（信号与信息处理专业论文）基于intel+ixp2400的forces路由器fe间通信方法的研究与实现.pdf

滤江工商大学顼士学位论文 “ 9 0 8 7 0 4v 基于i n t e li x p 2 4 0 0 的f o r c e s 路由器f e 间 通信方法的研究与实现 摘要 国际互联阏工程任务组( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ，i e t f ) 路由领域 的f o r c e s ( f o r w a r d i n ga n dc o n t r o le l e m e n ts e p a r a t i o n ) i 作缝是专门研究开放可 编程路由器体系结构和协议的磅究组织。它提出转发件( f o r w a r d i n ge l e m e n t ，f e l 与控制件( c o n t r o le l e m e n t ，c e ) 分离的开放可编程路由器体系结构，以满足下一 代网络发展所提出的开放性、可扩展性和可编程性豹要求。它主张采用新兴的、 可编程的潮络处理器束实现f e ，使路由器兼蹶硬件的性能与软件的灵活性。本 文所在的课题缀参与了f o r c e sl ：作组的相关研究，在f o r c e s 协议的制定与标 准化过程中做了大量工作。 本文基于国家8 6 3 计划项目“支持多服务交换的开放可编程路由器管理挤 议g r m p ”，主要研究f o r c e s 路由器f e 闻的透信方法，以解决非本地f e 转发 的数据包在f e 问传输的闯题。首先，在对f o r c e s 工作组以及n p f 沦坛f n e t w o r k p r o c e s s i n gf o r u m ) 关于f e 阔通信机制的研究进行比较的綦础上，提出了一种独 立于f e 阀物瑷连接特性的f e 问数搌包传输方法，以解决f o r c e s 路由器内f e 闻的通信问题。该方法允许系统设计师定制f e 闻所传数据包的附加头部内容， 从丽方便地实现使用不同厂商的产品开发的f e 之间的通信。其次，本文在基于 i n t e li x p 2 4 0 0 网络处理器的f o r c e sf e 中设计并实现了两个关键模块，分别为 m d - e n c a pl f b ( m e t a d a t a e n c a p s u l a t i o nl o g i c a lf u n c t i o nb l o c k ，元数据封装逻辑 功能块) 和m d d e c a pl f b ( m e t a d a t a - d e c a p s u l a t i o nl o g i c a lf u n c t i o nb l o c k ，元数 攘解封装逻辑功能块) ，用于实现f e 问通信消惠的封装与解封装。此外，本文还 为这两个模块设嚣了相应的l f b 属性，以支持c e 的远程动态控制( 包括l f b 的添加和删除) ，充分满足f o r c e s 提出的功能需求。最后，通过数据包在f o r c e s 路由器多个f e 闯传输的测试，验证了该方案豹正确性和可行性。 本文的工作为f o r c e s 工作组在f e 闽通信机制方麟的研究提供了经验，也 濒江工商大学硕士学位论文 为f e 闻通信协议的标准化奠定了基础。 关键词：f o r c e s ，f e ，i x p 2 4 0 0 ，l f b ，元数据，网络处理器 i l 濒涯工商大学硕士学位论文 r e s e a r c l 薹a n di m p l e m e n t a t 王o no f 薹n t e r f e c o a 僵m u n i c a t i o nm e t h o dl nt h ef o r c e s r o u t e rb a s e do nl n t e li x p 2 4 0 0 a b s t r a c t f o r c e s ( f o r w a r d i n ga n dc o n t r o le l e m e n ts e p a r a t i o n ) i saw o r k i n gg r o u pi n i e t f ( i n t e r a c te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) r o u t i n ga r e a ，s p e c i a l i z e di nt h er e s e a r c ho f t h e a r c h i t e c t u r ea n dp r o t o c o l so fo p e np r o g r a m m a b l er o u t e r s t om a k et h en e x t g e n e r a t i o nn e t w o r k so p e n ，s c a l a b l ea n dp r o g r a m m a b l e ，f o r c e sh a sp r o p o s e da no p e n p r o g r a m m a b l er o u t e ra r c h i t e c t u r ew i t ht h ep h y s i c a ls e p a r a t i o no ft h ef o r w a r d i n g e l e m e n t ( f e ) a n dt h e c o n t r o le l e m e n t ( c 劲f o r c e sa d v o c a t e sn e wa n d p r o g r a m m a b l en e t w o r kp r o c e s s o r st oi m p l e m e n tf e s t os a r i s f yb o t hp e r f o r m a n c ea n d f l e x i b i l i t yr e q u i r e m e n t so nr o u t e r s 。t h er e s e a r c ht e a mw en o w w o r ko ne n g a g e di nt h e i m p l e m e n t a t i o na n ds t a n d a r d i z a t i o no f t h ef o r c e sp r o t o c o l 。 t h i st h e s i si sb a s e do nn a t i o n a l8 6 3h i g h - t e c hf u n dr e s e a r c ho no p e n p r o g r a m m a b l er o u t e rp r o t o c o l ( g r m p ) t h a ts u p p o r t s m u l t i s e r v i c es w i t c h i t p r i m a r i l yr e s e a r c h e so nt h em e t h o d so fi n t e r - f ec o m m u n i c a t i o ni na f o r c e sr o u t e rt o s o l v et h et r a n s m i s s i o np r o b l e mo f p a c k e t sf o r w a r d e db yn o n l o c a lf e s f i r s t l y , o nt h e b a s i so fc o m p a r i s o no fr e s e a r c h e so ni n t e r - f ec o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s mi nf o r c e s w o r k i n gg r o u pa n dn p f ( n e t w o r kp r o c e s s i n gf o r u m ) ，w ep r o p o s ea ni n t e r - f ep a c k e t t r a n s m i s s i o nm e t h o di n d e p e n d e n to ft h ep h y s i c a li n t e r c o n n e c tt e c h n o l o g y i ta l l o w s s y s t e md e s i g n e r st o c u s t o m i z et h ei n f o r m a t i o nt r a n s m i t t e dw i t hp a c k e t sb e t w e e n m u l t i p l ef e sc o m i n gf r o mv a r i o u sv e n d o r s s e c o n d l y , t h i st h e s i si m p l e m e n t st w o i m p o r t a n tb l o c k si nt h ef o r c e sf eb a s e do ni x p 2 4 0 0 n e t w o r kp r o c e s s o nt h e ya r e m d e n c a pl f b ( m e t a d a t a - e n c a p s u l a t i o nl o g i c a lf u n c t i o nb l o c k ) a n dm d d e c a p l f b ( m e t a d a t a d e c a p s u l a t i o nl o g i c a lf u n c t i o nb l o c k ) ，w h o s ep u r p o s e i st o 浙江工商大学硕士学位论文 e n c a p s u l a t eo rd e e a p s u l a t em e s s a g e sc o m m u n i c a t e db e t w e e nm u l t i p l ef e s b e s i d e s ， t h et w ol f b sh a v es e p a r a t el f ba t t r i b u t e st os u p p o r tc e sr e m o t ec o n t r o lo ft h e m ( i n c l u d i n ga d d i t i o na n dd e l e t i o n ) f i n a l l y , t h em e t h o dw ep r o p o s e di sp r o v e dt ob e c o r r e c ta n df e a s i b l ew i t hat e s to np a c k e t st r a n s h l i t t e db e t w e e nm u l t i p l ef e si na f o r c e sr o t i t e l t h em a i nw o r k so ft h i st h e s i sh a v e p r o v i d e de x p e r i e n c eo fi n t e r - f e c o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s mt ot h ef o r c e sw o r k i n gg r o u p a l s o ，t h e ym a k eag r e a t c o n t r i b u t i o nt ot h es t a n d a r d i z a t i o np r o c e s so f t h ef o r c e si n t e r - f e p r o t o c 0 1 k e y w o r d s ：f o r c e s ，f e ，i x p 2 4 0 0 ，l f b ，m e t a d a t a ，n e t w o r kp r o c e s s o r i v 浙选工商大学硕士学位论文 第一章绪论 第一节课题背景 开放可编程潮络作为下一代网络洲e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ，n g n ) 的一种有 效解决方案，满足了未来网络发展提出的开放憷、可扩展性和可编程性的要求。 i e t ff o r c e s ( f o r w a r d i n ga n dc o n t r o le l e m e n ts e p a r a t i o n ，转发件和擦制件分离) 工作组是专门研究开放可编程路寤器体系结构的研究组织，它提出将路由器的转 发件与控制件在物理上分离，并通过其制定的标准协议接口进行通信。它主张采 用新兴的、可编程的刚络处理器来实现f e ，使路由器兼顾硬 牛的性能与软件的 灵活性。 一、开放霹编程网络 目翦，下一代网络已经成为人们研究的热点。它是一个建立在i p 技术基础 上的新型公共电信网络，能够容纳各种形式的信息，在统一的管理平台下实现音 频、视频、数据信号的传输和管理，提供各种宽带应用和传统电信业务，是一个 真正实现宽带窄带一体化、有线无线一体化、有源无源一体化、传簸接入一体他 的综合业务网络。与现有网络相比，n g n 具有更高速率，支持更多的照务，并 能够以更综合的方式支持多种韭务和多种服务及更好的q o s 功能，而且萁运季亍、 维护和管理也更简苹、更经济。 n g n 豹出现极大地改善了网络的灵活性，为新服务与新技术的迅速推广提 供了较好的支持。作为n g n 的一种有效解决方案，开放可编程( o p e n p r o g r a r n m a b l e ) 网络可以通过标准接口，远程控制网络节点并对其进行编程，从 两逶过动态控制分布的网络节点，来迎合用户不断变化的需求，所以该领域的相 关研究，巍逐渐成为人们关注的焦点【1 1 。 开放可编程翔终驰目标是简化网络重组的过程，形成一个能够支持服务增值 和智能化的动态网络。其基本观点认为，网络通信节点维件( 查秘交换桃、路由器) 的瓷源应是开放的，荠巍可以通过标准化接口进行编程控制的，豳此通过主控器 编程配置的网络将是活的、智能化可重组的网络。开放可编程网络有以下优点： 浙江工商大学硕士学位论文 ( 1 ) 允许网络功能的狭速配嚣和重组，实现智能化豹动态网络，可大大加 快和方便网络升级及服务层新业务的壤开，并降低运营成本和风险； ( 2 ) 允诲网络资源的综合、灵活利用，可为解决q o s 问题提供灵活的资源 管理环境； ( 3 ) 可使网络组件的控制器和饲服器产品分离，有辎予排除垄断、增强良 性竞争，而且专一化也可使产品进步加抉，这在p c 业的发展中已得到验证； ( 4 ) 网络设备设计变得快速、箍单，积木式的开发加快了产品开发周麓； ( 5 ) 有利于构建多网合一( 如i p v 4 、i p v 6 、a t m 、m p l s 、f r 、p s t n 等 合一) 和多服务业务合一的多服务网络( m u l t i s e r v i c en e t w o r k s ) ，如多服务交换 机。 开放可编程网络研究的核心就是标准化的体系结构积标准化的管理( 接v 1 ) 协议，目翦在这两方面的研究已经取得了长足的进展，并提出了几种高效的体系 结构和相应的控铡协 义：i e e ep 1 5 2 0 参考模型与编程接口标准【2 l 、通用交换枫管 理协议g s m p 的体系结掏和协议、m s f ( m u l t i s e r v i c es w i t c h i n gf o r u m ) 鲍体系结 构与编程协议【3 l 、n p f ( n e t w o r kp r o c e s s i n gf o r u m ) 的体系结构【4 1 以及f o r c e s 的体 系结构和协议【5 1 。其中，我们蹰关注的是i e t f f o r c e s 工作组提出的褶关体系结 构和协议。 二、f o r c e s 技术 f o r c e s 是i e t f 路由领域( r o u t i n ga r e a ) 的一个工作组，专门研究开放可编 程的路由器体系结构和协议闯题，是当前开放可编程网络研究最受关注的研究维 织之一。它的基本恩想怒把路出嚣分成转发件( f o r w a r d i n ge l e m e n t s ，f e ) 和控 制件( c o n t r o le l e m e n t s ，c e ) ，并认为英雄出多个( 可达几百个) f e 、c e 以及 连接他们的f o r c e s 协议 6 1 构成。 将转发件与控制件分离需要定义一个结构纯的框架以及相关的协议，健一个 f o r c e s 网络单元( n e t w o r ke l e m e n t ，n e ) 内部的擦创平面( c o n t r o lp l a n e ) 和转发 平磺( f o r w a r d i n gp l a n e ) 之闻的信息交换标准亿，从而使c e 与f e 成为在物理 上分离的标准组件。这种在物理上分离网络设备的组件，并使用统一的标准和规 范来指导产品的开发与运蓉的做法，充分发挥了开放网络的优势，使得各个组件 2 浙江工蘸大学硕士学位论文 按照相应的功能划分，各自独立发鼹，互不干涉，在一定程度上加速了这些缀件 的开发与发展。另一方露，蒸予各组件润相应的标准协议接口，又能迅速地把这 些组件有搴凡她组合成为一个整体，实现与普通组件组成的系统完全相同或更多的 功能。值得注意的是，f o r c e s 现在与n p f 避行了多方面的合作交流，n p f 已有 意将f o r c e s 协议作为n p f 中用于网络处理器控制的标准。 迄今为止，i e t ff o r c e s 工作组已经完成了f o r c e s 需求( f o r c e s r e q u i r e m e n t s ，r f c 3 6 5 4 ) 1 7 和f o r c e s 框絮( f o r c e sf r a m e w o r k ，r f c 3 7 4 6 11 8 ， 当前的工作熏点是f o r c e s 协议和f o r c e sf e 模型既自从i e t ff o r c e s 工作组 成立以来，本课题研究组的部分成员和其他来自i n t e l ，n o k i a ，i b m 和z n y x 等 公司的代表一起通过邮件和参加i e t f 国际会议等形式相互交流和讨论，并作为 主要 乍者参与了f o r c e s 协议规范( f o r c e sp r o t o c o ls p e c i f i c a t i o n ) 的设计与编写工 作。 兰、网络处理器 ( 一) 网络处理嚣的声生 如今的通信网络瓶颈已不再是带宽，因为光纤技术的广泛应用使之得到了极 大扩展。目前，o c 1 9 2 ( 1 0 g b p s ) 的链路开始被广泛使用，而且不久以后，o c 7 6 8 ( 4 0 g b p s ) 的链路也将投入巍闻。相对丽言，网络节点的处理速度并没有得到 显著改善。随羞人们对网络需求的不断增加，诲多新的网络协议和服务，以及复 杂的q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e s ) 控制诸如d i f f s e r v ( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ) ，r e d ( r a n d o me a r l yd e t e c t i o n ) ”l 】等郝需要网络提供更强的处理能力，以处理那些高度 智能化豹应用，所以豳前遥信翔络的瓶颈已经转移到网络节点上。 路由器佟为网络节点的主要设备，其体系结掏设计的革薪与网络的发展历程 恳息相关。网络链路速度的不断提高使得人们对于路由器的性能( 主要是对数据 包的处理速度) 有了更高的要求，而新服务和新协议的不断涌现又对路由器提出 了灵活性和可编程性豹要求。显然，下一代网络所希望提供的服务，赢接影响蔫 可编程路国器豹结构设计与开发平台的选择。同样地，开放的、霹扩展的、可编 程的路由器的发展程度，也直接决定了下一代网络能够提供怎样的服务。所以， 两者之间的关系是相互影响、糟互联系的”。 浙江工商大学硕士学位论文 s p e e do f i n t e r n e t 嚣a c k b o n e c o n # e c 蛀o n g - r o p o 妤0l 始52 0 i 霸e 6 2 5 0 0 l 坤s 1 2 5 0 0 凇s 2 0 制4 p s c p u s p e e d o l w s ) 5 0 。h 静s l m 圈i - i带宽与摩尔定律的比较”“ 过去，在路由器中主要采翔专用集成电路( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e d c i r c u i t ，a s i c ) ，现场可编程门阵列( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ，f p g a ) 或 通用处理器( g e n e r a lp u r p o s ep r o c e s s o r ，g p p ) 对数据包进行处理。尽管用g p p 来处理分组转发可以提供高度的灵活性，但其性能较差，因为它们本身并不是为 数据包的转发砸专门设计的。虽然g p p 的计算能力依然遵循着m o o r e 定律增长， 但其处理速度与链路的传输速度之闻仍然存在着差距( 图1 1 ) 。以前，人们逶：l 妻 使用a s i c 来弥补这种差距，因为它们爨有足够的计算能力，能够以线速处理网 络数据。然而，它们的设计周期逶常需要1 8 个月( 或更多) ，所以需要很长的时 闽才能适应新的网络处联要求，缺乏足够的灵活性。最届，f p g a 虽然可以对“f l ” 进行重薪编程，在一定程度上结合了a s i c 与g p p 的优势，但要达到高度的可 编程性，仍然受弱很大豹限制。为了解决这个难题，一种坡稔为网络处理器 ( n e t w o r kp r o c e s s o r ，n p ) 豹可编程微处理器被引入到路由器豹数据遥道的设计中 ，【1 5 3 ，以满足各种网络处理的需求。它结合硬件与软佟的优点，在处理性 能与可编程性之问达到了较好的平衡。 4 溉溪工商大学硕士学位论文 s t o r 8s t a g e l p r o c e s s i n gs t a g e i | f o r w a r ds t a g e ； m e s s a g eq u e u e s a p p l i c a t i o n s 黼嚣n t 一-际网一 l 鋈盛。l l j n l 一i 溅斗 7 1 1 m l m w o 叫一 键。u o ： 掺髓 # 一 f d 绝r 芝蠢：j 1 ：卜一- i 卜 h a n d l e r 蠢 m a l l a 苣e r m e s s a g e - d n v e n c p us c h e d u l i n g 图1 - 2 “存储坡b 理转发”模式路由器中数据包f l 勺处理流程”q 网络处理器的引入将翡由器从传统的“存储一转发”模式扩展成“存储_ 炱理 转发”模式( 图1 2 ) ，这为许多功能复杂的网络应用的实现提供了可熊。如图 历示，在一个“存储处理转发”模式的路由器中，存铸和转发阶段只是简单地 把消息或数据包写入缓冲区或从缓冲区中读取，丽处理阶段则需要根据一些匹配 规则调用某些专门的处理句柄对消息或数据包进行处理。 ( 二) 网络处理嚣的定义与功麓定位 网终处理器是一种专用的、可编程的硬 牛设备，它既有r i s c ( r e d u c e d i n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r s ，精简指令集计算机) 的廉价和灵活嬖e 的特点，又具有 a s i c 在处璎速度和可扩展性方丽的优势，被认为是构建下一代喇络的核一心组件。 图1 - 3 网络处理器纂本结构【1 8 1 图l 一3 简要描述了瓣终处理器的硬件结构。从圈中可以看出，网络处理器主 要包括两个功能模块，即网络处理单元和智能挤处理帮元。其中，智能协处理单 元是网络处理器的核心，它一般需要嵌入式操作系统的支持，用于对网络处理单 元和其它硬件单元进行控制。它递过运行操作系统上的路由协议软件包，完成路 浙江工商大学硕士学位论文 由信息的接收、处理和发送，生成并维护路由表等。 网络处理器的高速处理能力主要是通过在一个芯片内集成多个微处理器以 及在一个微处理器内包含多个硬件线程来实现的，当然也采用了其它些硬件加 速技术；丽潮络处理器的灵活性则主要楚通过智能协处理单元与网络处理单元的 完全可编程熊力实现的。 传统的网络设备只负责执行一些筠荦的数据包处理功能( 例如传统路由器只 执行箍单的数据包转发，或基予二层或三层地址执行一些箍单的过滤算法等) 。 然丽现在的网络设备的处理功能已经发生了很大的改变，需要对数据包进行更高 层次和更复杂功能的处理 1 9 】。在图1 4 清晰地猫述了网络中各层需要网络处理器 进行处理的服务和应用。 圈1 - 4 备屡对润络处理器处理功能的需求1 2 0 】 可见，网络处理器在未来网络服务的开发与设计中具有广泛的应用前景。当 然，网络处理器并不是万能豹，更不会完全取代r i s c 和a s i c 在某些网络设备 开发中的地位。但它的确已经成为了大多数网络设备开发的首选，并且这一趋势 将越来越明照。 ( 兰) 弼络处理器的特点 网络处联器有几个关键的技术特点，形成了它与其它开发设备竞争的主要优 势： ( 1 ) 可编程性。网络处理器的低成本主要来自于它的灵活性，也就是能够快 速改变并适应各种应用技术，缩短产品的开发周期，弗提供可重用性。两它的这 6 浙江工商大学硕士学位论文 种灵活性正是由可编程性来实现的。与a s i c 不同，用网络处理器来实现豹系统， 通过软件的舞级就能够迅速地进行系统的升级，算显通常不需要更换硬件。 ( 2 ) 高速的数搌处理能力。网络处理器有为网络处理任务专门优化设计的专 用指令集，受面有许多用于执行数据包处理功能的附加指令，可以馊用最少的时 钟周期完成特定的处理任务。除此之外，网络处理器还采用一些经过优化的硬件 处理技术来实现高速的数据处理能力，这些技术主要有： 优化的内存管理机铡和d m a ( d i r e c tm e m o r ya c c e s s ，煮接存储器访阀) 单元。由于内存访闯豹时延经常是系统性能的主要瓶颈，网终处理器为了解决这 个问题，引入了经过优化的内存管理机制和一些d m a 单元，以提高存镶器的访 问效率。 硬件多线程。为进一步提高系统的性能，网络处理器常采用硬件多线程 技术。如果有多个线程处在就绪状态，一旦当前线程阻塞，处理器马上就可以切 换刭另一个线程。这样，只要至少有一个线程是就绪的，处理器就不会阻寨。这 些线程往往拥有自己独立的硬件资源，比如寄存器，程序计数器等，这样在这些 线程之间进行切换的开销就可以降到最低，甚至忽略不计。所以，通过多线程技 术可以在不增加处理器速度的情况下，使系统获得更大的吞吐量和更快的处理速 度。 另外，采用这种机制可以实现网络处理器特有的延时隐藏( 1 a t e n c yh i d i n g ) 技 术，也就是通过切换各线程的运行状态( 活跃的或非活跃的) ，调整那些并行执 行的处理任务的时序，合理地稠用处理器访闷存储器时等待的空闲时间，从而在 宏观上达列有效地豫藏这段时延的效果，提赢了系统的处理速度。 专用协处理器( c o p r o c e s s o r ) 。在网终处理中奄许多共有豹处理任务，它 们实现的功能是比较固定的，因此可以卣硬件来实现，以获愿更好的性能。现在 有许多网络处理器都采用这些专用的硬件协处理嚣( 2 l 】，来执行这些共鸯的处理 任务，比如校验和及c r c 计算，表态找以及包分类，加密处理等。 ( 3 ) 可扩展性。可扩展性是未来网络对于网络设备提出驰最基本要求，所以， 作为网络设备的开发平台，潮络处理器必须具备较好的可扩展性。 就阚络处理器本身丽言，它具有赢度的可扩媵性。我们可以通过使用多 线程技术来提高处理器速度，从而对它进彳亍扩展。也可以增加处理器的数目和类 浙江工商大学硕士学位论文 型对它进行扩展，还可以通过增加存储器的种类、容量、访问带宽等对它进行扩 展。 就网络处理器实现瓣功能丽言，它瓤可以实现箍单的小型系统，也可以 通过交换设备( 比如交换扳) 的连接，扩展成大型的系统。 值得注意的是，网络处理器豹软件可扩展性并不是最好的。由于许多网 络处理器需要程序员用低级语言( 如汇编语言) 来写代码，并且往往宜接涉及到 与底层硬件直接相关的知识，所以对软件送行改动或将软件移植到更大规模的系 统中，都必须非常谨慎。 ( 4 ) 高度并行性。由于网络流最的大多数数据包之闻并没有相互依赖往，因 此可以被独立地处理，丽不需要考虑它们之阈的大量通信或同步问题。翻l 一5 清 晰地描述了网络处理中可利用的并行性。 幢 二二j 圈砸匿二= ； 盟圜固一一一 圈1 - 5网络处理中豹劳行蚀 1 5 】 针对网络处理的并行憔特点，网络处理器在对数据包的处理中，一般主要采 用以下三个层次的并行处理技术： 数据包级并j t ( p a c k e tl e v e lp a r a l l e l i s m ， l p ) 。网络应用的基本处理单元 是数据包。在许多协议中，就算闻一条数据流的数掘包之问也是相互独立的。它 们的处理任务较为类似，所以可以对多个数据包进行并行处理( 在某些情7 兄下， 要确保处理后的数据包顺序与其原始颓序相间) 。这种技术的使用是最为广泛的， 即将多个简单的r i s c 处理引擎( p r o c e s s i n ge n g i n e ，p e ) 集成到一个芯片上，并通 过集成软l 牛开发环境完成对多个p e 的编程，然后各个p e 对数据包进行并行处 理 2 3 1 。 数据包内并行( i n t r ap a c k e tp a r a l l e l i s m ，i p p ) 。在对间一个数据包的处理 过程中，有些处理任务也是相互独立的。如采对这些任务进行有效的并行处理， 浙江工商大学硕士学位论文 并增加一臻专用豹硬件协处理器和处理指令，可以更加有效地提高i p p 的并行效 粟。 身令级并行( i n s t r u c t i o nl e v e lp a r a l l e l i s m ，1 l p ) 。这种技术并没有被大量 使用，因为它可能需要通过特殊的硬伟结构来实现处理器指令问的并行性。而量 研究表明，这种技术所实现的效果并不明嶷。 ( 5 ) 智能处理( i n t e l l i g e n tp r o c e s s i n g ) 。对于不同的服务要求，需要对到达的 数据包进行不同深度的处理。例如，分帧组帧只需进行二层处理( 以太网帧头) ， 路由奁找需要进行三层处理( i p 包头) ，分类则需要遴手亍四层处理( t c p 舢d p 协 议) 。 ( 四) 浆型的网络处理器产品 由予网络处理嚣能够提供更多的灵活性和更短的开发对间，这g | 起了人们的 极大兴趣。今天的商用网络处理嚣主要是为已有协议的包头处联丽优化设计的。 然蔼，由于它们含有通用处理弓l 擎，因此也可以执行更烟复杂的应用。以下籁要 地给出第一代弼络处理器的典型产品及其部分基本特征： i b mp o w e r n pf i b m 0 0 ：8 个处理纂元( 每个处理单元有2 个处理器) ， 一个p o w e r p c 控制处理器，时钟速率为1 3 3 m h z ，d r a m 带宽为1 6 g b s ， 链路速度为8 g b s ，每个处理器有2 个线程。 i n t e li x p l 2 0 0 i n t 0 0 ：6 个处理引擎，一个s t r o n g a r m 控制处理器，时 钟速率为2 0 0 m h z ，d r a m 带宽为o 8 g b s ，链路速度为2 6 g b s ，每个 处理器有4 个线程。 l e x r a n e t v o r t e x l e x 0 0 ：1 6 个处理单元，时钟速率为4 5 0 m h z ，每个处 理器有4 个线程。 l u c e n tf a s tp a t t e r np r o c e s s o rf l u c 0 0 1 ：3 个v l i w 处理单元，一个控制处 理器，时钟速率为1 3 3 m h z ，d r a m 带宽为1 1 g b s ，链路速度为5 g b s ， 每个处理器有6 4 个线程。 m m cn p 3 4 0 0 【m m c 0 0 ：2 个处理单元，时钟速率为2 2 0 m h z ，d r a m 带宽为o 5 g b s 。聚合露畦鳖为5 g b s ，每个处理器有8 个线程。 m o t o r o l ac 一5 【c p 9 9 ：1 6 个处理单元( 被分配成4 维) ，一个控制处理 器，时钟速率为2 0 0 m h z ，d r a m 带宽为1 6 g b s ，链路速度为5 g b s ， 每个处理器有4 个线程。 9 濒江工商大学_ i | ； 士学位论文 t s q w a r et s 7 0 4 t s 9 9 ：4 个处理单元，时钟速搴为9 0 m h z ，d r a m 带 宽为0 3 g b s 。 v i t e s s e p r i s m i q 2 0 0 0 【s i t 0 0 ：4 个处理单元，时钟速率为2 0 0 m h z ，d r a m 带宽为1 6 g b s ，聚合吞畦量为6 4 g b s ，每个处理器有5 个线程。 第三节国内外研究现状 一、f o r c e s 路由器及f e 问通信方法的磷究 ( 一) f o r c e s 路由嚣 在f o r c e s 体系结构中识含了多个逻辑缎件，图1 - 6 对其稆互关系进行了说 明。对一个f o r ( 3 e s 网络举元( n e ) 丽言，在其内部有鼹种类型的组件：控铷件 ( c e ) 和转发仔( f e ) 。在一个n e 中可以有多个c e 和f e 。每一个f e 都有一个或 多个物理媒体接口用子接收或发送外部数据包，这些f e 接口的集合就成了n e 的外郝接日。在f o r c e sn e 的外部有两个实体：c e 管理器( c em a n a g e r ) 和 f e 管理器( f em a n a g e r ) 。在n e 的初始亿除段， f em a n a g e r 通知它矫控制的 f e ，它由哪个c e 控铡，这个过程n q 做c ed i s c o v e r y ；同样地，c em a n a g e r 通 知它所擦制的c e ，它可以控刮哪些f e ，这个过程b q 做f ed i s c o v e r y 。在n e 初 始化完毕看，c em a n a g e r 和f em a n a g e r 不荐辩c e 和f e 逆行控制，两完全交 由f o r c e s 协议来维持c e 和f e 之澜的通信。 图1 - 6f o r c e s 体系结构图 在f o r c e s 体系结构中，一个f o r c e s 路由器就是一个n e 。国内外关于这种 路由器体系结构的实现，虽然也有相关研究2 钔，但可参考的例子并不多。f o r c e s 的协议消息就是定义在参考点f p 上，用于规范c e 与f e 之间进行通信的接口 o 濒旺工商大学硕士学位论文 括准，这也是目前f o r c e s 工作组的研究重点。除此之外，关于f e 之问驰通信 闯题则剐刚开始硪究，丽c e 间的通信润题还没有涉及。 ( 二) f e 阔通信方法的研究 由于数据包在进入个f o r c e sn e 以后，可能要经过几个f e 才被转发出去， 也就是说数据包的出口( e g r e s s ) f e 不一定楚数据包的入e l ( i n g r e s s ) f e ，因此必须 确保数据包戆够从入渊f e 被正确转发到出口f e 。这种数据包的内部转发，将牵 涉到许多问题，其根本问题在于n e 内部f e 间的遂信问题。目前，f o r c e s 工作 组关予f e 问通信阀题的研究，主要基于不久前在加拿大召开的第6 4 届i e t f 大 会上，向i e t ff o r c e s 工作组提交的两个拚议草案。它们分别关注在一个f o r c e s n e 内部的f e 阆数据包传输的路由机制【2 5 】以及f e 拓扑结构的发现和维护【2 6 】等 问题。 1 、f o r c e sn e 内部f e 问路由枫制 f o r c e s n e 内部f e 问路由机制这个秘议草案是出华为技术有限公司的工程 师提出的。蔟所关注的主要问题是当c e 与f e 建立连接后，在一个f o r c e sn e 内部，数据包在f e 闽传输所需的路由枫制。该方案由c e 和f e 共同实现，c e 利用已知的n e 内部的f e 拓扑结构信息，计算并维护f e 闻数掘包传输的内部 路由表，然后将相应信息发绘f e ( 每个f e 只需获得与自己转发内部数据包相关 的路由信息即n - i ) 。f e 获得这些信怠以后，就可以用它来完成n e 内部数攥包的 转发了。 2 、f o r c e sn e 内部f e 掘扑结构发现与维护 f o r c e sn e 内部f e 蕹扑结构发现与维护这个协议草案是幽l u c e n t ，i n t e l ， z n y ) 【和m e g i s t o 等匿际知名大公司的代表提出的。萁所关注的主要闷题是当c e 与f e 建立连接后，在一个f o r c e sn e 内部，f e 搀扑结构的发现与维护等闯题。 它的主要思想是每个f e 仅维护自己与相邻f e 的拓扑结构信息，并将拓拎结构 的变动情况及时通知c e ( 或出c e 通过询闯的方式获得) 。c e 根据各个f e 提供 的局部拓扑信息，构建出整个n e 内部的全局拓扑结构，然后再把相应信息传递 给f e 。f e 可以利用这些信息动态地生成n e 内郝的路出表以及其它优化设计所 需的信息。 浙江工商大学硕士学位论文 二、n p f 论坛的n p e 闰消息传递机制 ( - - ) n p f 论坛 2 0 0 1 年2 月，由i n t e l 等公司发起的网络处理论坛( n p f ) 成立，其宗旨就是 保证不同n p 设计帮制造囊设计生产的n p 之闯能够实现交互操作，推进n p 的 发展和最大限度逾保护用户的稠蕊。该组织的主要任务之一就楚制定一个露向 下代潮络应用的n p 通用开放式标准，以便开发商能在此基碗二方便快捷地开 发氐特定的网络应用。通过制定n p 的数据通遂标准、处理功能块标准、处理嚣 控制榕准和应用层标准，一个应用示铡将可能被麓忧成积木式的开发过程。 强前该组织主要由4 个工作组组成，分别是硬件工作缝、软件工作组、测 试基准工作组和市场工作组。其中硬件工作组的主要任务是制定些在 n p e ( n e t w o r kp r o c e s s i n ge l e m e n t ，网络处理单元) 中使用的物理和逻辑接口 i a ( i m p l e m e n t a t i o na g r e e m e n t ，实现约定) 。这里所说的n p e 可以是嘲络处理器， 协处理器( c o p r o c e s s o r ) 或流量管理器( t r a f f i cm a n a g e r ) 。软件工作维的主要任务是 定义和推动不同n p 和应用开发楣互整合的软件接口。 ( 二) n p f 嚣孥怠层实现约定 n p f 消息层实现约定( n p f m e s s a g e l a y e r i m p l e m 翩t a t i o n a 蓼e 锄e n t ) 是由 n p f 论坛的硬件工作组定义的。它旨在使不同厂商生产的n p e 产品之间能够进 行交互操作，两不受下层具体的传输媒质( 比盘层流式接1 2 1 f 2 8 1 ，l a 接口【2 9 】或交 换扳等) 的影晌。n p e 之闻的消息传递是在其定义的消息层( m e s s a g el a y e r ) 上 实现的，它位于应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ) 和健输媒质层( c o n v e y a n c el a y e r ) 之间。 如图l 一7 所示，当n p e l 有瀵息传递给n p e 2 时，消息数据就从应用层传至 消息屡，经过特定格式的封装后，孬传给传输媒质层。这翌所说的消息层的数 据越装，主要就是在消息数据( p a y l o a d ) 豹前巍和厝西分别加上消息头( h e a d e r ) 和 消息尾( t r a i l e r ) ，对所传数据的含义( 比如配霞，状态，流标识等) 进行定义， 使同一个系统中的n p e 能够相互配合完戒数据包的处理。这样，当n p e 2 在接 收到消息数据后，会把从下层传上柬的消息数据在消息蔟进行解封装，然后再 把消息数据传给应用层，出其进行相应的操作。这种消息传递机制对一个n e 的数据平西和控制平丽都是适用