（计算机系统结构专业论文）网络处理器在全息存储数据通道中的应用研究.pdf

孥孛科技失誉硬士喾毽论文 摘要 诗爨飙外存潞霄勰个大传统媒体：磁存储剃嫩窬谤。磁券徽戆最早豹介嫩，包括 磁带和磁盘拣黪式，不论攥大型壤。淄热，l 、型槛或卷撼察鬣系统帮大量应瘸饕。二专世 整乞莘翁撩鬟雾攥譬惫趣c d ，夔瑟惑鬻震予一麓熬蠢眷蘸熬c d r 、d v d r 、d v d p j w 簿，也禳接沭和市场上槭为成功。然黼，这些存储体都怒二雅襻储方式，巍荦能面积 。匙有存锉数缀薰鹚黄输攀鹣麴理搬黻。撩了扩大襻德容爨，嚣始测餍全惑技术寒构建 三缝鏊蘩璞套赣渗。蠹予搭垒惠麓蓥予添罄赘三簸餐薅嘉装，霹弑逡鬟凝鬻黎熬终搴， 搴全惑零糖浆稳簧求裁蕊热麓零数瓣终辍装瑶邃躜，毒爨要辩髂众惠毒麓怒激擦接弱 翻外部数撼通道饿全新的设计，突破数掇传输的糕鞭，使体垒感襻储充分发挥潜能。 透过努楱冀羧当最簸灏趣簿缌枣蘸装寒，蠢撼簿垒爨枣餐谈诗藏浚t c p 筠i p 餮溪 粥萋穑鼬襻存籍。臻襻糖稚够靛俗套惑襻褚幕绕灏备爨灵滔瀚设计愚慧和躐广箍韵 浅糟懿蓉。阏辩为了究势擞挥存髓蓉缓瓣性戆，撩嗣袋掰舞瓣终赴溪器终受数攥遁道 越势整数爨撩嚣。毒予l a t e l 霪绻鲶毽黎i x p l 2 0 0 熟骞邀努载弼蠊器蛙，簇逸怒秧蛰 帮数霸运邋潞褥耱萼；擎。 在以i x p l 2 0 0 为梭b 的外部数捌濑嫩的体然蜡构中，可以划分出四个糕静模块。 蒸申霹努帮数攥遘道最爨鼗装懿蹩潜缴p i z o o 熬鏊零魂愁透露羧道戆第二模块。遴蓬 怒簸选嚣，个囊速转袋褪露捱綮装邈梅麓最嚣菠零。蘩隽鬏黼太鐾篓穗蕊麓蒋戆或 撩，总缭出了掇絮程序黥软件体系鳞穗酾详缩数瓣溅程。在藏熬销上，籽穰镦狳收压 趋枣越过糕，剿除数掇遂潍落蓉结构啦礤需要的臻路惠处理横撩，设计并淤燃簸懿 羧蕤筵稳，漶变耱嚣嚣爨绺藩p c i 裟 簸壤镁袭融入懿撬蘩擎寨。菝嚣嶷舔了将霭羹 缒粹网络甑液换应用的娥件体系结构转黢为面向捌锵存储应用的，包含p c ii o 处理 簸体系缭榆黥转炎。关樾技术逶抒破缀瓣软传舔慧雅掬躺中同转澄环节审，键褥p c i 搂块薏缝避每嫒葶 攀蕊袋竣发送缓壤缝惫，蓑壹蕊竣谤赣姿蕊嬲痣黎囊鼗鼗瓣缝溪t 猩既研究赫稍主，钟辩i x p l 2 0 0 韵群滁软件系统游瓣俸设计悫辫耥实现粥蒸攀溅程遣 被给出。 菠蕤遴：静愈惑存藕，秫蕊沽稳，数撼滁邈鬻搭狳理器，i x p l 2 0 e 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e r ea r et w om a i nt y p e so fs t o r a g em e d i a o n ei sm a g n e t i c ，t h eo t h e ri s o p t i c a l m a g n e t i c i st h ee a r l i e s tm e d i af o u n df o re x t e r n a l s t o r a g e i ti n c l u d e df r o mt h ee a r l y m a g n e t i ct a p e st ol a t e rm a g n e t i cd i s k s ，w h i c ha r ew i d e l yu s e di nm a i nf l a m e sa n ds m a l l c o m p u t e rs y s t e m s 。o n t h eo t h e rh a n d 。t h ec o m p a c td i s kr d u r t eo u ti n7 0 sa n dt h u s b e g a n t h e h i s t o r yo fo p t i c a ls t o r a g e t o d a yc d r , d v d r d v d r wa r ed r a w i n gm o r em a dm o r e s p o t l i g h to nt h es t a g e h o w e v e r , t h ec u r r e n ts t o r a g em e d i u mi nu s e e i t h e rm a g n e t i co r o p t i c a l ，l st w o - d i m e n s i o n e d 硅od a t aw a s s t o r e do nt h es u r f a c eo f t h em e d i a 。w h i 馥l i m i t s t h ec a p a c i t ya n dr o w s p e e d s c i e n t i s t sh a v eb e e nw o r k i n go nv o l u m eh o l o g r a p h i cs t o r a g e ， t h ec h a r a c t e r i s t i co fw h i c hi st os t o r ea n dr e t r i e v ed a t ao nt h ei n t e r f e r e n c ep a t t e r n m u l t i p l e p a t t e r n sc a nb ea c c e s s e da tas i n g l es t o r a g ev o l u m es e c t i o n t h er e s u l ti sm u c hh i g h e r c a p a c i t ya n dm u c hh i g h e rd a t as p e e d t h u s ，i tb e c o m e sh i g m yn e c e s s a r yt or e s e a r c ho nt h e h i 醢s p e e d d a t ai n t e r f a c ea n dd a t ac h a n n e lt oa c c o m m o d a t et h en e w s t o r a g em e d i a + a f t e rc o m p a r i s o n ，t h ei p s t o r a g ed e s i g ng o a li s s e tb e c a u s et h ei pb a s e ds t o r a g e s y s t e mh a sv e r yf l e x i b l ed e s i g nc a p a b i l i t ya n dc a nb eo fb r o a d e s tf i e l do fa p p l i c a t i o n t o a c h i e v eh i 酶t r a n s f e rr a t e ，t h el a t e s tn e t w o r kp r o c e s s o rt e c h n o l o g yi su s e dt ob u i l dt h e t r a n s f e re n 西n e t h ei x p1 2 0 0n e t w o r kp r o c e s s o ri sc h o s e nt ob et h ed a t ae n g i n ef o ri t s f l e x i b i l i t yi np r o g r a m m i n g t h e r ea r ef o u rt a s km o d u l e sf o rt h e t a r g e ts y s t e m 。m o s ti m p o r t a n t o f w h i c ht ot h eo u t e r d a t ac h a n n e li st h er e b u i l do ft h eb a s i cf u n c t i o no f 辑( p 1 2 i nt h es y s t e m 。f i r s tam o s t s i m i l a rr e f e r e n c ed e s i g nd e s i g n a t e df o rp a c k e te x c h a n g ei sc h o s e n a n dt h e nt h es o f t w a r e a r c h i t e c t u r ea n dd a t af l o wi sa n a l y z e d 1 1 1 cs o f t w a r ef l a m ei st h e nb r o k e ni no r d e rt os t r i p t h ei pr o u t i n gm o d u l eu n n e c e s s a r yt ot h et a r g e ts y s t e m n e wd a t as t r u e t t t r e sa r ed e s i g n e dt o a c c o m m o d a t et h ep c im o d u l et ot h ea r c h i t e c t u r e t h u s 、t h es o f w a l ea r c h i t e c t u r ea n db a s i c f u n c t i o no ft h ei x p l 2 0 0n e t w o r k p r o c e s s o r i st u r n e df r o m p a c k e te x c h a n g e t od a t ar e q u e s t p r o c e s s i n ga n dt r a n s f e r r i n g n l ek e yt e c h n o l o g yi s f i r s tt od e l i c a t e l yb r e a kt h ei n t e m a l t r a n s f e r r i n gs t e pt om a k e t h ep c ip r o c e s s i n gm o d u l es c a m l e s s l ym e r g ei n t ot h er e c e i v i n g a n d t r a n s m i t t i n gm o d u l e s t h e m o s tc r u c i a lp a r ti st h ed e s i g na n d i n t e g r a t i o n o f t h ei n t e r n a l d a t as t r u c t u r e so ft h ep c im o d u l e b a s e du p o nt h ea b o v ew o r kt h em o r ed e t a i l e dd e s i g n i n g b l u e p r i n ta n di m p l e m e n t a t i o n m e t h o di sg i v e n ，t o o k e y w o r d s ：v o l u m eh o l o g r a p h i cs t o r a g e ，s y s t e m a r c h i t e c t u r e ，d a t ac h a n n e l ， n e t w o r kp r o c e s s o r d ( p1 2 0 0 i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作放取得的 醣究残暴。尽我瘊知，除文中己缀括臻雩| 廷懿逡容步 ，零论文不包含题耱其德令 人或集体已经发表或摸写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作糟签名： 尾叫 i 话觏：i o 窜箨r age 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完众了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 投缳蟹势淘国家畜关帮弱葳撬梅遴交埝文懿笺帮舞蠢逮予数，是诲论文被套阗窝 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论义的全部或部分内容编入肖关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密图，在年解密鼹逶褥本授投书。 本论文属于 不保镦口。 ( 请农默上方框内打“”) 学位论文作一廖叫 西籁：厶4 年j 弼孑嚣 指导 日期日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪言 1 1 计算、传输与存储 放计舞枕工程的角度看，当代诗冀极技术主要处理了三个方薅的闯题，邪就是数 据的计算、传输和存储【i j 。计算的琢理是基于布尔逻辑和数字门电路构建邋簿器，传 输的原理怒基于抽象的层次化传输协议和物理链路，存储的原瑕是基于虚拟文件系统 和物理存德介质。一个凝有实用性的蕊代计算机系统，必须同时壤有计算单元( 单处理 枫或者多缝理瓿) 、传输肇元( 内部总线或者舞部两络接口) 帮存德革元( 内部联钒存穰或 者外存储) 。自计算机的发明以来，计算机科学技术的进步，就怒以在这三个方面的进 步为标志的1 2 j 。 诗算瓤技术鹣这三令方瑶羲鸯麓舜，也吴有统一鳇。差髯体蕊在三者懿功鼗、骧 理和结构上，是显而易抛的。计算、传输和存储的统一性则体现在三者的紧密关联和 相互转化的可能性之上，如图1 1 所示。我们知邋，v o nn e u m a n n 体系结构来自于存 褚程序穰念瓯程序森逡孬f 诗冀之麓渡存敖在存糖薅上，逶避滔天委运髯嚣才能鞍 执行运算。在这个结构中，计算、传输与存储就怒紧密相关的，是一个协调究成系统 功能的统一体。下面有三个例子说瞰遵循计算、传输和存储的统一性思想如何促进计 算援系统继稳熬发震。 第一个例子是“缓存”( c a c h e ) 在中央处理器中的应用。最昂的计算机系统的运算 单元是直接将程序指令和运算数据从内存中调到邋算寄存器中a 这样在运算器的运算 速度与蠹谨戆存取逮发莲蓬不丈懿瓣候，运算嚣粒存绩器酌羧熊黎基本褥到充分发 挥。等到大觏模集成电路的出现和简性能的计算单元成为可能时，内存的存取和传输 的速率往往跟不上计算单元的运算遴度，出现了运算器等待指令和数据的情况，导致 系统蛙缝下降。计算襁瓣学家开始磁诗算单元移移馈单元之裁期设缓存，残运算器蠢 来读写指令和数据时就把指令和数掇预取到缓存巾，这样可醴平滑运算器和存储器的 速度差，缓解二者的矛借，使计算与传输重新相贩配。缓存的使用，与其说是提高了 运算器的逡冀能力，不妻旺说是重新协调了计算、传输与存储之阕的关系，馒之达到更 高豹平衡。 华中科技大学硕士学位论文 图1 1 计算、传输与存储静统一洼 第二个例子是r a 登( r e d u n d a n ta r r a yo f i n e x p e n s i v ed i s c s ，瘵份磁盘趸余降麓) 豹 成功。r a i d 是外存储系统常用的硬件结构，它采用数据分割技术，在多个磁盘上交 叉存数据使樗多个磁盘可以并行执行数据读写操作，使得整体的i o 响应时间比单个 磁盘提高缀多，目时赉予袋爱了冗余签镑，磁盘阵列魏可靠毪褥戮缀太懿握裹州。r a i d 系统除了磁盘结构的改善和计算机i 0 总线的硬件接口的支持，最关键的还需要有专 门的软件控制模块。软件控制模块，黛际上就是要求中央处理器的额外运算能力来支 撑这一掰斡存储系统的遂嚣。这是运黧耱力对存镶系统健提意起关毽 皇思敬铡子。 第三个例子是大型嘲络的出现。二十世纪七十年代出现了使用包交换和镪路统计 复用的计算机网络，八十年代出现了广域网，九十年代i n t e m e t 深入发展。网络需要 两类结点：作为通讯者的器群主枫和体为网络骨干舱交换结点的网络设备，比如小型 网络里的交换枫和大型鞠络里豹核心鼹由器。其中，阚络交换设备的主要功憨是实瑰 网络协议栈和提供包缓存，并且转发接收到的数据包，还可能包括满足各种 q o s ( q u n i t yo fs e r v i c e ，服务质量) 的处理【5 】。我们皮该把网络交换设备看成怒计算能 力秘存穗i 力在数据传输镁域麓延传。这一延 幸筏缮诗算蘩 霰务可戮跨越较大鹩镑瑾 空间。同样，这样的延伸得益于重新分配和协调计鳟、传输和存储能力。计算、传输 和存储是一个蟾体，网络涎非是扩大了的计算、传输和存储的统一体，只有往这个层 次上，方筑邂释诗篝梗王潼赛蕊名言；“藏终就是诗冀爨”。驮这黧诗算援系统结构历 史上的典型的例子可以得出这样的结论： 计算机体系结构的任何进步均是建立在对三个方面的统一性的理解之上的。 这一愚想将舂韵于我们理解薮的诗箨褪系统结构，也舂助予设计更葑的缝梅，无 论它的功能憝潋运算为主，还是班传输和存储为主。在计算机系统结构的研究中，对 2 华中耩技大学硕士学位论文 并行处理缩构的网络她理器，是面向网络交换应用的专用处理器，它的设计将传输能 力与计算徽力做了很好的平衡，这点将在第二礅具体论述。将网络处理器应用到大 客羹熬体垒塞存德系统中，逮爨瑰了综合考虑彝平餐诗箕、簧输与存穑豹基本愚慈。 这一点将在第三章中论述。 在当今舱计算机教学和科研中，存在着一种倾向，那就是计髀机学者和举生们往往 据隈赛隈黎l 奁本锈骧辗必其体懿鼓术缀苓中，藤忽视了疑宏鼹的和逮鞍弦象的巍角来看 待自己掰从攀的领域。这样当然遥避免了如渺 行人一般空谈计箨机科学静髂瘸，但是 同样也渐渐失去了发现一些有价值有慰义的心得和联系的可能性。能够从极为细致和专 门静设毒 歼发工誓# 中，扶代码编程、溪试溅试黪买体工捧串对繇溪开来，鼠 8 较撼象酶 垂次帮跨学辩翡角度寒悉考诗算瓿科学羧术，秘然怒必要静，霾麓这样畜秘予澍自身颁 域的更深剡的理解，有利于在科研中穰0 新。将具体丽扎实的科研工作与宏观的恩考结合 起来，与其他学科甚至嚣学的思考结合起来，会对学科静发展和科研工作有积极的意义。 1 2 本文豹主要研究内容翔意义 光存储技术在记录积度、存储裙最、数据借输搴积寻址逡麟等关键技术上比起磁 存餐育受丈篦发蓑港为。下一霞毙存铸羧寒包蓑了越努纂率透耪毙存接技术、毙量子 效应存储披术、体全息襻储技术等 棚，其中体全总存储研究时阆最长。相笑的理论研 究开展的搬早，实验研究现在也趋于成熟，它是下代光存储的首选解决方窳【7 1 。我 匿垂1 9 9 9 年莛正式开袋关于体垒息枣德熬硬究，在清华大学、华中辩技大攀等辩硬 革谴靛筵弼参与下，予2 0 0 2 年i 2 嗣通过魏段褴成果鉴定：“5 g b c m 3 枣型体全患存 储及相关识别系统”，诚舔统兼有多谢丽高速并行相关处理功能，识别速率可越过1 0 0 0 幄秒，激爆予指纹识鼷、星载存馕器等图像专用存储系统，标志藿我嚣焱体全患 存穗溪域达戮鬣嚣先进农平鞲。国鼯上，霾蔫跫缀骞摹臻霉囊遮2 0 0 g b 、健羧率达 2 0 m b p s 的用于视频领域的体全息襻储体( 及配套的驱动器系统) 出现，如表1 1 所列。 袭l ，1t a p e s t r y 巍用体全息存储驱动器性能 l骞量勰| 。g 錾 传输率( 读与写)2 0 m b p s j平均寻道时间2 5 0 m s 最丈寻道时阕5 0 0 m s 蝥鹳采灞 l n p h a s e 融赫o l # 0 琏瑚购 为了构建未来适合新兴网络存储市场的基于体企息技术的存储系统，滁了存储体 3 华中科技大学硕士学位论文 本身的容擞和接口传输率要达到要求外，还有两个重要的技术：一是建立高速的外部 数据通道，二是选择通用的网络接口标准。为了使未来的存储霖统具有实用性，通道 匏传浚遗痰要求达囊1 0 0 m b p s 洚l 。蕊先，囊在擎拿存 l 萎器瓣乡 蘩鼗据簧埝褰已经达餮 2 0 m b p s ，商用的网络存储系统一般使用并行的绪构，也不排除在体全息存储体上实现 r a i d 结构来提高存储系统的数据安众性、可靠性和传输率，豳此，面向束柬应用的 俸全息网络存储外部数摄通道的曹黉技术指标就怒很高的数攒传埝速率。 其次，为了能够实现广泛兼容躺蹰络访滔，本课题组选取了t c p i p 协议作为外 部数据通邋的网络接口。t c p i p 协议具有开放的特性，是目前辍为成熟和应用最为深 入的网络协议。我们的因标是提供赢速率的、具窍广泛兼容性的i p 存储( 瑾s t o r a g e ) 。 这样豹一令密速率大骞爨存籍系统，霹驻单猿终为n a s ( n e t w o r k a t t a c h e d s t o r a g e ，瓣 网存储) 存储服务器，撼供企业级的数据存储服务；也可以住为s a n ( s t o r a g ea r e a n e t w o r k ，存储区域网) 的一个结点，构建更大的海摄存储系统【1 0 l 。 选定了蠡标簧浚率葶【l 网终接日类囊，只是定义了毫逮数嚣溪道戆模型。接下来嚣 要找到合邋的支持该接翻类型的网络传输模块来实现模型，支撑两络接口协议栈，并 且保证目标传输速率。缀过课题组成员的共同比较研究，我们选择了专门应用于高速 网络传输的网络处理爨佟为数据透邋的圈终传输驱动模块( 通道譬l 擎) ，提出了基于网 络处理器酌俸全怠存储裔速静部数攒逶遒系统绥穗h ”，并且嘏据数据逶道的霹标要 求，设计出了面向网络处理器的基本开发方案和黑体的开发思路。首先应该指出的是， 出于体全熙存储的内部数据通道也就是编码解码模块，是以i x p l 2 0 0 的p c i 总线 兔基礁熬，霆蘧，本文掰论述戆基予嚣络整理器翡羚发是轰钵余患存德数撵逶遂定裁 的，虽然不排除这一开发成果在其饿类型的存储系统中的应用。 从上顾可以看出，本文的主要研究内容即是为在研的大容擞、高内部数据传输率 懿体全惑存储体设计势实瑗基于兼农鼹终懿毫速乡 都数据逶遐。这一硬究工佟对于体 全息存储瀚广泛应用，以及对于一般的超高容量襻储系统的设计程应用，都裔缀好的 示范作用，对于存储系统的研究发展( 从联机外存储系统、网络外存储系统到嬲传输率、 超高容量存储系统和期能自适应存储系统等等) 具露重要的意义。同时，在趣离容量存 镑系统孛艨矮露终凳纛器，毽扩态了潮络楚瑾辩瓣痘瘸蔻垂粒建瘦。 1 3 课燧来源 本谍越来深予华中零萼援大学诗冀壤懿学与工程系、数撵存辕系统教学瓣囊轰实验 室承担的“体全惠存储系统高速数掇通道研究”。这一谋题悬该实验室与清华大学共 4 华中科技大学硕士学位论文 同承担的阕家9 7 3 重点项目“体全息存储研究”( 项目号：0 1 9 9 9 0 3 0 1 0 6 ) 的一部分。本 文的研究内容属于“体众息存储系统高速数据通道”子项目中的外部数据通道，即基 于鼹终疑疆器i x p l 2 0 0 戆瘟_ 蓦l 开发郯分，是泠段瞧秘局部洼熬，露粪整个遴逶疆突弱 成果。 体全息存储系统黼速数据通道从结构上包括两大部分，一部分为内部通道，它是 内部数攒与骢理存德髂骢接墨，宅镪蘧编码、瓣磷秘绸错等模块，第二章将会有较详 纲描述；弱一部分为岁 部通道，是翊户数据与存储系统的接弱，它包括了湖络协议和 基本的同步语义。本文将对整个数据通道做详细介绍，但重点在于外部通道的设计与 实现。参见图1 2 ，网络驱动单元和熬本同步语义是本文的研究重点。 口编码嚣 罔络驱动单元 口 纠错攀元 基本同步语义 口解码嚣 外部数撵遴遵 虑郝数壤遵遘 图1 2 外郴数据通道与内部数据通道 华中科技大学硕士学位论文 2 网络处理器技术概述 2 1 网络处理器的出现 自过去5 年以来，i n t e r n e t 骨干网戆铸输率每1 2 个月就熬一番。网络链鼹酶蒂宽 和网络结点的包处理霸转发麓力是橇定网络传输率的关键要素。现在高速臀于两的物 理连接一般采用高带宽的光纤链路，所以影响网络传输率的瓶颈已经不在链路上，而 转到网络交换结点上。 潮络交换设备豹瞧缆主要簿藿攒标包括惫转发处理速率、哥缡程能力鞠可重薅 性。包转发处理速率体现交换结点包处理和转发黼力。可编程的能力是指可以通过对 交换设备编程以适应许多复杂的q o s 和增值业务的需求。可移植性是指交换设各可 以在不嚣瓣薅络星次_ 摹冀琢凌中应曩，蔡软舞部分爨餐爵重复使翅往，为瀵嫩凝粒需要 只需修改而不用完全重新制作。 处理性 能 灵活性( 可绷 程能力) 图2 1 通用c p u 、a s i c 和网络处理器的比较优势 当豢爨要求不离辩，阏终茬往不挺供复杂熬q o s 襄毫级熬安垒骚务，搜舔逶曩 的处理器( 即通用c p u ，如x 8 6 ) 的燮换结点能够胜任数据流的转发任务。当带宽要求 提高，并添加复杂的q o s 和网络安众业务，需要进行更深入的包分类和复杂的包处 理时，逶掰处瑾器载l 力不是。路耄瓣葶鞋交换机戆设诗者嚣戆馕惩专臻集或滚g 窿- ( a s i c ) 芯片取代通用处理器i l “。 6 华中科技大学硕士学位论文 a s i c 在完成设计好的包处理方丽是优秀的，但它有两个严蓐的缺点，个是开 发的周期太长，较为复杂的a s i c 从设计到制成成品一般需要年半到二年时间。一 般瑟言，对于经薅鼹类瓣处理器，鲶毽戆力帮可缡程往是一辩矛藩，缀强懿簸理戆力 意味着较麓的可编程性，反之亦然。a s i c 的第二个缺点是灵活性非常差f i 3 】。 网络处理器就是将计算、存储和资源控制高度集成，以线遮进行包处理、转发的 可编程楚耀器。霹终处理器或者n p 熬最大霞势羧蹙它将毫热戆窥裹度灵渗瞧结合在 一起( 见圈2 1 ) ，使得嘲络传输速度的瓶颈有解决的可能。它的出现对i n t e m e t 的未来 和下一代网络( n e x tg e n e r a t i o n n e t w o r k ，n g n ，多北务的，融合现有的i p 、删、f r 和t d m 投术，以缀低的成本提供各秘业务，具露投强灵活性霉珏扩展性的综食鼹络平 台) 鹩出魏产生重要的积极影响。 网络处理器于1 9 9 9 年开始走进市场，目前已缀受到学术界和工业界的广泛重视， 其重要性不亚于八十年代c p u 领域p d s c 技术的出现。网络她溅器正处在大规模应用 至l 霹络产晶，筏骜逶溺e p u 稻丈鄂分a s i c 豹 l 誊凌。2 0 0 4 年嚣著名毒l 造鬻瓣藏正在 研发的嘲络设备中，大约一半以上将采用网络处理器。估计今厨几年内这比例将提 高到8 0 。表2 1 是几个主要的网络处理器制造商的网络处理器产品型号及熬本性能 豢标移瘦簇蓬匿。 表2 1 主要网络处理器的性能及应用范围 供应商网络处理器型母目标速率应用范围详细信息 f x p l 2 0 00 c 3 o c l 2l 2 ，l 3 嬲络访问 l r i t e lp 2 4 0 00 c 2 。o c 4 8 网终访瓣髑边缘盎爨w w w i n t e l ，c o r n l x p 2 s o c 4 8 一o e t 9 2网络边缘帮核心应用 p o w e 小j p j b mo c - 4 8网络访问和边缘应用w w w i b m + t o m n p 4 g s l n p 4 g s 3 l u c e n t p a y l o a d p l u so e - 4 8并行处理l 2 协议 w w w a g e m 。c o m ( a g e r e ) “智熊边缘应用” v i t e s s e i q 2 0 0 0 ，i q 2 2 0 0 o c 4 8核心交换机和路由器w w v c v i t e s s e t o m l 4 乩7 服务 m o t o r o l a c 一5 ，c - 5 eo c 4 8l 2 一l 6 网络访闻和边缘应用w w w m o m o t o r o l a c o r n ( e - p o r t ) 2 2 网络处理器i x p l 2 0 0 2 ，2 ，1i x p l 2 0 0 瓣嚣羝壤鞫 i x p l 2 0 0 作为i n t e l 的互联礴交换架构( i n t e r n e t e x c h a n g ea m h i t e e t u r e ) 的核心成员 华中秘技大学硕士学位论文 体现了一i 孛全新的处理器体系缩鞠。它纂成个r i s c 的c p us t r o n g a a n 律为臀磷褥控 制核心，懿成6 个可编稷的网络处理微辱l 擎，通过内部豹离速i xb u s 总线与嘲络单元连 浚，达瑟藤穗骚、褒灵潦毪窝逶蠢涟黪缝谚；毒溪2 2 。i x p l 2 0 0 茨蘩羲嚣黪点懿下： 鬻2 。2 溪络怒爨嚣t x p l 2 0 0 憩箨系缝褥 ( 1 ) 个高性能、低功耗的s t r o n g a r m 棱心作为管琏控制撩心 i x p l 2 0 0 毽趱的楚a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 公司生产熬v 4 舨本躲a r m 处遐器， 蕊一敦钱秀瓣3 2 链嵌入斌r i s c 镟楚瑗黎结稳；窀支持1 6 使释3 2 镫瑟豢令集，麓骖 方便爨辩舔系绥擒迸霜扩态，溺瓣典裙侮蘸夸、溯耗蘸、缝徐貔篱静特点，广泛巍委 于各种嵌入戏实时系统。s t r o n g a r m 的任务是i p 路由的堆栈管煺和i x p l 2 0 0 的系统 繁瑾。 ( 2 ) 势行蘸楚莲器潞褥，六个支持蘸嫠多绞辍懿r i s c 皴萼l 鬻劳箨竞菠鸯处穗王终 六个微萼l 擎独立予s r o n g a r m 竣，熬享s r a m 、s d r a m 襻馕器秘i xb u s 以爱 外国p c i 谶餐。每一个徽簪l 擎支持4 个硬 孛线稼( s i n g t ei m a g e ，蚺一映像的编糕模式) e 舔令羧萼| 蘩狻支黧毒t 2 8 个逶爱嚣翡海襻器窝t 2 8 个簧赣毒誊嚣羧覆毒壤爨熬4 k b 霹e 控制寄存器。工作频率尚核心频率张同( 1 6 6 m h z ) ，内部总线带懿选瓤3 0 g b p s 。微弓l 擎的往务越包分掇、分搽、修改转教，黪火墙秽静种q o s 定铡处理。 ( 3 ) 离繁赛缝，分带式数掇存锉结挺 i x p l 2 0 0 集蔽翡s p “k m 接西爵黻镫8 m b3 2 b i t 宽熬疆奎编璇戆s t l 越m 存德俸， 孽 华中科技大学硕士学位论文 s d r a m 接口可以接数据位宽6 4 b “、地址位1 5 b i t ，最高容量2 5 6 m b 的s d r a m 存储 体。6 个微引擎共享s r a m 和s d r a m 存储器。姆个微引擎通过自带的传输衡存器读 写s r a m 、s d p d k m 存罐馋。其中，经过懿亭豢蹙经馥戆s r a m 接嚣维持多令读写 队列，用于存储包处理所需的数据结构，包括用予记载数据包在s d r a mb u f f e r 中的 地址的包搦述符链表( p a c k e td e s c r i p t o r ) ，用于记载待转发数据包的描述符的传输队列 ( t r a n s m i tq u e u e ) ，以及耀予在分害较大靛数据包瞬，不疑鲍微葶 擎线程之闻弼步躲“邮 箱”( m a i l b o x ) 。s r a m 内建的控铡状态寄存器可以被s 拄o n g a r m 和徽弓| 擎诱阉，以完 成系统的时序配置。 s d r a m 存储体较s r a m 慢，主要用来组织包缓冲区( p a c k e tb u f f e r s ，数存接收 至g 翡数攒稳) 等大型鼗壤结构，霜对馥存诺s s o n g a r m 孩程痔霸貉密表( 在菜黧瘦弱墨， 路由表可以很大；路由寝的索引表，存放在较快的s r a m 中) 。s t r o n g a r m 梭，6 个微 引擎，p c i 设备和p c id m a 通道都可以访问s d r a m 。 i x b u s r e a d y b u 8 f b i 摄源 图2 3i x p l 2 0 0 的f b i 单元 在接收线程问传递帧状态。帧状态包括；在s d r a m 中 戆缓冲嚣豹缝疆，廷予甏靖存放接狡薤理嚣攒接寒突藏夔帻；s o p 孝魏号，愆戳医爨 分割帧属于哪一个帧；s d r a m 存储体号( s d r a m b a n k ) ，去弈比特值，如聚为“1 ”， 2 l 华中科技大学硕士学位论文 该m p a c k e t 将被丢弃。每个接收线稷都有一个进程问邮箱。 l b i t3 13 02 92 8 t 2 72 6 2 5 2 42 3 1 2 22 1 1 2 01 91 81 7 1 61 51 41 31 21 ll o9 876 543 2lo 卜 o js o p s e q们爨盆 p a c k e t b u f a d d r e s s 墨 凸 倒h 图4 3 线程间邮箱定义 ( 2 ) 毽缓溪甄( p a c k e t b u f f e r s ) 位于s d r a m ，每一个缓冲单元2 k b y t e s ，用来存放尚在处理的包，单号微引擎 使用单号s d r a m 存储体( e v e nb a n k ) ，双号微弓l 擎使用双号s d r a m 存储体( o d d b a n k ) 。怠缓捧区震包攘述餐( p a c k e td e s e r i p t o r s ) ：黢分琵和霾浚。 ( 3 ) 包描述符( p a c k e td e s c r i p t o r ) 是位于s r a m 存储体内的一个镶表( l i n k e dl i s t ) 式堆栈，每一个单元存放指向一 个s d l l 4 , m 包缓冲区地熊，它保护镪缓冲区内容被覆盖。图4 4 是包描述符壤栈的一 个工 乍流程示捌。 图4 4 包描述符和包缓冲隧机青示例 ( 4 ) 发送簸囊( t r a n s m i tq u e u e s ) 在s r a m 存储体中有两个发送队列，p o n 8 朔p o r t 9 各脊一个。两个均为循环队 列，每个有2 5 6 个单元，称为发送队列描述符( t r a n s m i tq u e u ed e s c r i p t o r ) ，是一个6 4 b i t s 雏双长字蹲”。包按照它傲接收时熟j | 骥窿捧敬。每个q u e u e 都对嫩一个s d r a m 中斡发 送包酞列。 发送队列描述符主骤作用是：保持接收到的觎的状态信息，包括在缓冲区中的地 址、有效饿等，这些状态将被供给发邀线程使用。所以t r a n s m i tq u e u e s 是供接收线程 稻发送线疆共嗣使爝豹矮重要嚣一个数据绩梅f 3 疆。宅静基本王俸覆理霹滋掰鹫4 。5 来 阐释。 华中科技大学硕士学位论丈 ( 5 ) 端口信息寄存器( p o r t i n f o ) 每个负责发送的微引擎( m e 4 ，m e 5 ) 使用一个寄存器，存放p o r ti n f o 变量。p o r ti n f o 包括包在s d p a m 中懿辘疆，当蓑包淹骞多少m p a c k e t s 等待发送，鞋及土一个m p a c k e t 中的字节个数。p o r ti n f o 寄存器在发送线程间传递包发送状态。 罴哥 2 5 5 母单元 p 1 r ，：1 = 叫，z h n l 彳嗣 7 e ( 致强硬) l攒堡释lj 接收双劐搬钟 一。 ： 0 x 0 1 0 0 0 - h 队列基址 麓滋酞残辩 - 接牧线稷 疑疆接遽耱蕤嚣瓤弼裳黛疆翟圈 4 5 发邀描述苻酞歹楚接枝线疆与麓邈线程盼共有数据结构 4 i 4 基本接收过程 m e 0 朔m e i 在p o r t 8 ，m e 2 和m e 3 在p o r t 9 接收数据帧。犊收过程彀禽六个主 要步骤，髑到了上面努辑酶主要数掇结构。 ( 1 ) 初始化和设鬣工作 s t r o n g a r m 核心从f i a s hr o m 启动之后，各个功能单元( i x b u s ，s d r a m ，s r a m ， p c i ，m i c r o e n g i n e ) 夔控秘寄存器被秘戆缘，羽络羧瓣m a c 熬f i f o 获嚣被竣纛，i x b u $ 单元中的就绪总线( r e a d yb u s ) 被激溜，微引擎驱溯被加载，然黼微码程序被下载到六 个微引擎的2 k 指令存储中，随后生成s r a m 和s d r a m 中的释个系统数据结构吲。 在开始接收惫之髓，每个接收线翟都襄在s d r a m 盼包攒述符链式堆棱中申游一个撂 肉一个p a c k e tb u f f e r 的包捂透符。d 国n s 的就绪蕊线定叙器开始不断检查m a c 端日， 一旦有包剿达，就通过襁i x b u s 相关寄存器r ( r c v _ r d y _ h i 和r c vr d y _ 上o ) o e 设置 就绪标汜( r e a d yf l a g ) 。 接下袋，皴弓| 擎熬羧毂谲凌线程持续不蘩麴渡r c vr d y 蒋存器，螽栗r e a d yb i t 被设置，调度线程就写入i x b u s 的接收请求寄存器( r c vr q t ) ，以激发i x b u s 从m a c 碧 雾 华中科技大学颈士学位论文 f i f o 读到达的包到i x b t l s 的接收队列( r f i f o ) 中，成功后i x b u $ 发信号给徽碍i 擎的睡 眠中的接收线程，接收线稷发出命令绘l y b u s 要求拣送包头部到它的传送寄存瓣中p 珂。 接收线程袋羞逶过计算p a c k e t b u f f e r d e s c r i p t o r 获得b u f f e r 在s d r a m 中的遗蛙， 然后发出命令使i x b u s 赢接将包主体部分发送到p a c k e tb u f f e r 之中。接下来，接收线 程可以处理p a c k e th e a d 。r 。 t x b u s 懿凌牧请求寄存纂是掰番接收线程鹭冁器资源，枣骥 串察瑷黎信号斑控裁接 收线程静游阔。每次只帘一个徽雩 攀珂班写入，落辅是说莱一时帮只有一个徽弓 擎可 以发出接收请求。接收线程在个乖贞的接收过程中有两次被硬下牛发来的信号激活，一 耱是上露蟾i x b u ss i g n a l ，一释是在簸舞一个m p a c k e t ，馨含育e o p 浆m p a c k e t 被送入 s d r a m 鹣p a c k e tb u f f e r 对，s d r a m 绦接唆线疆信号，告囊一个完整簿赣撩救竞季， 接收线程遮时可以向s d r a m 的发邋描述符循环队列写入一个t r a n s m i td e s c r i p t o r t ”j 。 ( 2 ) 罐误处理 在l 3 f w d 2 f 鹣实瑷中惩燕灭了罐谈整理孳元。在菝浚笺程发凄羧嫒请求之嚣，可 能出现的错误有三类p 列 第一炎是“接收取消”( r e c e i v ec a n c e l ) ，发生襁发出接收请求时r f i f o 中没有数 援，霹簸鼹原匿是m a c 蠛r f i f o 慰锩；篷王燕r e c e i v ec a n c e l 潜，接毅线疆怒更新蜂 箱，然屠释放接收请求信号灯，越蠖蒗他接枝绫禊可殴发送接收请求： 第二徽是“接收锚淤”( r e c e i v ee r r o r ) ，当m a c 接收到含确储误的数据时发生这 类错误；发生这类错误瞬，先更瑟异嚣计数器( e x c q a t i o nc o u n t e r s ) ，然后疑凝自s 籍霸 释敖请求辖号癌； 第兰炎是“接收失败”( r e c e i v er a i o ，如果从m a c 到i x b t l s 的r f i f o 的途中传 输出错，则m a c 检测熬f 这类错误。发生此类错误孵，除了曼新异常计数器、冉g 箱和 释攘请求信号灯，还蘩释簸最近孛请静p a c k e tb u f f e r ：曩要重辩开楚传送； 如果没有检测到任何错误，则酋先释放请求储母灯，然筒搿始m p a c k e t 的处理a ( 3 ) 接收线程对m p a c k e t 的处燃 参考鬻4 6 ，接收线稷擐篱不疆躺m l m c k e t 类鍪 进器甭蠢斡处瑾e 鲡栗怒s o pm t m c k e t ：掰先勰砖这个新被在p a c k e tb u f f e r 静缝殛( 避过计算在 s r a m 申请的p a c k e t d e s c r i p t o r ) ，然艏读线程间邮箱，写入本m p a c k e t 的邮箱值( b u f f e r 地址，s o p 彦号) ，将其写入下一个接收线程的女g 糖申去。然斌可跌开始处糕包头部； 热繁怒翳不会s o p 又不会e o p 懿m p a c k e t ，先读取著失效鸯己熬避程阖霾g 麓， 从读取的b u f f e r 地址上加“l ”，使下一个m p a c k e t 可以连续的放晟，然后将赫送入下 华中科技大学硬士学位论文 一个接收线程的邮箱，然后将m p a e k e t 发送到s d r a m ； 如果是e o p ，则发送并有效化下一个接收线稷的邮箱f 下个m p a e k e t 一定含有 s o p ) ，凌并且无效鬣蠡溅懿奠# 藉，计簿末数蠢羧熬蠢蓑长凄( 蔡霉天菱送撼述蒋 ，将 m p a c k e t 襻入s d r a m ，最后在t r a n s m i tq u e u e 中露入一个描述符。 如果既是s o p 也是e o p ，则综合第一和第三中情况处理。 ( 4 ) 瞧头处理过程( h e a d e rp r o c e s s i n g ) 先读戳并且验证e t h e m e th e a d e r ，翔果不是e t h e m e t2 或者憩e t h e m e t2 髓没有i p v 4 选项，则举系统不能处联，直接交到内核，由内核向用户