 的 性能 价 格 比 ， 但 现 在 仍 存 在 很 多 问 题 。 4.4 网 络 处 理 器 技 术 简 介1. 什 么 是 网 络 处 理 器 技 术2. 产 生 的 技 术 背 景3. 技 术 原 理4. 应 用 领 域5. 产 品

18、现 状6. 发 展 趋 势 1. 什 么 是 NPUs技 术网 络 处 理 器 （ Network Processor， 简 称 NP）是 一 种 可 以 编 程 的 设 备 （ 比 较 典 型 就 是 一 种 芯片 ） 。 它 不 仅 仅 指 的 是 某 一 类 的 设 备 或 产 品 ， 而更 加 广 泛 地 代 表 了 一 种 网 络 设 计 的 技 术 理 念 。 主 要 的 优 势 ： 优 异 的 性 价 比 高 度 的 灵 活 性 网 络 处 理 器 的 本 质 网 络 处 理 器 是 面 向 网 络 应 用 领 域 的 应 用 特 定 指 令 处 理 器 ,是 面 向 数 据 分

19、 组 处 理 的 、 具 有 体 系 结 构 特 征 和 /或 特 定 电路 的 、 软 件 可 编 程 器 件 。 通 过 灵 活 的 软 件 体 系 提 供 硬 件 级的 处 理 性 能 是 NP的 关 键 特 性 。 在 以 GPP和 ASIC/RSIC为 核 心 的 设 备 体 系 结 构 阶 段 ， 对 2 3层 数 据处 理 采 用 “ 存 储 转 发 ” 数 据 分 组 处 理 模 式 。 随 着 网 络 发 展 ， 需 要 对 2 7层 的 数 据 分 组 采 用 “ 存 储 处 理 转 发 ” 数 据 分 组 处 理 模 式 才 能 实 现 复 杂 的 QOS、 安 全 控

20、制 、 负 载均 衡 等 功 能 模 块 。 NP的 出 现 ， 标 志 着 设 备 对 数 据 分 组 的 处 理 能 力从 低 层 处 理 过 渡 到 高 层 细 化 处 理 。 NP技 术 为 下 一 代 网 络 的 核 心 技 术 ， 其 特 点 是 ： NP针 对 数 据 分 组 处 理 ， 采 用 优 化 体 系 结 构 、 专 用 指 令 集 、 硬 件 单元 ， 满 足 高 速 数 据 分 组 线 速 处 理 要 求 ； 具 有 软 件 编 程 能 力 ， 能 够 迅 速 实 现 新 的 标 准 、 服 务 、 应 用 ， 满 足网 络 业 务 复 杂 多 样 化 需 求 ，

21、灵 活 性 好 ； 设 备 具 有 软 件 升 级 能 力 ， 满 足 用 户 设 备 硬 件 投 资 保 护 需 求 。 2. 产 生 的 技 术 背 景网 络 设 备 的 核 心 处 理 部 件 随 着 应 用 需 求 的 变 化大 致 经 历 了 3个 阶 段 的 发 展 过 程 ： CPU ASIC（ Application Specific Integrated Circuit，特 定 用 途 集 成 电 路 ） 网 络 处 理 器 网 络 处 理 器 的 出 现应 用 需 求 ：流 量 和 用 户 的指 数 级 增 长动 态 变 化 的 复杂 协 议 和 功 能 灵 活 的 业 务

22、 扩展 和 演 进 策 略 GPP（ General Purpose Processor） 通 用 目 的 处 理器特 点 ： 功 能 易 扩 展 、 灵 活 性 好 、 低 成 本缺 点 ： 性 能 低 、 不 适 合 处 理 高 速 网 络 流 量ASIC（ Application Specific Integrated Circuit）特 点 ： 高 性 能 ， 硬 件 形 式 实 现 各 种 成 熟 的 网 络 功 能缺 点 ： 设 计 周 期 长 （ 18个 月 ） 、 灵 活 性 差 、 费 用 高 FPGA（ Field Programmable Gate Array ）特 点

23、： 可 以 反 复 编 程 、 擦 除 、 在 外 围 电 路 不 动 用 软件 实 现 不 同 功 能 、 一 定 程 度 上 灵 活 地 扩 展 业 务 处 理类 型 。 缺 点 ： 受 技 术 限 制 不 成 熟 ASIP（ Application Specific Instruction Processor） NP（ Network Processor）特 点 ： 由 若 干 微 处 理 器 和一 些 硬 件 协 处 理 器 组 成 ，并 行 工 作 ， 通 过 软 件 来 控制 处 理 流 程 。针 对 网 络 应 用 设 计 ， 对 于一 些 复 杂 的 标 准 操 作 采 用硬

24、件 协 处 理 器 来 提 高 处 理性 能 。可 编 程 、 可 扩 展 。 实 现 业务 灵 活 性 与 高 性 能 的 有 机结 合 。 2. 产 生 的 技 术 背 景网 络 处 理器 与 CPU CPU 具 有 一 般 化 的 体 系 结 构 和 指 令 集 ， 以 求 支 持 复 杂 的 运 算并 容 易 添 加 新 的 功 能 。 但 处 理 速 度 一 般 相 对 较 慢 ， 可 扩展 性 差 ， 很 难 满 足 网 络 高 速 发 展 的 需 要 。 网 络处 理 器 专 为 进 行 网 络 分 组 处 理 而 开 发 ， 具 有 优 秀 的 体 系 结 构 和指 令 集 ，

25、 因 此 它 有 比 CPU更 好 的 处 理 性 能 ， 能 够 满 足 网络 高 速 发 展 的 需 求 。网 络 处 理器 与 ASIC ASIC 作 为 硬 件 集 成 电 路 ， 具 有 高 速 的 处 理 能 力 。 但 编 程 能 力有 限 ， 灵 活 性 差 。 仅 能 支 持 有 限 的 应 用 和 服 务 ， 很 难 满足 网 络 业 务 多 样 化 的 需 求 。 研 制 周 期 长 ， 成 本 高 ， 市 场存 活 时 间 短 。 网 络处 理 器 有 专 门 的 指 令 集 和 配 套 的 软 件 开 发 系 统 ， 具 有 很 强 的 编程 能 力 ， 方 便 开

26、发 各 种 应 用 ， 支 持 可 扩 展 的 服 务 ， 能 够很 好 满 足 网 络 业 务 多 样 化 发 展 的 趋 势 。 研 制 周 期 短 ， 成本 低 ， 市 场 存 活 时 间 长 。 但 依 赖 于 软 件 的 运 行 ， 因 此 ，处 理 性 能 较 ASIC相 对 差 一 些 。 3. 技 术 原 理 3.1 基 本 结 构 3. 技 术 原 理 片 内 处 理 器 ： 网 络 处 理 器 内 部 包 含 多 个 片 内 处 理 器 ，构 成 多 处 理 器 系 统 。 这 些 片 内 处 理 器 按 照 功 能 可 以 分为 核 心 和 转 发 引 擎 两 种 。 核

27、 心 ： 用 于 系 统 管 理 维 护 和 复 杂 的 数 据 处 理 。 转 发 引 擎 ： 提 供 的 是 快 速 的 数 据 处 理 ， 提 供 分 类 调 度等 服 务 功 能 。 它 可 能 含 有 多 个 硬 件 线 程 ， 每 个 线 程 都有 一 套 专 门 的 硬 件 来 存 放 程 序 运 行 的 上 下 文 ， 可 获 得线 程 切 换 的 零 开 销 。 3.1 基 本 结 构 3. 技 术 原 理 高 速 的 I/O接 口 单 元 ： 网 络 处 理 器 有 丰 富 的 网 络 I/O接 口 单 元 ， 包 括 物 理 链 路 接 口 、 交 换 接 口 、 存 储

28、 器 接口 以 及 其 他 外 部 处 理 单 元 接 口 等 。 内 部 高 速 总 线 ： 多 组 处 理 器 和 I/O接 口 单 元 通 过 内部 高 速 总 线 （ 一 般 为 多 总 线 结 构 ） 连 接 在 一 起 ， 组 成优 化 的 数 据 通 路 结 构 ， 从 而 提 供 很 强 的 硬 件 并 行 处 理能 力 。 存 储 器 ： 包 含 多 种 不 同 性 能 的 存 储 结 构 ， 以 适 应 不同 的 应 用 目 的 。 例 如 Flash用 于 存 放 硬 件 启 动 /引 导 程序 ； SRAM存 放 路 由 表 、 队 列 结 构 等 各 种 查 询 表

29、格 ；SDRAM作 为 缓 冲 区 存 放 分 组 数 据 。 3.1 基 本 结 构 . 技 术 原 理 专 用 指 令 集 ： 片 内 转 发 引 擎 一 般 具 有 专 用 的 精 简 指 令 集 ，这 些 指 令 经 过 针 对 网 络 数 据 处 理 的 优 化 ， 例 如 数 据 读 写 ，状 态 判 断 ， 堆 栈 操 作 ， 哈 希 查 找 等 。 专 用 组 件 （ 协 处 理 器 ） ： 要 求 高 速 处 理 （ 线 速 ） 的 通 用功 能 模 块 可 以 用 硬 件 来 实 现 以 提 高 性 能 。 例 如 路 由 查 找和 数 据 加 密 等 。 3.1 基 本

30、结 构 3. 技 术 原 理 可 编 程 性 ： 网 络 处 理 器 的 本 质 在 于 其 可 编 程 性 ， 从 而 改变 ASIC灵 活 性 差 的 缺 点 。 这 是 通 过 提 供 界 面 友 好 而 功 能强 大 的 编 程 、 调 试 和 性 能 评 价 等 软 件 环 境 实 现 的 。 并 行 处 理 ： 网 络 处 理 器 能 够 实 现 不 同 级 别 的 并 行 处 理 ，通 过 流 水 线 实 现 指 令 级 的 并 行 ， 通 过 硬 件 线 程 实 现 线 程级 的 并 行 ， 通 过 片 内 处 理 器 结 构 实 现 处 理 器 级 的 并 行 。 高 速 数

31、 据 处 理 ： 网 络 处 理 器 需 要 具 有 线 速 处 理 能 力 ， 以避 免 设 备 成 为 瓶 颈 ， 它 的 硬 件 结 构 为 此 提 供 了 保 证 。3.2 技 术 特 点 3. 技 术 原 理 深 层 数 据 处 理 ： 也 叫 智 能 处 理 （ Intelligent Processing） ， 就 是 根 据 不 同 的 服 务 要 求 可 对 分 组（ 帧 ） 进 行 不 同 深 度 的 处 理 。 例 如 路 由 查 找 只 需 要 处理 第 三 层 （ IP头 部 ） ， 分 类 需 要 处 理 到 第 四 层（ TCP/UDP协 议 ） ， 而 安 全

32、则 需 要 处 理 到 应 用 层 （ 分组 携 带 的 有 效 载 荷 ） 。 模 块 化 设 计 ： 网 络 处 理 器 体 系 结 构 的 模 块 化 也 包 含 不同 的 层 次 ， 硬 件 层 面 和 软 件 层 面 的 模 块 化 。 通 过 模 块化 设 计 力 图 在 保 持 高 性 能 的 基 础 上 获 得 很 好 的 可 扩 展性 和 灵 活 性 ， 并 能 使 设 备 厂 商 容 易 研 发 不 同 性 能 和 不同 特 性 的 设 备 。 3.2 技 术 特 点 3. 技 术 原 理 可 扩 展 性 ： 网 络 处 理 器 的 可 扩 展 性 同 样 包 括 硬 件

33、可 扩展 性 和 服 务 可 扩 展 性 。 前 者 指 网 络 处 理 器 除 了 可 以 用来 研 制 小 型 设 备 ， 还 可 以 通 过 交 换 机 构 的 连 接 研 制 大型 设 备 。 后 者 是 指 可 以 在 对 原 有 软 件 结 构 做 很 小 改 动的 基 础 上 加 入 新 的 服 务 和 功 能 。 3.2 技 术 特 点 4. 应 用 领 域* 入 侵 检 测 系 统 、 数 据 加 密 、 网 络 监 控 、 Intranet防 火墙 等 安 全 控 制 ， 防 御 内 部 和 外 部 的 恶 意 行 为 ；* 进 行 分 组 分 类 ， 识 别 关 键 业

34、务 流 ， 提 供 优 先 传 输 服 务 ，实 现 用 户 在 网 络 服 务 上 的 各 种 管 理 策 略 ， 保 证 服 务 质量 QoS；* 提 供 虚 拟 专 用 网 VPN；* 流 量 工 程 ； 4.1 在 LAN/企 业 网 中 4. 应 用 领 域主 要 是 支 持 多 种 新 型 业 务 和 多 种 网 络 接 入 ， 并 进 行 服 务质 量 控 制 ， 其 中 包 括 ： * 分 组 分 类 、 聚 合 和 调 度 ； * 实 现 基 于 业 务 等 级 协 议 （ SLA） 的 服 务 质 量 管 理 ， 提供 带 宽 和 时 延 保 证 ， 支 持 动 态 带 宽

35、 管 理 ； * 提 供 VPN； * 实 现 负 载 均 衡 ； * 分 解 和 装 配 各 种 类 型 的 协 议 数 据 单 元 ， 执 行 协 议 转 换 ，支 持 多 种 传 输 媒 体 接 入 ； * 安 全 与 网 络 监 控 。 4.2 在 广 域 边 缘 /接 入 网 络 4. 应 用 领 域在 核 心 网 中 ， 网 络 处 理 器 用 在 OC-48到 OC-192甚 至 更 高速 率 下 实 现 对 聚 合 流 的 分 类 识 别 和 转 发 ， 支 持 服 务 质 量控 制 和 流 量 工 程 ， 支 持 多 协 议 标 号 转 换 （ MPLS） 、 区分 服 务

36、（ DiffServ） 等 协 议 。 4.3 在 广 域 核 心 网 络 5. 产 品 现 状 IXP1200系 列 基 本 结 构 为 ：1个 主 频 最 高 可 达 232MHz的 处 理 核 心 StrongARM、 6个RISC结 构 的 可 编 程 微 引 擎 （ 每 个 微 引 擎 又 包 含 4个 硬 件线 程 ） 、 64位 和 最 高 85MHz的 IX Bus、 32位 的 SRAM接 口单 元 （ 工 作 频 率 为 核 心 频 率 的 一 半 ） 、 64位 的 SDRAM接口 单 元 （ 工 作 频 率 为 核 心 频 率 的 一 半 ） 、 32位 和 最 高66

37、MHz的 PCI总 线 接 口 单 元 。 IXP1200通 过 FBI接 口 单 元和 IX Bus相 连 接 。 另 外 还 有 一 套 集 成 开 发 环 境 用 于 对微 引 擎 作 应 用 开 发 ， 支 持 的 语 言 有 汇 编 和 C。 典 型 产 品 5. 产 品 现 状 IXP2400和 IXP2800系 列 ： 它 们 除 了 增 加 了 到 交 换 结 构 的 接口 外 ， 基 本 上 保 持 了 原 来 的 体 系 结 构 ， 但 性 能 有 了 很 大 提高 。 IXP2400支 持 2.5Gbps应 用 ， 具 有 8个 600MHz的 微 引 擎 、600MHz

38、的 处 理 核 心 Xscale， 可 外 接 1块 DDR DRAM和 2块 QDR SRAM， 支 持 标 准 的 线 卡 /交 换 接 口 标 准 SPI-3或 CSIX-L1。IXP2800支 持 10Gbps应 用 ， 具 有 16个 1.4GHz的 微 引 擎 、700MHz的 处 理 核 心 Xscale， 可 外 接 3块 RDRAM和 4块 QDR SRAM，支 持 标 准 的 线 卡 /交 换 接 口 标 准 SPI-4.2或 CSIX-L1。 典 型 产 品 5. 产 品 现 状 IBM公 司 的 产 品 有 NP4GS1和 NP4GS3系 列 ， 它 们 支 持2.5G

39、bps应 用 ； Vitesse公 司 的 支 持 2.5Gbps应 用 的 IQ2000和 IQ2200; C-port公 司 的 支 持 2.5Gbps应 用 的 C-5和 C-5e等 等 。 典 型 产 品 6. 未 来 之 路 性 能 不 断 提 高 随 着 生 产 工 艺 的 提 高 和 体 系 结 构 的 进 一 步 优 化 ， 网 络 处 理 器 将 会 有 更 高的 处 理 速 度 、 更 小 的 尺 寸 和 功 耗 、 更 高 的 可 扩 展 性 、 更 方 便 实 用 的 开 发工 具 。 标 准 化 网 络 处 理 器 论 坛 （ NPF） 肩 负 着 解 决 标 准 化

40、 问 题 这 一 使 命 ， 该 组 织 由CSIX(Common Switch Interface Consortium)和 CPIX(CommonProgramming Interface Forum)这 2个 组 织 于 2001年 2月 共 同 创 建 ， CSIX主 要 制 订 网 络 处 理 器 与 交 换 机 构 之 间 的 标 准 硬 件 接 口 ， 而 CPIX则 制 定 网 络 处 理 器 应 用 开 发 的 标 准 软 件 接 口 （ API） 。 CSIX目 前 已 制 订 出 相 关 规 范CSIX-L1。 6. 未 来 之 路 产 品 系 列 化 多 种 技 术 并

41、 存 在 对 处 理 性 能 需 求 很 高 的 高 端 设 备 中 ， ASIC仍 然 有 着很 强 的 生 命 力 。 在 未 来 的 设 备 中 ， 可 能 形 成 一 种 以 网络 处 理 器 为 核 心 ， 协 处 理 器 、 CPU和 ASIC为 辅 助 处 理单 元 的 格 局 。 形 成 庞 大 的 第 三 方 队 伍 Intel IXP网 络 处 理 器 产 品 线 Intel IXP4XX Product Line of Network Processors面 向 家 庭 、 小 到 中 型 企 业 。嵌 入 式 网 络 设 备 。 Intel IXP12XX Produc

42、t Line of Network ProcessorsOC-3 至 OC-12 线 速 处 理 应 用 。 Intel IXP2XXX Product Line of Network Processors灵 活 、 高 性 能 、 可 扩 展 的 网 络 处 理 器 。 最 高 可 满 足 OC-192 的 线 速 处 理 。 IXP2400网 络 处 理 器 1个 Intel XScale Core 8个 MicroEngine Version 2（ MEv2） 1个 DDR SDRAM控 制 器 2个 独 立 的 QDR SRAM控 制 器 MSF（ Media and Switch F

43、abric） 接 口 PCI控 制 器 16K字 节 Scratchpad存 储 器 Hash单 元 CAP 片 内 控 制 和 状 态 寄 存 器 XPI Intel XScale core 外 设 接 口 IXP2400特 点 采 用 多 内 核 并 行 处 理 器 结 构 ：片 内 处 理 器 按 任 务 分 为 控 制 平 面 处 理 器 和 数 据 层 面 处理 器 。 控 制 平 面 处 理 器 通 常 负 责 非 实 时 的 管 理 任 务 ；数 据 平 面 处 理 器 进 行 实 时 、 线 速 数 据 分 组 处 理 。处 理 器 XScal工 作 在 控 制 平 面 提 供

44、 总 的 控 制 ， 处 理 高 层协 议 ， 八 个 并 行 微 引 擎 工 作 在 数 据 平 面 。微 引 擎 是 精 简 的 可 编 程 处 理 器 ， 在 入 口 和 出 口 处 线 速处 理 数 据 分 组 。 支 持 硬 件 多 线 程 ：为 了 提 高 网 络 处 理 器 的 资 源 利 用 率 ， 每 个 微 引 擎 还 支持 四 个 或 八 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） ， 以 获 得 线 程 切 换 的 零 开销 。 优 化 指 令 集 ， 设 计 专 用 硬 件 加 速 处 理 单

45、 元 。 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 。 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 乘 法 指 令 、 CRC校 验 指 令 、 哈 希 计 算 指 令 、 字 节 对 齐 指 令 、 硬 件 队 列与 环 操 作 指 令 、 CAM（ Content Addressing Memory）查 找 指 令 、 MSF与 DRAM间 快 速 通 道 指 令 、 状 态 判 断 与 数据 读 写 指 令 等 。 IXP2400

46、特 点 （ 续 ） 优 化 的 分 级 存 储 组 织 和 分 布 式 存 取 。网 络 数 据 处 理 需 要 进 行 大 量 的 数 据 分 组 的 接 收 、 存 储 、复 制 、 转 发 ， 存 储 操 作 成 为 系 统 开 销 的 一 大 瓶 颈 。 在微 引 擎 内 部 有 大 量 的 不 同 类 别 的 寄 存 器 、 本 地 存 储 器 、CAM， 在 微 引 擎 外 部 有 片 内 存 储 器 Scratchpad。 在 网 络处 理 器 外 部 可 以 扩 展 大 容 量 的 片 外 存 储 器 SRAM和 SDRAM，SRAM 用 于 存 放 需 要 快 速 查 找 的

47、 各 种 表 结 构 ， SDRAM 用于 存 放 数 据 分 组 信 息 。 模 块 可 并 行 访 问 多 种 数 据 存 储单 元 ， 不 同 数 据 存 储 单 元 的 存 取 时 间 周 期 差 异 很 大 。 硬 件 支 持 的 环 与 队 列 操 作 。网 络 数 据 处 理 涉 及 很 多 队 列 或 环 的 数 据 结 构 操 作 ， 而入 队 或 出 队 操 作 需 要 多 次 访 问 内 存 ， 极 大 地 影 响 数 据处 理 分 组 处 理 的 周 期 。 IXP2400中 的 SRAM控 制 器 提 供 了基 于 SRAM的 先 入 先 出 队 列 ， 通 过 硬

48、件 实 现 了 环 与 队 列 操 作 。 IXP2400外 部 特 性Customer ASICs Utopia 1/2/3,POS-PL2/3 orCSIX-L1Interface PCI 64-bit / 66 MHzIXP2400(Ingress)HostCPU(Optional) ATM / POS PHYor Ethernet MACFlash Classification AcceleratorCoProc Bus Micro-EngineClusterSlow Port Switch Fabric Port InterfaceUtopia 1,2,3SPI 3 (POS-PL3

49、)CSIX IXP2400(Egress)Flow Control Bus DDR DRAM2.4GB/s2 GByteQDR SRAM1.6 GB/s x 264 MB x 2IXA SW IXP2400外 部 特 性 （ 续 ） 媒 体 与 交 换 接 口 （ MSF Media and Switch Fabric interface）连 接 物 理 层 设 备 。连 接 交 换 矩 阵 。支 持 UTOPIA 1/2/3, POS-2， SPI-3 (POS-PL3), 和CSIX接 口 标 准 。 存 储 器 接 口2 个 QDR SRAM 接 口 （ Quad Data Rate S

50、RAM） 。1 个 DDR DRAM接 口 （ Double Data Rate DRAM） 。 慢 速 端 口 （ Slow Ports） 连 接 Flash ROM和 外 部 芯 片 的 控 制 接 口 。 PCI 接 口64bit/66MHz PCI总 线 ， 与 主 CPU 接 口 。 流 控 制 总 线 （ Flow Control Bus）使 用 两 片 IXP2400时 ， 在 两 个 NPU间 用 专 用 信 道 传 递 流量 控 制 信 息 。 IXP2400体 系 结 构 MEv26MEv27MEv25MEv28IntelXScale Core32K IC32K DC Rb

51、uf64 128BTbuf64 128BHash64/48/128Scratch16KBQDRSRAM1 QDRSRAM2DDRAM GASKETPCI(64b)66 MHz SPI3orCSIXE/D Q E/D Q MEv22MEv23MEv21MEv24 CSRs -Fast_wr -UART-Timers -GPIO-BootROM/Slow Port MEv2特 性 MEv2 MicroEngine Version 2 8个 微 引 擎 分 为 两 组 ， 每 组 有 专 用 的 命 令 和 数 据 总 线 。 ME Cluster0和 ME Cluster1。 硬 件 多 线 程

52、每 个 微 引 擎 有 4/8个 硬 件 线 程 ， 线 程 间 实 现 零 开 销 切 换 。 非 抢 占 多 线 程 （ non-preemptive） 由 微 码 指 令 控 制 线 程 间 的 切 换 。 分 布 式 数 据 存 储 可 并 行 访 问 多 种 数 据 存 储 单 元 。 微 引 擎 内 部 寄 存 器 ， Local Memory， CAM。 微 引 擎 外 部 SRAM， SDRAM， Scratchpad。 大 量 的 寄 存 器 256 GPRs, 512 Transfer, 128 Next Neighbor。 指 令 和 数 据 分 离 获 取 微 码 指

53、令 没 有 延 迟 。 128GPR Control Store4K Instructions128 GPRLocal Memory640 words 128 Next Neighbor 128 S Xfer Out128 D Xfer OutLocal CSRsCRC Unit 128 S Xfer In128 D Xfer InLM Addr 1LM Addr 0 D-Push Bus S-Push Bus D-Pull Bus S-Pull Bus To Next Neighbor From Next Neighbor A_Operand B_OperandALU_OutP-Random

54、 # 32-bit ExecutionData PathMultiply Find first bitAdd, shift, logical 2 per CTXCRC remain Lock0-15 StatusandLRULogic(6-bit) TAGs 0-15Status Entry# CAMTimersTimestamp Prev BB_op Prev AA_op MEv2 报 告 提 纲 网 络 处 理 器 发 展 历 程 Intel IXP系 列 网 络 处 理 器 基 于 Intel IXP2400网 络 系 统 设 计 网 络 处 理 器 的 应 用 领 域 基 于 NP的

55、典 型 网 络 系 统 基 于 IXP2400 实 现 的 OC-48系 统IXF6048Framer IXP2400Ingress ProcessorIXP2400 Egress Processor SwitchFabricGasketDDR SDRAM Packet MemoryQDR SRAM Queues & Tables DDR SDRAM Packet Memory QDR SRAM Queues & Tables1x OC-48 or4x OC-12 OC-48 OC48OC48OC48 ClassificationAcceleratorClassificationAcceler

56、ator Host CPU(IOP or iA) 基 于 Intel IXP网 络 处 理 器 的 软 件设 计控 制 层 面 管 理 层 面数 据 层 面 网 络 设 备 软 件 的 三 个 层 面数 据 层 面 。控 制 层 面 。管 理 层 面 。 网 络 设 备 软 件 的 三 个 层 面 数 据 层 面 包 括 慢 速 数 据 通 道 和 快 速 数 据 通 道 。 快 速 数 据 通 道 是 由 微 引 擎 负 责 处 理 的 数 据 转 发 通 道 ， 大 部 分 数 据包 通 过 此 通 道 完 成 处 理 与 转 发 。 慢 速 数 据 通 道 ： 由 通 用 RISC核 负

57、 责 处 理 一 些 例 外 复 杂 的 数 据 包 ，如 数 据 包 分 段 、 带 扩 展 头 部 的 数 据 包 处 理 等 。 控 制 层 面 处 理 各 种 通 信 协 议 。 转 发 表 和 状 态 信 息 维 护 。 管 理 层 面 安 装 配 置 接 口 。 策 略 管 理 接 口 。 系 统 管 理 、 统 计 、 计 费 等 。 MicroenginePipeline Control Plane Protocol StackControl Plane PDKCore ComponentsCore Component LibraryResource Manager Libra

58、ryMicroblock LibraryProtocol LibraryH ardware Abstraction LibraryMicroblock Microblock MicroblockUtility LibraryXScaleCore MicroengineC Language/Assembly LanguageC/C+ LanguageExternalProcessors IXA软 件 框 架 多 微 引 擎 、 多 线 程 的 并 行 设 计 基 于 网 络 处 理 器 成 功 构 建 一 个 网 络 系 统 的 关 键 在于 网 络 处 理 器 软 件 系 统 的 设 计 与

59、开 发 ， 其 核 心 问题 就 是 要 软 件 系 统 充 分 发 挥 网 络 处 理 器 灵 活 性 和高 性 能 的 特 点 。 网 络 处 理 器 软 件 系 统 实 现 的 一 个 挑 战 在 于 软 件 设计 与 网 络 处 理 器 的 硬 件 结 构 关 系 非 常 紧 密 ， 必 须面 向 网 络 处 理 器 的 硬 件 体 系 结 构 编 程 ， 通 过 合 理分 配 和 使 用 网 络 处 理 器 为 优 化 数 据 包 处 理 的 各 种硬 件 资 源 ， 如 多 处 理 引 擎 、 专 用 硬 件 处 理 单 元 、各 类 寄 存 器 、 片 上 内 存 和 其 它 硬

60、 件 单 元 ， 才 能 得到 一 个 高 性 能 的 系 统 。 通 常 情 况 下 ， 在 微 引 擎 上 运 行 的 应 用 软 件 包 含 多个 线 程 ， 多 个 线 程 运 行 在 多 个 微 引 擎 上 。 需 要 考虑 并 行 程 序 设 计 问 题 。 如 何 实 现 线 速 处 理 ？如 何 保 持 数 据 包 的 顺 序 ？如 何 在 多 个 线 程 间 传 递 数 据 包 的 状 态 ？如 何 实 现 数 据 互 斥 ？如 何 隐 藏 存 储 器 访 问 时 延 ？如 何 对 数 据 包 进 行 排 队 ？ IXP2400处 理 过 程 举 例SDH Framer DR

61、AM SRAMMSF DRAMController DRAMControllerSRAMControllerSHaC MEME MEMEME Cluster 0 MEMEMEMEME Cluster 1 XScaleIXP2400 1,1323 12 4,11 5 10 67,8,9 IXP2400处 理 过 程 举 例1. SDH设 备 接 收 到 一 个 packet2. MSF将 packet拆 分 为 多 个 mpacket， 将mpacket写 入 RBUF Element3. MSF通 知 Receive_Free_list中 等 待 数 据 的线 程4. 接 收 线 程 根 据

62、RSW将 mpacket直 接 从RBUF Element读 到 DRAM， 并 将 mpacket重 组 为 packet5. 接 收 线 程 将 packet放 到 Scratchpad Ring排队6. 处 理 线 程 从 Scratchpad Ring取 出 packet7. 从 DRAM中 读 出 packet中 需 要 处 理 的 内 容8. 对 数 据 作 处 理 9. 处 理 完 的 数 据 放 到 SRAM Queue中 排 队10. 发 送 线 程 从 SRAM Queue取 出 数 据11. 将 发 送 packet分 为 多 个 mpacket， 从DRAM直 接 写

63、入 TBUF Element12. 写 TBUF发 送 控 制 字 ， MSF开 始 发 送 数 据13. SDH设 备 向 线 路 上 发 送 packet 网 络 处 理 器 的 应 用 领 域 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 。 已 有 的 基 于 NP的 应 用 范 例 ：高 速 路 由 交 换 设 备 ： Cloudshield公 司 使 用

64、 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 。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

65、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 。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 。家 庭 网 络 设 备 ： 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 。