（计算机应用技术专业论文）面向网络处理器的软件开发平台的研究.pdf

西北工业大学硕士毕业论文 摘要 ab s t r a c t n o w a d a y s w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f n e t w o r k t r a n s m i t t e c h n o l o g y , d a t a r a t e s a r e i n c r e a s i n g , p r o t o c o l s a r e b e c o m i n g m o r e d y n a m i c a n d a l s o b e i n g i n t r o d u c e d mo r e r a p i d l y . a l l o f t h i s c a u s e s t h e i n c r e a s i n g r e q u i r e m e n t f o r f u t u r e n e t w o r k e q u i p m e n t . t h e c o m b i n a t i o n o f h i g h - p e r f o r m a n c e p r o c e s s i n g p o w e r a n d fl e x ib i l i t y i n n e t w o r k p r o c e s s o r s h a s m a d e t h e m a g o o d s o l u t i o n f o r t o d a y s p a c k e t p r o c e s s i n g n e e d s . i t c a n p r o v i d e t h e f o u n d a t i o n f o r a w i d e r a n g e o f n e t w o r k d e v i c e s . b u t s o ft w a r e p r o b l e m h a s p r e v e n t e d n e t w o r k p r o c e s s o r s f r o m a c h i e v i n g t h e i r f u l l p o t e n t i a l . i t h a s m o r e t h a n o n e t o o l - c h a i n s f o r t h e y h a v e s e v e r a l p r o c e s s o r s . p r o g r a m m in g m u l t i - t h r e a d e d m i c r o - e n g i n e s w i l l s u r e ly u n d e r c u t s n e t w o r k p r o c e s s o r t i me - t o - ma r k e t b e n e f i t . di f f e r e n t v e n d o r h a v e d i f f e r e n t a r c h i t e c t u r e . mi c r o c o d e i s u n i q u e t o a s p e c i f i c n p w h i c h d e f i n i t e l y n e g a t e t h e fl e x i b i l i t y b e n e f i t . t h e m a i n d e s t i n a t i o n o f i n t e g r a t e d s o f t w a r e d e v e l o p m e n t p l a t f o r m i s t o r e m o v e h a r d w a r e d e p e n d e n c i e s f r o m n e t w o r k a p p l ic a t i o n s , r e d u c e p r o d u c t d e v e l o p m e n t d i f f i c u l t y a n d t i m e , o p t i m i z e t h e p e r f o r m a n c e o f s y s t e m f o r p r o g r a m m e r s a n d n e t w o r k e q u i p m e n t d e s i g n e r s . t h i s p a p e r f i r s t i n t r o d u c e s t h e h a r d w a r e i n f r a s t r u c t u r e a n d s o ft w a r e i x a p o r t a b l e f r a m e w o r k o f i n t e l i x p 2 4 0 0 n e t w o r k p r o c e s s o r . t h e n w e d i s c u s s t h e d e s i g n o f s o ft w a r e p l a t f o r m . we c a t e g o r i z e d i t i n t o t w o p a r t s : f r o n t - e n d t o o l s a n d b a c k e n d t o o l s . i n t h e f r o n t - e n d t o o l s , w e p r o v i d e p r o g r a m m e r a g u i e n v ir o n m e n t f o r t h e ir d e s i g n . we a l s o d e f i n e a k i n d o f h i g h l e v e l d e s c r i p t o r l a n g u a g e a n d s o m e c o m p o n e n t s f o r t h e m . t h e b a c k e n d t o o l s m a i n l y c o n t a i n c o d e g e n e r a t o r a n d d a t a p l a n e l i b r a r ie s . p a c k e t s c h e d u l i n g i s t h e k e y m e c h a n i s m f o r i n t e r n e t q o s g u a r a n t e e . a s p a r t o f t h e s o f t w a r e p l a t f o r m , t h i s p a p e r d e s c r i b e s t h e r e s e a r c h a n d i m p l e m e n t a t i o n o f s f q / d w c s a n d u r r s c h e d u l i n g a l g o r i t h m c o m p o n e n t b a s e d o n n e t w o r k p r o c e s s o r s . we u s e s o m e s p e c i a l w a y a c c o r d i n g t o n p c h a r a c t e r i s t i c t o a c h i e v e e f fi c i e n c y w h i c h i s a g o o d r e f e r e n c e f o r d e v e l o p m e n t o n a l l t h e n p p l a t f o r m s . t h i s p a p e r a l s o c o n t a i n s t h e i n t r o d u c t i o n o f f u t u r e w o r k a n d r e s e a r c h d i r e c t i o n o n n p p l a t f o r m a n d p a c k e t s c h e d u l e r . t h e w o r k i n t h i s t h e s i s i s p a rt o f n a t i o n a l h i g h - t e c h r e s e a r c h a n d d e v e lo p m e n t p r o g r a m e n t i t l e d k e y t e c h n o l o g y n e w o p e r a t i n g s y s t e m f o r n e t w o r k p r o c e s s o r 一 a n d i s a l s o a s s i s t e d b y n o r t h w e s t e r n p o l y t e c h n i c a l u n i v e r s i t y p o s t u r a d u a t e s e e d f o u n d a t i o n ke y wo r d : n e t w o r k p r o c e s s o r , mi c r o - e n g i n e , s o f t w a r e p l a t f o r m , c o m p i le r , l i n k s c h e d u l e s 西北工业大学硕士毕业论文第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1研究背景及意义 木论文的研究工作主要依托于国家高技术研究发展计划( 8 6 3计划) 资 助课 题: 面向网络处理器结构的新型操作系统核心技术。除此以外， 也得到了西北工 业大学研究生创新种子基金的资助。 当今网络规模和性能迅速增长， 新业务接连 出现， 要求网络设备具有线速和智能的处理能力。网络处理器是一种新兴、有效 的统一解决方案。它是一种面向高速网络应用的高性能专用c p u ，具有精简的指 令系统， 同时具备灵活的可编程能力和高效快速的处理性能 是各类新一代网络 设备的核心组成部件。 据c a h n e r s i n s t a t 预测，网络处理器市场规模将由1 9 9 9 年 的 1 . 2 8 亿美元增长到 2 0 0 4 年的2 9 亿美元。 但是， 网络处理器的产品目前主要集中在其特殊的硬件平台和相关网络应用 的设备。 在硬件体系结构方面， 主要侧重于如何进行网络处理器的设计从而提高 数据处理速度， 包括硬件体系结构的研究、网络处理器的集成设计等。但是，对 于网络处理器应用开发方法和相关工具相对较少。 比如数据平面软件的开发通常 仅提供微代码汇编语言支持或有限的类c 语言， 这限制了网络处理器技术的应用 和发展，已经成为网络处理器应用的一大障碍， 因此本文论文所研究构建的针对 网络处理器特定硬件结构的软件平台， 并且提供相应的开发工具进行快速应用开 发就具有了十分重要的意义。 目 前操作系统的研究热点已不仅仅局限与传统操作系统的研究领域， 面向特 定领域的操作系统平台的设计与实现技术己成为当今操作系统研究的必然趋势。 木文所提出的的面向网络处理器的软件平台也可以看作是一种新型的操作系统 平台， 其中包括了像操作系统的开发工具， 高层编程接口， 线程调度， 存储分配， 编译支持等许多操作系统的核心问题，并且具有非常广阔的市场前景。 网络处理器的出现是网络设备开发的一次革命，它的发展势必对传统 a s i c 造成前所未有的冲击。 在今后几年里网络处理器将迅速得以 普及应用， 有着非常 巨大的发展空间。 因此， 如果面向网络处理器的操作系统平台能够1功进行产品 转化， 必将大大降低网络处理器的编程难度， 推进网络处理器的厂泛应用。网络 设备开发人员可以不用去了了解网络处理器底层复杂的硬件体系结构和指令系 统， 利用所提供的网络处理器操作系统平台， 可以非常方便的构建网络应用， 开 发网络设备。该产品其所能带来的经济效益也会是显而易见的。 1 . 2国内外研究现状 随着网络处理的发展， 国外有关网络处理器操作系统和开发环境方面己有很 多相关的研究，大部分网络处理器己经可以使用类 c语言进行开发，一些相关 的开发工具也得到了飞速发展，例如 i n t e l 针对 i x p系列网络处理器提供的集成 开发工具 wo r k b e n c h , v i o s o fr公司针对 a mc c 的n p 7 x x x系列网络处理器的 集成开发环境 a r r i b a 同时也出现了一些支持网络处理器运行的操作系统， 例 西北工业大学硕士毕业论文第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1研究背景及意义 木论文的研究工作主要依托于国家高技术研究发展计划( 8 6 3计划) 资 助课 题: 面向网络处理器结构的新型操作系统核心技术。除此以外， 也得到了西北工 业大学研究生创新种子基金的资助。 当今网络规模和性能迅速增长， 新业务接连 出现， 要求网络设备具有线速和智能的处理能力。网络处理器是一种新兴、有效 的统一解决方案。它是一种面向高速网络应用的高性能专用c p u ，具有精简的指 令系统， 同时具备灵活的可编程能力和高效快速的处理性能 是各类新一代网络 设备的核心组成部件。 据c a h n e r s i n s t a t 预测，网络处理器市场规模将由1 9 9 9 年 的 1 . 2 8 亿美元增长到 2 0 0 4 年的2 9 亿美元。 但是， 网络处理器的产品目前主要集中在其特殊的硬件平台和相关网络应用 的设备。 在硬件体系结构方面， 主要侧重于如何进行网络处理器的设计从而提高 数据处理速度， 包括硬件体系结构的研究、网络处理器的集成设计等。但是，对 于网络处理器应用开发方法和相关工具相对较少。 比如数据平面软件的开发通常 仅提供微代码汇编语言支持或有限的类c 语言， 这限制了网络处理器技术的应用 和发展，已经成为网络处理器应用的一大障碍， 因此本文论文所研究构建的针对 网络处理器特定硬件结构的软件平台， 并且提供相应的开发工具进行快速应用开 发就具有了十分重要的意义。 目 前操作系统的研究热点已不仅仅局限与传统操作系统的研究领域， 面向特 定领域的操作系统平台的设计与实现技术己成为当今操作系统研究的必然趋势。 木文所提出的的面向网络处理器的软件平台也可以看作是一种新型的操作系统 平台， 其中包括了像操作系统的开发工具， 高层编程接口， 线程调度， 存储分配， 编译支持等许多操作系统的核心问题，并且具有非常广阔的市场前景。 网络处理器的出现是网络设备开发的一次革命，它的发展势必对传统 a s i c 造成前所未有的冲击。 在今后几年里网络处理器将迅速得以 普及应用， 有着非常 巨大的发展空间。 因此， 如果面向网络处理器的操作系统平台能够1功进行产品 转化， 必将大大降低网络处理器的编程难度， 推进网络处理器的厂泛应用。网络 设备开发人员可以不用去了了解网络处理器底层复杂的硬件体系结构和指令系 统， 利用所提供的网络处理器操作系统平台， 可以非常方便的构建网络应用， 开 发网络设备。该产品其所能带来的经济效益也会是显而易见的。 1 . 2国内外研究现状 随着网络处理的发展， 国外有关网络处理器操作系统和开发环境方面己有很 多相关的研究，大部分网络处理器己经可以使用类 c语言进行开发，一些相关 的开发工具也得到了飞速发展，例如 i n t e l 针对 i x p系列网络处理器提供的集成 开发工具 wo r k b e n c h , v i o s o fr公司针对 a mc c 的n p 7 x x x系列网络处理器的 集成开发环境 a r r i b a 同时也出现了一些支持网络处理器运行的操作系统， 例 西北工业大学硕士毕业论文 第一章 绪论 如p r i n c e t o n 的v e r a 使用的s c o u t o s . 目 前国内的8 6 3 计划 s o c专项已将有关网络处理器硬件设计方面研发作为 一个重要项目。 中国科学院计算所等相关科研机构正在开展网 络处理器的设计和 基于网络处理器的网络设备的研发工作。 清华大学、 北京邮电大学、 上海交通大 学和成都电子科技大学也在网络处理器应用开发方面做了深入的研究， 例如清华 大学基于i x a架构对互联网的队列管理研究、 北京邮电大学开发的基于i x p i 2 0 0 处理器及应用程序接口的网络性能评估卡等。 1 . 3主要研究内容 针对网络处理器进行应用开发的复杂性和网络处理器硬件体系的异构性， 面 向网络处理器的软件平台正是研究如何向开发人员屏蔽不同硬件体系结构之间 的差异， 提供一种统一、 易用、 高效的网络处理器开发平台。 构建1 厄 向网络处理 器的系统级软件平台，我们认为有以下几个关键问题需要解决: ( i )硬件体系结构抽象 现在商业网络处理器已 经有3 0 个厂商超过5 0 0 个设计，这些网络处理器的 体系结构、内存及系统接口、开发语言都不尽相同。因此，必须能够对不同的网 络处理器体系结构进行抽象，提供应用开发人员一种统一的系统层面。 ( 2 )功能划分和调度策略 应用在处理器和线程上的功能划分以及调度策略是否合理是影响系统性能 的重要因素。 网络处理器操作系统必须根据具体应用功能特点， 不同数据处理相 关功能需求，自动分配任务处理器的所需资源， 并对网络处理器多个微引擎的并 行调度算法进行选择，以尽可能达到资源最大利用率和系统负载的平衡。 ( 3 )资源的管理和仲裁 网络处理器包含多种不同类型的共享资源，比如内存、发送缓冲区、总线， 特殊运算单元等， 因此操作系统必须能够根据应用类型选择不同的动态算法， 对 各种共享资源的使用进行调度和仲裁。 ( 4 )实时性支持 网络核心设备对于实时性有一定的要求， 因此， 在面向网络处理器的操作系 统必须进行实时优化， 并能够提供综合的实时技术支持， 以较好地满足各种实时 网络应用需要。 在构建面向网络处理器的操作系统研究中， 主要可以通过以下一些关键技术 来解决编程复杂性， 资源管理， 网络协 议扩展， 体系结构异构， 代码可移植性等 问题。 ( 1 )微组件技术 微组件 技术通过向开发人员 提供一系列编写好的代码单元， 由开发人员 利用 微组件米构成最终的应用系统。 通过为每个微组件的输入输出定义统一接口， 同 时采用有效的通信机制将各个微组件组织起来， 从而实现微组件的动态配置。 并 且可以根据网络应用类型的不同，构建相应的微组件来支持网络应旧的开发 ( 2 )高层描述 通过使用形式化的描述语言对网络应用功能进行描述，称为高层描述语言。 它是一个模块化、 特定领域的编程语言， 可以把网络应用划分为多个处理功能模 块， 并将控制平面和数据平面的功能统一起来， 对模块间的通信和同步进行描述， 西北工业大学硕士毕业论文 第一章 绪论 如p r i n c e t o n 的v e r a 使用的s c o u t o s . 目 前国内的8 6 3 计划 s o c专项已将有关网络处理器硬件设计方面研发作为 一个重要项目。 中国科学院计算所等相关科研机构正在开展网 络处理器的设计和 基于网络处理器的网络设备的研发工作。 清华大学、 北京邮电大学、 上海交通大 学和成都电子科技大学也在网络处理器应用开发方面做了深入的研究， 例如清华 大学基于i x a架构对互联网的队列管理研究、 北京邮电大学开发的基于i x p i 2 0 0 处理器及应用程序接口的网络性能评估卡等。 1 . 3主要研究内容 针对网络处理器进行应用开发的复杂性和网络处理器硬件体系的异构性， 面 向网络处理器的软件平台正是研究如何向开发人员屏蔽不同硬件体系结构之间 的差异， 提供一种统一、 易用、 高效的网络处理器开发平台。 构建1 厄 向网络处理 器的系统级软件平台，我们认为有以下几个关键问题需要解决: ( i )硬件体系结构抽象 现在商业网络处理器已 经有3 0 个厂商超过5 0 0 个设计，这些网络处理器的 体系结构、内存及系统接口、开发语言都不尽相同。因此，必须能够对不同的网 络处理器体系结构进行抽象，提供应用开发人员一种统一的系统层面。 ( 2 )功能划分和调度策略 应用在处理器和线程上的功能划分以及调度策略是否合理是影响系统性能 的重要因素。 网络处理器操作系统必须根据具体应用功能特点， 不同数据处理相 关功能需求，自动分配任务处理器的所需资源， 并对网络处理器多个微引擎的并 行调度算法进行选择，以尽可能达到资源最大利用率和系统负载的平衡。 ( 3 )资源的管理和仲裁 网络处理器包含多种不同类型的共享资源，比如内存、发送缓冲区、总线， 特殊运算单元等， 因此操作系统必须能够根据应用类型选择不同的动态算法， 对 各种共享资源的使用进行调度和仲裁。 ( 4 )实时性支持 网络核心设备对于实时性有一定的要求， 因此， 在面向网络处理器的操作系 统必须进行实时优化， 并能够提供综合的实时技术支持， 以较好地满足各种实时 网络应用需要。 在构建面向网络处理器的操作系统研究中， 主要可以通过以下一些关键技术 来解决编程复杂性， 资源管理， 网络协 议扩展， 体系结构异构， 代码可移植性等 问题。 ( 1 )微组件技术 微组件 技术通过向开发人员 提供一系列编写好的代码单元， 由开发人员 利用 微组件米构成最终的应用系统。 通过为每个微组件的输入输出定义统一接口， 同 时采用有效的通信机制将各个微组件组织起来， 从而实现微组件的动态配置。 并 且可以根据网络应用类型的不同，构建相应的微组件来支持网络应旧的开发 ( 2 )高层描述 通过使用形式化的描述语言对网络应用功能进行描述，称为高层描述语言。 它是一个模块化、 特定领域的编程语言， 可以把网络应用划分为多个处理功能模 块， 并将控制平面和数据平面的功能统一起来， 对模块间的通信和同步进行描述， 西北工业大学硕士毕业论文 第一章 绪论 并通过该描述来支持应用代码的实现。 ( 3 )编译支持 统一的网络应用高层描述语言需要编译系统的支持。 应用开发人员开发的应 用可以使用不同的编译器生成特定体系结构的实际代码。 针对网络处理器的异构 性的特点， 描述语言可以被翻译成一种中间代码， 并作为编译系统的输入。 编译 系统采用多级的设计思想， 有包含特定网络处理器配置信息的预编泽配置器， 针 对网络应用功能划分的流水线编译器和针对特定体系结构处理器单元的目标代 码编译器等。 ( 4 )运行支撑系统 运行支撑系统负责加载和执行目 标代码， 并在网络应用的执行中监测系统的 流量和功耗等， 使分配到各处理器上的资源满足系统性能，能源消耗的需求。 运 行支撑系统是面向网络处理器操作系统中是一个重要的支撑平台。 它在系统运行 中， 动态的管理着各种资源， 包括控制平面与数据平面的接口， 处理器和线程调 度， 任务的同步和通讯， 内存管理等等。 尽可能降低系统的开销也构建网 络处理 器运行支撑系统的主要目 标之一。 构建一个高效可用的网络处理器编程模型和软件开发平台需要综合这些技 术， 其中涉及了硬件抽象、高层编程接口、编译技术等核心问题，具有非常高的 研究价值。 本论文主要从软件平台设计， 编程模型结构和资源调度等三方面进行 研究。 1 . 4论文组织结构 木文第二章主要以工 n t e l 工 x p 2 4 x x 系列网络处理器为例， 介绍了网络处理器 软硬件体系结构。 第三章介绍了面向网络处理器的软件开发平台， 主要从编程模 型结构，高层描述语言， 代码生成器的设计等几个方面进行剖析。第四章讨论的 链路调度算法实际上作为组件， 属于面向网络处理器软件平台中的一部分， 木论 文集中讨论了紧急度的轮循 ( u r r)调度算法和起始时间优先的动态窗函数 ( s f q / d wc s ) 调度算法的设计思想和在网络处理器平台上的实现技术。 第五章 对整个研究工作进行了总结和展望。 西北工业大学硕士毕业论文 第一章 绪论 并通过该描述来支持应用代码的实现。 ( 3 )编译支持 统一的网络应用高层描述语言需要编译系统的支持。 应用开发人员开发的应 用可以使用不同的编译器生成特定体系结构的实际代码。 针对网络处理器的异构 性的特点， 描述语言可以被翻译成一种中间代码， 并作为编译系统的输入。 编译 系统采用多级的设计思想， 有包含特定网络处理器配置信息的预编泽配置器， 针 对网络应用功能划分的流水线编译器和针对特定体系结构处理器单元的目标代 码编译器等。 ( 4 )运行支撑系统 运行支撑系统负责加载和执行目 标代码， 并在网络应用的执行中监测系统的 流量和功耗等， 使分配到各处理器上的资源满足系统性能，能源消耗的需求。 运 行支撑系统是面向网络处理器操作系统中是一个重要的支撑平台。 它在系统运行 中， 动态的管理着各种资源， 包括控制平面与数据平面的接口， 处理器和线程调 度， 任务的同步和通讯， 内存管理等等。 尽可能降低系统的开销也构建网 络处理 器运行支撑系统的主要目 标之一。 构建一个高效可用的网络处理器编程模型和软件开发平台需要综合这些技 术， 其中涉及了硬件抽象、高层编程接口、编译技术等核心问题，具有非常高的 研究价值。 本论文主要从软件平台设计， 编程模型结构和资源调度等三方面进行 研究。 1 . 4论文组织结构 木文第二章主要以工 n t e l 工 x p 2 4 x x 系列网络处理器为例， 介绍了网络处理器 软硬件体系结构。 第三章介绍了面向网络处理器的软件开发平台， 主要从编程模 型结构，高层描述语言， 代码生成器的设计等几个方面进行剖析。第四章讨论的 链路调度算法实际上作为组件， 属于面向网络处理器软件平台中的一部分， 木论 文集中讨论了紧急度的轮循 ( u r r)调度算法和起始时间优先的动态窗函数 ( s f q / d wc s ) 调度算法的设计思想和在网络处理器平台上的实现技术。 第五章 对整个研究工作进行了总结和展望。 西北工业大学硕士毕业论文第二章 网络处理p , 软硬件休系结构 第二章 网络处理器软硬件体系结构 2 . 1 网络处理器的产生背景 高度复杂的 i n t e r n e t 环境给下一代网络方案提供商提出来挑战:如何来设计 新的产品支持多种服务满足用户的需求， 同时还要能跟上这个时间极其宝贵的市 场环境， 保证产品的生命周期。网络设备包括很大的范围， 从多服务交换机、 宽 带访问平台、w e b交换机到设计用于 2 / 3 层转发、协议转换、 服务质量( q u a l i t y o f s e r v ic e q o s ) 、 包过滤和防 火墙 ( f i l t e r i n g / f i r e w a l l i n g ) 、 虚 拟私有网 络 ( v p n ) , 负载均衡( l o a d b a l a n c i n g ) 、 远程监控和入侵检测的系统。 此外厂商设计产品支持 今天的多种服务要求它必须容易进行软件升机。 这个功能重要是因为它能添加新 的增值服务而不需要进行替换硬件，帮助延伸产品的生命期，减少拥有总成木。 现有的网络通讯设备主要有基于通用c p u 和 a s i c ( a p p l i c a t i o n s p e c i f i c i n t e g r a t e d c i r c u i t ) 两种类型。 基于通用c p u 的网 络通讯设备具备了易 于扩展和修 改的能力，但是它提供的性能不能满足现在高速网络的需求。基:_ ) 几 a s i c 的网络 通讯设备达到高性能的数据传输速度。 典型的 a s i c 在标准定义好以后需要1 2 个 月到1 8 个月的开发周期。虽然a s i c 提供子决速处理能力、经济性和节能性，但 它的灵活性跟不上网络协议和标准的快速改变。 一种新的类型的处理器可以解决这个问题: 通讯设备知道厂商将在软件上而 实现性能重要的包转发功能执行在特殊设计的可编程的网络处理器( n e t w o r k p r o c e s s o r s， n p s ) ， 而不是对每个交换 机、 路由 器或 w a n访问设 备都有一个 专门设计的 a s i c 。从而， 制造商将能通过修改网络处理器软件来添加、 扩展或 修改包处理功能而不是做既费时又昂贵的硬件修改。 网络处理器为网络提供者和网络设备提供者提供了一个解决问题的解决方 案，因此， 有潜力成为下一代企业和服务提供级别的交换机、 路由器、 访问控制 设备的主要承担者。 网络处理器是一种新型的c p u 类型， 专门用于满足网络交换 设备的需求、满足网络环境的要求而设计。传统的 c p u设计为数据的处理而设 计， 针对数据处理中访问存储器的局部性而进行优化。 它假定最近oh 问过的数据 可能将在不久的未来被再次访问，在传统的c p u中c a c h e被用来提高数据的访 问速度。 但是网络中处理的数据只流过处理器一次以后就再也不见了 ， 这样传统 的处理器就不适合于网络处理的环境。 网络处理器采用不同的方法， 它除了一般处理器的功能外一般包含若干个专 门处理数据包的高速智能接口， 即高速引擎。 这种高速引擎实际上糙一个专用的 微处理器， 具有自己的专用指令系统，能够对数据包进行简单的处理， 这样网络 处理器实际上是一个单片的多处理器系统。 网络处理器是可编程的， 其中的高速引擎根据指令对数据进行寸 1 描并管理数 据流。网络处理器中的核心处理器可以处理一些对时间要求较低的复杂的任务， 如确定路由多条线路之间的负载平衡以及解决冲突问题。 网络处理fit 既可用于线 卡的快速通路中类似于固定功能 a s i c ，又具有良 好的编程能力类似于通用 c p l 的功能 采用网络处理器的路由器在速度和可编程方面都有较好的性能， 采用高 性能的网络处理器是当前路由器的发展方向。 西北工业大学硕士毕业论文第二章 网络处理p , 软硬件休系结构 第二章 网络处理器软硬件体系结构 2 . 1 网络处理器的产生背景 高度复杂的 i n t e r n e t 环境给下一代网络方案提供商提出来挑战:如何来设计 新的产品支持多种服务满足用户的需求， 同时还要能跟上这个时间极其宝贵的市 场环境， 保证产品的生命周期。网络设备包括很大的范围， 从多服务交换机、 宽 带访问平台、w e b交换机到设计用于 2 / 3 层转发、协议转换、 服务质量( q u a l i t y o f s e r v ic e q o s ) 、 包过滤和防 火墙 ( f i l t e r i n g / f i r e w a l l i n g ) 、 虚 拟私有网 络 ( v p n ) , 负载均衡( l o a d b a l a n c i n g ) 、 远程监控和入侵检测的系统。 此外厂商设计产品支持 今天的多种服务要求它必须容易进行软件升机。 这个功能重要是因为它能添加新 的增值服务而不需要进行替换硬件，帮助延伸产品的生命期，减少拥有总成木。 现有的网络通讯设备主要有基于通用c p u 和 a s i c ( a p p l i c a t i o n s p e c i f i c i n t e g r a t e d c i r c u i t ) 两种类型。 基于通用c p u 的网 络通讯设备具备了易 于扩展和修 改的能力，但是它提供的性能不能满足现在高速网络的需求。基:_ ) 几 a s i c 的网络 通讯设备达到高性能的数据传输速度。 典型的 a s i c 在标准定义好以后需要1 2 个 月到1 8 个月的开发周期。虽然a s i c 提供子决速处理能力、经济性和节能性，但 它的灵活性跟不上网络协议和标准的快速改变。 一种新的类型的处理器可以解决这个问题: 通讯设备知道厂商将在软件上而 实现性能重要的包转发功能执行在特殊设计的可编程的网络处理器( n e t w o r k p r o c e s s o r s， n p s ) ， 而不是对每个交换 机、 路由 器或 w a n访问设 备都有一个 专门设计的 a s i c 。从而， 制造商将能通过修改网络处理器软件来添加、 扩展或 修改包处理功能而不是做既费时又昂贵的硬件修改。 网络处理器为网络提供者和网络设备提供者提供了一个解决问题的解决方 案，因此， 有潜力成为下一代企业和服务提供级别的交换机、 路由器、 访问控制 设备的主要承担者。 网络处理器是一种新型的c p u 类型， 专门用于满足网络交换 设备的需求、满足网络环境的要求而设计。传统的 c p u设计为数据的处理而设 计， 针对数据处理中访问存储器的局部性而进行优化。 它假定最近oh 问过的数据 可能将在不久的未来被再次访问，在传统的c p u中c a c h e被用来提高数据的访 问速度。 但是网络中处理的数据只流过处理器一次以后就再也不见了 ， 这样传统 的处理器就不适合于网络处理的环境。 网络处理器采用不同的方法， 它除了一般处理器的功能外一般包含若干个专 门处理数据包的高速智能接口， 即高速引擎。 这种高速引擎实际上糙一个专用的 微处理器， 具有自己的专用指令系统，能够对数据包进行简单的处理， 这样网络 处理器实际上是一个单片的多处理器系统。 网络处理器是可编程的， 其中的高速引擎根据指令对数据进行寸 1 描并管理数 据流。网络处理器中的核心处理器可以处理一些对时间要求较低的复杂的任务， 如确定路由多条线路之间的负载平衡以及解决冲突问题。 网络处理fit 既可用于线 卡的快速通路中类似于固定功能 a s i c ，又具有良 好的编程能力类似于通用 c p l 的功能 采用网络处理器的路由器在速度和可编程方面都有较好的性能， 采用高 性能的网络处理器是当前路由器的发展方向。 西北工业大学硕士毕业论文第- . v 网络处理7 ; 软硬件休系纬构 网络处理器的出现被认为是通信半导体工业发展的一场革命，它综合了 a s i c的高性能和通用处理器的可编程特性，为构建网络设备提供了完整统一的 解决方案， 大大缓解了长期困扰网络设备生产商的产品开发周期长的问题， 也克 服了当今局域网和广域网设备固有的灵活性差的缺陷。 网络处理器体系结构有很多共同的特点。 通常， 它具有硬件的多处理器单元 或线程。 最常见的情况是具有一个处理器核和多个协处理单元。 多个硬件单元可 以并行工作隐藏内存访问的延迟， 并行工作的模式可以组成一个包处理的流水结 构。 具有多层次的存储结构， 不同级别的存储器具有不同的访问速度。 从软件的 角度看， 根据运行在核心处理器和协处理器的不同硬件之上， 网络处理器运行的 软件分别称为成数据平面与控制平面。 很多c p u 厂商开发了自己功能的网络处理器，主要包括: ( i ) i n t e l : i n t e l 公司的网络处理器有 i x p 1 2 0 0 系列， i x p 2 4 0 0以及 i x p 2 8 0 0 等，木论文在下一节会详细介绍，这里不再赘述。 ( 2 ) i b m : i b m公司的网络器有两种型号:n p 4 g s 3和 n p 2 g 。它们采用的是 p o w e r p c 处理器。 其中n p 4 g s 3 有8 个双重协议处理器， 处理速度达4 g b / s ，可以 应用在速率为 o c - 4 8 的边缘或骨千网中。n p 2 g 的处理速度也有 2 g b / s o ( 3 ) c - p o r t ( m o t o r o l a ) : m o t o r o l a 公司的c - 5 处理器集成了 1 6 个 r i s c 芯 核， 3 2 个串接数据处理器， 可以执行第7 层以下的分组分类作业， 速度为5 g b / s o 它具有强大的处理能力、 标准的编程接口， 尤其在进行复杂的数据处理方面有很 大的优势。 ( 4 ) m m c : m m c 公司的网络处理器产品比较多， 有诸如n p 7 0 2 o , n p 7 l l o , n p 7 l 2 o , n p 7 1 5 0 等，其中比较典型的是集成了4 g b / s 交换结构的n p 3 4 0 0 ，它在第3 层进 行分组交换处理的速度达到 o c - 4 8 o m m c公司产品的一个特点就是性能价格比很 局 。 目前网络设备制造商己经开始尝到直接采用网络处理后获得的好处。 采用网 络处理器来处理分组交换的厂家，既有一直处于网络公司第一梯队的领先公司， 如c i s c o , n o r te l 和l u c e n t 等公司，也有不少后起之秀， 如a r r o w p o i n t 和z h o n e 等。由 此可见， 市场己 经接受了网络处理器所贡献给网 络设备的价值， 在网 络设 备中采用网络处理器的浪潮己经来临。 2 . 2典型网络处理器硬件结构 我们以i n t e l 的i x a架构为例介绍典型的网络处理器硬件结构。i x a是用于 i n t e l 用于i n t e r n e t 数据交换设备的处理器系统结构，它使得i n t e r n e t 设备由传统 的固定防议、 低效率走向具有软件升级功能的高效率可编程设备。 这个体系结构 结合应用服务处理器、网络处理器、交换引擎、 数据格式引擎和物理层器件，可 构成各种网络设备。i x a 是一套完整的网络设备解决方案?既包括软件，也包含 硬f t , 1- 要有:丁 。 t o 开发环境、丁 x p 2 4 0 0网络处理器、1 % 0处理 -. . l x t物f 4 ! 接口、工 x f 封装设备、工 x e 应用( 交换) 引擎等，如图 1 - 1 所示。h八的开发环境 是一个高性能、 具有灵活性和扩展性的硬件和软件系列产品开发平台， 使得开发 人员能够快速有效地开发出可升级的网络和通信系统。 西北工业大学硕士毕业论文 第二幸隔络处理器软硬件体系结构 网络处理嚣的出现被认为是通信半导体工业发展的一场革命，它综合了 a s i c 的高性能和通用处理器的可编程特性，为构建网络设备提供了完整统一的 解决方案，大大缓解了长期困扰网络设备生产商的产品开发周期长的问题，也克 服了当今局域网和广域网设备固有的灵活性差的缺陷。 网络处理器体系结构有很多共同的特点。通常，它具有硬件的多处理器单元 或线程。最常见的情况是具有一个处理器核和多个协处理单元。多个硬件单元可 以并行工作隐藏内存访问的延迟，并行工作的模式可以组成一个包处理的流水结 构。具有多层次的存储结构，不同级别的存储器具有不同的访问速度。从软件的 角度看，根据运行在核心处理器和协处理器的不同硬件之上。网络处理器运行的 软件分别称为成数据平面与控制平面。 很多c p u 厂商开发了自己功能的网络处理器，主要包括： ( 1 ) i n t e l ：i n t e l 公司的网络处理器有i x p l 2 0 0 系列，i x p 2 4 0 0 以及i x p 2 8 0 0 等，本论文在下一节会详细介绍，这里不再赘述。 ( 2 ) i b m ：i b m 公司的网络器有两种型号：n p 4 g s 3 和n p 2 g 。它们采用的是 p o w e r p c 处理器。其中n p 4 g s 3 有8 个双重协议处理器，处理速度达4 g b s ，可以 应用在速率为0 c - 4 8 的边缘或骨干网中。n p 2 g 的处理速度也有2 g b s 。 ( 3 ) c p o r t ( m o t o r o l a ) ：m o t o r o l a 公司的c 一5 处理器集成了1 6 个r i s c 芯 核，3 2 个串接数据处理器，可以执行第7 层以下的分组分类作业，述度为5 g b s 。 它具有强大的处理能力、标准的编程接口，尤其在进行复杂的数据处理方面有很 大的优势。 ( 4 ) m m c ：m m c 公司的网络处理器产品比较多，有诸如n p t 0 2 0 、n p 7 1 1 0 、n p 7 1 2 0 、 n p 7 1 5 0 等，其中比较典型的是集成了4 g b s 交换结构的n p 3 4 0 0 ，它在第3 层进 行分组交换处理的速度达到o c 一4 8 。m m c 公司产品的一个特点就是性能价格比很 高。 目前网络设备制造商已经开始尝到直接采用网络处理后获得的好处。采用网 络处理器来处理分组交换的厂家，既有一直处于网络公司第一梯队的领先公司， 如c i s c o 、n o r t e l 和l u c e n t 等公司，也有不少后起之秀，如a r r o w p o i n t 和z h o n e 等。由此可见，市场已经接受了网络处理器所贡献给网络设备的价值，在网络设 备中采用网络处理器的浪潮已经来临。 2 2 典型网络处理器硬件结构 我们以i n t e l 的i x a 架构为例介绍典型的网络处理器硬件结构。 x a 是用于 i n t e l 用于i n t e m e t 数据交换设备的处理器系统结构，它使得i n t e r n e t 设备由传统 的固定协议、低效率走向具有软件升级功能的高效率可编程设备。这个体系结构 结合应用服务处理器、网络处理器、交换引擎、数据格式引擎和物j ：咀层器件，可 构成各种网络设备。i x a 是套完整的网络设备解决方案既包括软件也包含 硬什卜要有：t n t 0 1 开发环境、i x p 2 4 0 0 网络处碑器、i 0 处王e ! 撩、l x t 物硎 接口、i k f 封装设备、i k e 应用( 交换) 9 1 擎等，如图卜l 所示。i x 的开发环境 是一个高性能、具有灵活性和扩展性的硬件和软件系列产品开发平台，使得开发 人员能够快速有效地开发出可升级的网络和通信系统。 西北工业大学硕士毕业论文第二章网络处理器软硬件体系结构 应用胀务 处理描 哑处理 器c 1 x p ) 交换引