網路晶片

網路晶片（networking processor）是一個提供在通信網路中傳送和接收數據邏輯（包括聲音和視頻）的微處理器，有了它之後其他的附加設備就不需要這些功能了。

基本介紹

• 中文名：網路晶片
• 外文名：networking processor

基本介紹

網路晶片(NP)技術的出現是為了適應下一代高速網路特點的需要，提供網路服務質量(QoS)控制，不斷適應新的網路套用，發展新的網路管理模式以及快速回響市場對新的網路功能的需求而推出的一項新的晶片技術。它同時具有通用晶片和專用積體電路ASICs(Application-specificIntegratedCircuits)兩方面的優點，既具有ASICs線速轉發報文的高速度特性同時又具有通用晶片的可程式性。近來在這方面的研究非常活躍，國際各知名公司紛紛推出自己的產品和標準，如：C-Port(Motorola摩托羅拉公司)的C-5網路晶片；Agere公司(Lucent美國朗訊科技公司，原AT&T實驗室)的網路晶片集；IBM(美國國際商用機器公司)網路晶片；Intel(美國英特爾公司，以生產CPU晶片著稱)公司收購了DEC公司的Alpha處理器部門後，獲得了StrongARM技術，並以此技術為基礎成立了IXP1200網路處理器公司AD。相關的論壇，如：linley工作組舉行NP技術高級培訓班和研討會並提供專家分析技術報告，分析各NP產品的市場份額，產品的優缺點等；在CSIX和CPIX共同努力下成立的網路晶片論壇；還有Intel網路晶片論壇。同時有關NP技術的國際會議也已開始，2001年10月23日第一次召開世界性的網路晶片會議(Network processor conference)，以後每年一次，2002年網路晶片會議將於2002年10月22—25日在美國舉行。總之，NP技術是網路發展的趨向，它不僅可以減少開發商的開發成本，縮短開發時間，加快產品升級換代的能力，同時也保護用戶的利益，減少用戶在網路新功能需要的投資和升級換代的費用，所以無論在技術上還是在經濟上都具有重要意義。

發展背景

在網路發展初期，網路傳輸的速率較低，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發的速率要求，但隨著網路速度的提高，通用處理器已經不能適應網路高速發展的需要。當網路的線速是10M時，路由器是基於軟體設計的，它的好處是可提供具有不同特色的靈活性，可以通過更換軟體的方式來增加新的功能和特性，缺點是速度慢，但這種性能在當時是可以接受的，因為路由器轉發分組的速度完全可以跟上線路的速度。然而，隨著100M甚至更高線速的出現，線速不再是網路的瓶頸，這時基於軟體的路由器逐漸變成了網路的瓶頸，例如，大多數基於軟體的路由器僅支持不高於155Mbps的線速吞吐量，因此，需要想辦法提高路由器的性能，利用硬體處理分組的轉發是很自然想到的方法，所以就出現了基於ASICs的路由器。

基於ASIcs的路由器仍是當前提高網路設備速率的主流，它的最大缺點是缺乏靈活性，一旦把特性嵌入到矽片上，就很難來增加新的特性和改善性能。設計和製造一個複雜的ASIC要花費12個月到兩年的時間，這對路由器和交換機的廠商來說，需要在發展周期中提前推測出市場可能最需要的特性和協定，它以失去靈活性和快速回響市場的能力作為代價來獲取速度。隨著網路套用領域的迅速擴大，新的特性(虛擬區域網路VLAN、虛擬專用網VPN等)和用戶的新需求(多媒體、視頻點播、視頻會議等)不斷出現和變化，這樣，由於ASIC固有的不靈活性，導致廠商不能快速地對用戶要求的功能做出回響，使廠商失去了快速回響市場的能力，於是人們在研究一種既能滿足性能要求又能滿足靈活的處理器，這就是網路晶片。除此之外，ASIC還有引腳太多(200～400個引腳)，價格昂貴等缺點。

另外，區域網路流量的分布變化，也促進了網路晶片的發展。由於Internet規模和套用的發展，以往大部分的通信限於區域網路內部，而現在有相當一部分的信息是和區域網路外部網路進行交換的。而且這種趨勢還會不斷地增加，這使得分組將跑在更複雜的，多種多樣的網路體系上，相應地，安全問題(如加密、授權與鑑定、高級監控和入侵監測等)也成為重點考慮的對象，為了提供不同服務質量(如IP廣播、高級的服務質量QoS)，網路控制也將複雜得多，所有這些要求路由器和交換機變得更加智慧型，同時要以線速處理7層網路協定(OSI)的高層內容，以滿足用戶要求的不同服務，由於ASIC是用硬體來實現這些性能的，不能進行編程，所以就不能快速滿足用戶的這些新要求，於是，網路晶片技術應運而生。

特性

網路晶片的兩個基本特性是提供基於軟體的靈活性和基於硬體的高性能性，為了達到這兩個相互矛盾的目的，設計者需要想出新的思路和方法，同時根據實際問題找到二者的平衡點，否則，就不可能達到既具有高性能性又具有靈活性的目的，在這方面已經做了一些工作，總結出一些特性。

靈活性

• 可程式：網路晶片的本質是它的可程式性，從而改變ASIC處理器靈活性差的弊端，這是通過提供界面友好的功能、強大的編程、調試和性能評價等軟體環境來實現的，軟體環境的好壞對能否快速開發出高性能的產品具有重要的意義。
• 模組化的設計：網路晶片體系結構應該套用不同的策略和多級模組。根本的想法是通過運用連線技術把具有可程式的網路晶片部件連線來執行它們最合適的任務，從而達到高性能和可擴展性。它的另一個好處是網路設備商可把模組運用在他們所有的產品中。產品的靈活性是通過這些模組的不同組合來實現的。模組化設計的主要問題是要能夠定義出功能分配合理、便於實現、接口清晰的模組。把軟硬體的界面定義清楚，常用的基本的功能用硬體來實現，而變化的部分用軟體來實現，但要找到平衡點也很困難。
• 產品價格合適：因為NP是可程式的，可以通過更換軟體來快速靈活地適應市場的需求和變化。由於增加新的功能，只需要在軟體上增加新的功能模組，不需更換整個晶片，所以在更新或增加新的功能時，保護了投資者的利益。

高性能

高性能保障除了提高硬體速度外，主要包括採用先進的計算機體系結構的方法和採取與網路晶片主要以快速轉發分組為目的的特性相適應的措施來得到，下面是網路晶片在保證高性能方面常採用的措施。

• 專用的指令集：網路晶片要有專門為網路和通信而設計的指令，從而更容易實現在信息交換中要求對位、位元組、字和長字的操作以及為達到更快和更有效地傳輸分組所需要的其它指令。
• Risc指令及流水線的套用：由於Risc指令一般都能在一個時鐘周期內完成，它是面向暫存器結構的且十分重視流水線的執行效率。而網路晶片也需要大量的暫存器來加快諸如路由表的查找，所以在網路晶片中非常合適套用Risc指令。
• 程式的並行性：網路晶片體系結構中的一個關鍵特性是並行處理，分組傳遞本質上是一個並行的任務，因為每個分組都有各自的頭部和數據部分，所以並行是網路晶片一個非常重要的設計思想。許多網路晶片都包括可並行的微處理器，並且每個微處理器再被劃分為可並行執行的多個執行緒。
• 記憶體的快速訪問和高頻寬的匯流排：記憶體是網路晶片的一個瓶頸，而IntelIxp1200系統的主要瓶頸在DRAM，如果能夠提高記憶體的速度，則在性能上至少可以提高26%。所以加快記憶體的訪問速度也是網路晶片很重要的一項措施，匯流排是各個單元相互通信的公共通道，能否提供高頻寬的匯流排也直接影響這個處理器的性能。
• 可擴展性：可擴展性是網路晶片的一個重要性能參數，包括規模的擴充和功能的擴充兩個方面，在設計時要充分考慮，以便體系結構適應將來在規模和功能方面的擴充。
• 快速的路由表查找：提高路由器查錶速度是處理器的另一個重要內容，可採用四個方面的技術。
• 是面向硬體的技術：對於較小的路由表可以採用高速快取方式，以有效提高查錶速度。另外，增大存儲器用於路由查表的數量，設計並行算法進行查找，可以減少存儲器訪問次數，也能提高其速度，缺點是路由表更新困難。
• 是表壓縮技術：通過算法將較大的路由表壓縮變小，建立更複雜、緊縮的數據結構，然後存入高速快取。
• 是Hashing技術：建立一種函式映射，根據幾位目標地址映射出路由表入口。由於前綴待定，須由算法反覆試匹配，或為每個前綴建立hash表。
• 避免路由表查找。主要是將IP技術與ATM技術相結合，已經提出來的技術有IPswitch、TAGswitch MPLS等，可以有效地達到這一目的。在IXP1200中提供硬體支持的hash操作，可用來提高路由表的查找速度。

套用

網路處理器在網際網路的核心層、邊沿層和區域網路/企業網中都能有廣泛的套用。由於不同網路場合下網路處理的特點有所不同，網路處理器發揮的作用也有所不同。

LAN/企業網

LAN/企業網是企業或機構的專用網路，網路處理器套用包括：①保證服務質量QoS；②識別關鍵業務流，提供優先傳輸服務；③實現各種分類算法和流量工程，以實現用戶在網路服務上的各種管理策略；④安全與網路監控：提供網路安全，防禦內部和外部的惡意行為⑤提供Intranet防火牆；⑥提供虛擬專用網VPN。

邊沿網

邊沿網的作用是實現流量分類匯聚，網路處理器套用於網路提供者(ISP)接入設備和數據中心，提供對新型業務和網路匯接的支持，主要包括：①業務管理；②實現基於業務等級協定(SLA)的業務質量管理；③提供VPN；④實現負載平衡；⑤媒體匯聚：分解裝配各種類型的協定數據單元，執行協定轉換；⑥安全與網路監控。

核心網

在核心網中，網路處理器用於在STM-16、STM-64甚至更高速率下實現多協定標號轉換(MPLS)、區分服務(DiffServ)等協定需要的分段/重組、協定識別、協定數據單元分類、修改、流量工程等包處理操作，需要非常高的分組轉發速率。

關鍵技術

為了適應新一代Internet的需求，NP的處理能力可以通過以下三個方面改進實現。

• IP結構更新：由於需要作數據包頭的處理，對實時性有較高的要求，因而應避免包頭的排列，力爭以線速完成處理，這就要求各模組的功能儘可能採用並行處理實現。
• 各部件高速實現：特別是一些關鍵部件如包分類器、資源管理(包調度、快取分配)等需要在算法上作深入研究。
• 高速實現的技術支持：包括以公平佇列(FQ)及其變種為代表的基於流調度算法的研究，狀態信息管理方法的研究，以及路由表查錶速度和包分類問題的研究。

基於以上三點，對IP設計的一些關鍵技術和解決方案再作進一步研究。

• 高速的路由表查找IP的主要性能瓶頸需要改進的問題有兩個，其一是存儲器的存取速度，這主要由存儲器訪問數量和訪問速度決定。其二是路由器查表算法，目前採用的最長前綴匹配算法是基於樹的數據查詢算法，由根到葉的每一路徑對應轉發表中的一個入口，最大長度前綴匹配得到一個最長的根到葉的路徑。基於樹的算法始於樹根，用地址中新的比特遞歸匹配當前節點的分支，算法的關鍵思想是，多數節點只存儲幾個分支節點，而不是全部節點。這一算法的基礎是對存儲器進行疊代使用，用量少而訪問次數增加。
• 高速的交換結構交換結構是IP中的關鍵部分，是解決高速報文轉發的主要方式。線上路容量快速增長的情況下，目前路由器集中處理的模式便成為網路通信的瓶頸。採取的提升技術主要包括兩個方面：①分散式處理，將集中處理的轉發引擎功能分散成多個較小的轉發引擎上，每個小引擎利用特殊的專用晶片實現，進行並行處理和轉發；②空分交換，引入交換機的空分交換陣列取代原來的共享匯流排連線結構，減少對共享匯流排的爭用和衝突，提高轉發分組的速度。因此，高性能的IP主要包括兩種模型，即分散式模型和並行模型。

發展

Agere(Lucent)公司的晶片集，包括快速圖形處理器(FPP)，路由交換處理器(RSP)，和Agere系統接口(ASI)。它是一種平台處理器的解決方案，可以處理多項第二層的協定，處理速度可達OC-48的水平。Agere處理器的結構並不是依據RISC的構造，而是完全為分組處理套用重新設計的。Agere公司宣稱，和以RISC為基礎的解決方案相比，Agere的解決方案只需要提高處理器的時鐘速度，就可以很容易地將處理速度提高到OC-192的水平。Lucent收購Agere以後，在平台NPU的競爭中，顯著地增強了競爭的優勢。Agere的技術和Lucent在光通訊層的專業知識相結合，可以產生重要的影響。

C-Port(Motorola)公司的C-5處理器，是平台NPU中集成度最高的產品。它有16個RISC芯核，32個串接數據處理器，和5個經過針對不同作業的需要，最佳化過的處理器卸載。C-5可以執行第七層以下的分組分類作業，速度為5Gbps。從C-5的處理能力，和它的每隻400美元的售價來看，它是屬於市場中高檔套用產品。此外，C-Port公司還十分重視軟體平台(C-ware)和開發工具的提供。它的著眼點是促進第三方的開發人員使用C-5，並以C-5為載體去開發分組處理套用軟體和外圍部件。

Motorola公司於2000年2月收購C-Port公司後，已是分組處理套用方面領先的CPU供應商。加上Motorola的豐富資源，特別是Motorola的PowerQuickRISC處理器(與C-處理器具有互相補充的增效作用)，C-Port公司的C-/C-Ware解決方案，很可能成為領先的平台NPU，尤其是在高端的市場部分。

IBM已經開發了兩種平台NPU，用於高端的NPU，命名為Rainier。Rainier的集成度很高，有16個RISC處理器芯核和一個嵌入的MAC和/或POS幀形成器，系統用戶沒有必要再另尋處理器。對低端套用，IBM開發了一種命名為Charm的以RISC為基礎的處理器。Charm是以企業的LAN和WAN接入作為套用對象。由於IBM在網路晶片方面可以提供的產品十分豐富，因此它打算為生產各種各樣網路設備的廠商提供全套的晶片。用戶到它的公司可以完全解決問題，無須再找其它廠商。很明顯，IBM以其豐富的資源和在網路晶片市場中已經占據的地位，一定可以圍繞它的平台NPU成功地建立起具有競爭力的價值鏈。

IXP1200NPU公司生產的IXP1200，在性能方面落在它的許多對手之後。但是IXP1200可以完成第三層以下的分組交換處理功能，速度達到1Gbps，因此它在許多網路產品中仍可以使用。此外，Intel有可能使它的價格降得比對手都低。IXP1200最具吸引力的地方也許在於Intel公司圍繞IXP1200所建立的第三方廠商的價值鏈。Intel成立IXA開發者論壇(Internet Exchange Architecture Developer's Forum)，明確宣布將以該組織為中心建立完整的價值鏈。Intel還採取積極的兼併戰略增強IXA，並努力為它的系統廠商用戶增值；同時也積極為IXA開發者論壇的其它成員增值。Intel通過這樣的方式極有可能會在市場中成功地建立平台NPU的競爭優勢。

NP技術是近兩年在網路領域發展起來的一項非常重要的技術，是未來發展各種網路套用的基礎，它在增加靈活性的基礎上，仍保持了高速傳遞分組的能力。現在可以達到OC-768(相當於40Gbps)，IP報文轉發速率的體系結構的設計已經出現。各大公司也紛紛推出自己的NP產品和標準，搶占市場份額和保持領先地位。在這種形勢下，我們必須加強這方面的研究，學習國外的先進技術，開發自己的產品。