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採用網路協處理器技術提高網路系統對數據流量的控制能力

上網時間: 2002年06月15日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:Network Search Engine(NSE)  網路搜索引擎  communication design  通訊設計  network processor 

隨著數據流量的增加,網路的數據率也迅速提高。客戶要求以持續不變的線速提供複雜的業務和傳輸流管理功能,如虛擬專用網(VPN)和即時音頻及視頻流這樣的業務,需要對不同的傳輸流類型進行QoS管理,這無疑將增加網路處理器的負擔,本文介紹的網路協處理器及網路搜索引擎技術能夠解決上述問題。

傳統的網路處理器解決方案,包括交換結構均在單晶片上實現。現在這些獨立單元已拆分為多個處理器和協處理器,而眾多的開發商則專注於為特定功能部份提供解決方案,這些解決方案綜合考慮了處理速率、成本、可配置性及產品上市周期等因素。

網路處理功能可藉由採用速率較高,但可置配性較差、產品上市周期較長的專用ASIC實現,也可採用具有較短產品上市周期和較高靈活度的可程式網路處理單元(NPU)實現。還有一些設計工程師則綜合了這兩種技術,利用NPU處理複雜的QoS、安全和異常任務處理,利用ASIC處理高速數據通道。

當前網路處理器面臨的挑戰

NPU處理速率提高的速度低於數據率的成長,這已成為網路處理當前面臨的主要難題。網際網路傳輸流的平均頻寬每6至9個月就將增加一倍,而NPU則仍然遵循摩爾定律,即處理器性能每18個月成長一倍。

在大都市和中心地區,隨著數據流複雜度的增加,網路的數據率也迅速提高。目前客戶要求以持續不變的線速提供複雜的業務和傳輸流管理功能,如虛擬專用網(VPN)和即時音頻及視頻流這樣的業務需要對不同的傳輸流類型進行QoS管理。這無疑將增加網路處理器的負擔,因為這些複雜業務需要佔用大量的系統資源。

當前網路面臨的另一挑戰是:匯集點的總頻寬通常是出口點頻寬的2至12倍。服務提供商不可能滿足這種要求,因此這種情況要求網路處理能對傳輸流設定優先級並確保QoS。

解決這些挑戰的傳統方法

以前,數據包處理需借助執行於通用處理器上的軟體完成。當數據率的增加使得常規處理器解決方法不能滿足數據處理要求時,專用網路處理器應運而生。現在,網路處理解決方案綜合了完全可程式的NPU、專用協處理器和用於高速作業的ASIC。

傳統上可由NPU處理的任務包括:

  1. 根據優先級對每個數據包進行分類;

  2. 根據分類決定丟棄或發送哪些數據包;

  3. 將其它協議下的數據流轉化為IP數據流;

  4. 採集記費數據;

  5. 支援安全應用,如虛擬專網(VPN);

  6. 業務監管、業務提供和用戶管理,以加強業務等級協定(SLA)。

為了實現上述功能,NPU必須對每個以線速藉由的數據包進行檢查,並設定優先級。採用‘線速處理’意味著可在輸入數據包的最後一位進入系統之前,決定為出口隊列分配某數據包或丟棄某數據包。此外,數據包還必須能以物理鏈接允許的最大速率發送。

協處理器和網路搜索引擎(NSE) 的作用

可程式網路處理器能實現完全可程式的解決方案,設計工程師在開發中有較大的靈活度,還能有效地按單個標準進行編碼。然而,NPU的處理能力畢竟有限,尤其是處理複雜業務時可能難以應對,這時協處理器能有效地解決這些問題。

計算量大的處理將極大地增加網路處理器負擔並降低數據吞吐量,如數據包分類、QoS和處理OC-48這些業務,網路處理器即便不處理其它業務,都難以滿足對處理速度的要求。

專用協處理器執行其專項功能的速率很快,但其可配置性比網路處理器差。協處理器可在特定的任務中減輕NPU的負載,從而使NPU滿足系統的速率要求。大多數用戶在設計中會採用NPU和協處理器混合結構,以滿足性能和靈活度的要求。

網路處理結構的特徵

在傳統的集中數據包轉發結構中,大多數處理是藉由NPU、FPGA和ASIC的組合用軟體來實現的。系統中的用戶卡主要用作數據包轉發單元,而大量的處理工作則通常在交換結構中完成。由於交換結構處理能力必須與藉由該結構的數據速率相適應,該解決方案無法滿足更高處理速率的要求。

在一些更新的結構,如分佈式數據包處理中,每個用戶卡均實現路由器功能,而交換結構藉由最佳化,有利於數據包在用戶卡中無阻塞傳輸。由於交換結構將不再成為瓶頸,這樣的結構更易於擴展。

隨著網路底層結構複雜度和速率的增加,快速靈活的網路搜索功能正成為系統成功設計的必要條件。新一代產品要求增加業務處理的‘智慧化’,即根據數據包的第3和第4層,或更深層提供的資訊進行決策。

網路搜索引擎

分類引擎需要採用NSE或三進制內容尋址記憶體(TCAM)。NSE有助於設計工程師突破轉發查詢表資訊及其它複雜分類決策的瓶頸。NSE可儲存0、1和X三種狀態,而不像傳統的二進制內容尋址記憶體 (CAM)只能儲存0和1兩種狀態。

評價NSE性能必須考慮搜索深度、記錄數目和可用時間三個因素。搜索深度與應用和業務的數目成正比;搜索的記錄數目則隨網路延伸擴展呈指數增加,隨著網路速率的提高,每次搜索的時間也將相應減少。

分類引擎

根據預先規定的準則對數據包進行分類的功能對於提供複雜的增值業務,如安全、QoS、負載均衡及傳輸流統計尤為重要,分類引擎可減輕NPU分類數據包的負擔。其工作過程如下:

  1. NPU從數據通道中獲取需要分類的數據包並將其儲存在緩衝器中;

  2. 分類引擎從緩衝器中獲取數據包並加以分類,然後將該數據包及相關數據返回緩衝器,並通知NPU作業已完成;

  3. NPU從緩衝器中獲得該數據包和分類數據,並進行相應的處理。

安全處理器

很多網路要求安全可靠的通訊應用,如VPN和電子商務。由於安全處理將極大地增加網路處理器的負擔,因此,很多網路都在網路處理器附近增加安全協處理器,以減輕安全處理負擔,使網路處理器能專注於實現QoS和其它必需的功能。

在單塊插板上由多個加密處理器組成的加密組件也可用來執行安全處理任務。該插板可與常規線路板黏著在同一機架中,並為系統提供安全處理功能。

帶有協處理器的系統結構

使用協處理器的結構(如上述結構)均可採用旁側模式(look-aside),即協處理器在NPU附近,而不在數據通道中。這有利於數據包協同處理跟網路處理器的作業以增加總的數據流量,而且後備模式不接收所有藉由NPU的數據包的全部負載。後備模式的不足之處在於,它使設計更為複雜並增加系統的延時。

流線結構(steaming)中,數據通道中既包含NPU,又包含協處理器。由於每個數據包都將藉由協處理器,因此協處理器將對這些數據包進行處理並直接發送到NPU,而不會產生任何延遲。流線結構要求協處理器必須以線速連續處理數據包,否則協處理器將不能完全處理這些數據而導致包丟失。

採用網路處理器和協處理器的MPLS應用示例

多協議標簽交換(MPLS)是IP網路的一種優化的交換技術,可與ATM、幀中繼等協同使用。在MPLS中,IP數據包一旦進入MPLS部份,將加入Layer 2路由標簽,然後根據標簽進行轉發。MPLS的目的是要網際網路提供較小的等待時間和較高的頻寬,並對通訊流量進行有效的控制,並使骨幹網可擴展。

為了能在路由器內完全實現MPLS功能,需要三個不同的查詢表來滿足三種可能的處理。由於每個記錄都有自己用來路由匯集的掩碼,標簽交換路由器(LSR)決策表可能很大而且搜索算法複雜。由於在每個點到點之間會定義LSR來實現MPLS部份的QoS和服務等級(CoS),MPLS路由表也會有很大數量的記錄。

查詢表要求MPLS路由可採用網路處理器單獨實現,如圖1所示;也可採用網路協處理器實現,如圖2所示。

圖2給出了一個藉由網路搜索引擎與網路處理器結合或與標準RISC微控制器結合實現的高性價比解決方案,網路搜索引擎控制器可以是定製的ASIC或Cypress專用搜索引擎控制器。

網路搜索引擎可藉由適當配置,保証設計所需的多個路由表。由於可以動態修改配置,因此相同的設計既適用於MPLS邊緣路由器,又適用於MPLS網路中的路由器。

採用網路協處理器實現搜索引擎的好處在於協處理器具有較低的時脈速率、較低的RAM需求以及較短的產品上市周期。網路搜索引擎完成路由表查詢,因此可以使用較低的時脈速率。路由表儲存在網路搜索引擎中,其效率明顯優於相關的SSRAM技術,因而可以採用較小的SSRAM模組。網路搜索引擎不需要開發複雜的軟體算法,從而縮短了產品上市周期。

作者:Michael Timothy Moore





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