網络处理器设计的复杂性.docVIP

网络处理器设计的复杂性 李华伟 网络处理器（Network Processor，简称NP）是面向网络应用领域的专用处理器（Application Specific Instruction Processor），是面向数据分组处理的、具有特定电路的软件可编程器件。它将RISCReduced Instruction Set Computer-精简指令集）处理器的低成本、灵活性与ASICApplication-Specific Integrated Circuits-专用集成电路）专用网络处理芯片的高性能、可扩展性很好地结合在一起，提供了适应网络发展（新协议、新应用）的能力。NP的出现，标志着设备对数据分组的处理能力从低层粗放式处理过渡到高层细化处理。基于NP开发网络系统进入市场时间（time-to-market），由其可编程性较长的市场寿命。本文将重点围绕网络处理器设计的复杂性、设计中所需要权衡的各种因素进行分析。 网络处理器的功 网络处理器的功能是由它所需要实施的操作以及它在目标网络系统中的任务决定的。一方面，NP需要有足够的分组处理能力。另一方面，NP确切的功能依赖于使用它的系统的体系结构。或者换句话说，目标系统中NP与其他组成部分之间的分工方式决定了NP的功能。 工业界对于协议栈中各层次协议功能及其特殊需求的实现已经相当有经验了。然而，NP不是为某个特定的协议而设计的，它的指令集并不需要包含处理某个协议所需的所有指令。NP的目标是具有足够的功能来处理“任何”协议，也就是网络协议处理的通用性。NP的协议处理通用性不是通过设计的全面性来保障的。尽管设计人员可以针对需要处理的协议的每个特征，穷尽所需要的指令，但毫无疑问这种方式将产生笨拙的设计并带来芯片面积的浪费。反过来，抽取最小化的功能集能够使设计精简并高效。为此，设计者必须分析不同协议的特征，识别它们共，推导出可以高效处理所有特征的最小指令集。因此，确定“最小化”的功能集就成为NP设计的一大挑战。 1.1 分组处理功能 设计一个通用的网络处理器的第一步是识别多数协议所需要的功能。一般来说，完成分组处理任务包括下面一些功能：检错和纠错流量测量和策略帧和协议的分解地址查找和包转发分段和重组包分类流量整形定时和调度排队安全（认证和私有）。尽管这些功能都可以在一个传统的通用指令集CPU上完成，但增加特定的指令可以提高完成这些功能的性能。例如就排队来说，NP只需要关心包的队列，而不是其他任意的队列，因此NP可以针对包队列进行优化，设计专用指令。类似的，由于大多数协议都需要CRCCyclic Redundancy Check，循环冗余校验或校验和进行差错检测，NP可以包含相关的专用指令以提高算。 NP设计者需要考虑下列一些问题：1）上述功能是否足以涵盖所有协议处理？2）哪一项功能的优化最重要？3）如何将上述功能映射到一个典型网络系统的硬件单元？4）一个典型网络系统的哪些硬件单元可以用一个NP来替代？5）实现上述功能的最小完备指令集是什么？所有这些问题都不容易回答，它们构成了研究网络处理器设计的基础问题。 1.2 入口和出口处理 为了降低设计的复杂性，将一个复杂问题分解成几个小的子问题一一加以解决这种分而治之（divide-and-conquer）的方法在很多领域都受到欢迎，NP设计也不例外。最常用的一种方式是将分组处理任务分成入口和出口处理两部分入口处理关注包的到达过程，出口处理关注包的离开过程。 图1 典型网络系统中入口和出口处理的示意图 图1是典型网络系统中入口和出口处理的示意图典型情况是包通过交换矩阵一次，因此交换矩阵成为入口和出口处理自然的分水岭。入口方面，数据包到达一个输入端口后，首先需要进行差错检测，然后通过协议分解或分类来确定系统需要对包实施何种操作。系统有时候需要维护一些状态信息，例如历史流量的记录、数据片段的收集重组等。入口处理还需要包含对排队、调度、转发的支持。为了使包通过交换矩阵，有时需要将数据包分成固定大小的数据块传送。最后，入口处理还包括包头的修改、传输层的一些处理等。出口方面，从交换矩阵获得包，有时需要对数据片断进行收集。出口处理包括：确定输出端口根据输出端口信息对数据包进行分段进行流量整形及相关的排队调度操作进行包头修改、差错检测进行加密等输出安全处理。 网络处理器与网络系统 2.1 并行和分布式结构 集中式设计让一个网络处理器快速数据通路上完成所有分组处理任务，将系统收到的每一个包转发到输出端口上与传统的处理器一样可扩展性较差即使这个NP中包含针对协议处理的优化硬件设计，NP本身的时钟率将成为限制吞吐量的关键因素。为了避免性能瓶颈，可以采用三种通用的技术提高可扩展性。首先，一个典型的NP可以包含各种硬件单元，对每个硬件单元进行专门设计来完