| 摘要：隨著因特網(wǎng)的高速發(fā)展,能夠以線速處理網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)并提供服務(wù)質(zhì)量（QoS）的網(wǎng)絡(luò)處理器逐漸成為新一代網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的核心。結(jié)合對IP網(wǎng)絡(luò)QoS的簡單介紹,論述了網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)和功能,分析了其在路由器中的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：服務(wù)質(zhì)量 網(wǎng)絡(luò)微處理器 可編程狀機(jī)技術(shù) 協(xié)處理器 路由器 1 在IP網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)QoS的必要性 QoS（Quality of Service）是網(wǎng)絡(luò)使用各種技術(shù),為選定的傳輸量提供更好的服務(wù)。QoS的主要目的包括保護(hù)足夠的帶寬,可控制抖動和延遲（為一些實(shí)時和交互式的傳輸量）及改良的丟包特性。 傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)一個盡力而為（Best Effort）的系統(tǒng),既不能保證分組傳輸?shù)募皶r性,也不能保護(hù)分組的時間序列性-這是因?yàn)樗P(guān)注向哪里發(fā)送分組,而較少注意發(fā)送分組的時間。但是,隨著網(wǎng)絡(luò)多媒體的應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)上PC數(shù)量的爆炸式增長,提出許多新要求：企業(yè)的IP intranet和商業(yè)IP骨干網(wǎng)應(yīng)在端到端的行為上具有更高的可預(yù)測性;中級和頂級IP骨干網(wǎng)的ISP也需要在其廣域IP網(wǎng)絡(luò)上提供可預(yù)測的并有保證的服務(wù);由于帶寬不是無限的,傳統(tǒng)的解決方法-“網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時就增加帶寬”也變得不再實(shí)用。因此,通過對網(wǎng)絡(luò)資源的合理分配來滿足各種業(yè)務(wù)需求的QoS控制機(jī)制已成為IP網(wǎng)絡(luò)的迫切要求,也是多業(yè)務(wù)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。 2 路由器如何提供QoS 為實(shí)現(xiàn)QoS,除了轉(zhuǎn)發(fā)分組到正確的下一跳之外,路由器必須實(shí)現(xiàn)分類、排除和調(diào)度功能以提供不同的轉(zhuǎn)發(fā)特性。分組分類階段建立一個分組在隨后的路由器中被處理的上下文（context）,用于建立瞬時處理特性（管制、標(biāo)記、排隊和調(diào)度）。對于現(xiàn)有的IP網(wǎng)絡(luò),通常采用MF分類。典型的MF分類器要求分類關(guān)鍵字覆蓋標(biāo)識特定終端的源和目的IP地址。當(dāng)分組通過路由器時,將檢查地址、協(xié)議和端口號多達(dá)104比特。 3 網(wǎng)絡(luò)微處理器 網(wǎng)絡(luò)微處理器是對網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行高效快速處理的專用微處理器,主要功能是對網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分組提供高效快速的處理以及QoS功能的實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)處理功能模塊位于物理層和轉(zhuǎn)換功能之間,主要完成對分組的成幀和驗(yàn)證、分類、修正、加密以及排隊的功能。如圖1所示。 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的巨大市場吸引了包括Intel、Vitesse、IBM、Solidum等眾多世界頂級集成電路生產(chǎn)廠家。在目前領(lǐng)先的十幾家網(wǎng)絡(luò)處理器供應(yīng)商中,沒有哪兩家的產(chǎn)品是完全一樣的。有些供應(yīng)商主要針對局域網(wǎng)或邊緣配置,另一些則傾向于主干網(wǎng)或廣域網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)處理器的類型也很多,因此定義網(wǎng)絡(luò)處理器比定義存儲器、PLD這樣的半導(dǎo)體產(chǎn)品更加復(fù)雜。本文采用廣義的網(wǎng)絡(luò)定義,即包括可以完成全部或部分網(wǎng)絡(luò)處理功能的專用處理器。
目前各種NPU的體系結(jié)構(gòu)可分為4種類型： （1）嵌入式RISC 使用常用的可編程RISC（Reduced Instruction Set Computers）,RISC機(jī)每秒可執(zhí)行一定數(shù)目的指令。但是RISC機(jī)的核心-基于控制器是一個硬件編碼（hard-coded）狀態(tài)機(jī)。該狀態(tài)機(jī)的功能一般是為了更方便地獲取和執(zhí)行指令,而不是直接執(zhí)行分類功能,因此效率不高。其代表產(chǎn)品是Intel公司的“IXP1200網(wǎng)絡(luò)微處理器”,主要用于硬件路由器的智能切換處理以及頻帶控制等的QoS處理。 （2）大規(guī)模并行處理 大規(guī)模并行處理體系在處理大量相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)時非常有效,但它的價格較高,硬件設(shè)計的靈活性和軟件設(shè)計的可編程性不高。另外,在對多個數(shù)據(jù)分組進(jìn)行并行處理時,會丟掉隊分組間關(guān)聯(lián)狀態(tài)的分析。 （3）基于CAN 以CAN為基礎(chǔ)的體系結(jié)構(gòu)是目前市場上流行、較為便宜的一種解決方案。CAN包含了一個巨大的、可快速查找的數(shù)據(jù)表。CAM的內(nèi)容描述了將被查找數(shù)據(jù)的位模式,分類需查看分組中的n比特,可能的位模式為2n。但由于實(shí)際上許多組合是不存在的,因此CAN只需存儲可能的位模式的一部分。例如在簡單分類中n=64,則可能的位模式可達(dá)2 64(2×10 19),而實(shí)際需要的CAN也許只要1M比特。但在下一代Internet上,為分組和應(yīng)用服務(wù)提供QoS,需要檢測分組中的128～256比特,即有2 128～256種組合,這就需要很多的CAM。典型的產(chǎn)品如Sibercore公司的SiberCAM TM Ultera2M,它以一個專用先進(jìn)的三態(tài)CAN結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),可用于幾千兆/兆兆的路由器和多層次的企業(yè)交換器。Ultra-2M通過使用掩碼來降低位模式的存儲量,最多可使數(shù)據(jù)項由原來的2 n個降到2（n-1）個,解決了多比特分類對CAM容量的要求。有較強(qiáng)的自學(xué)習(xí)功能,但在可編程性上還有特改進(jìn)。
（4）可編程狀態(tài)機(jī)（Programmable State Machine） 傳統(tǒng)的PSM技術(shù)存在的問題是：其策略由狀態(tài)樹（state tree）描繪,當(dāng)策略必須深入檢查分組的k比特時,狀態(tài)樹將會有2 k-1個葉子,當(dāng)k比較大時（而這又是實(shí)現(xiàn)QoS的必然要求）,對存儲器的要求將不能被滿足。對此,Solidum公司推出以狀態(tài)圖（state graph）代替狀態(tài)樹對策略（policy）進(jìn)行描述的解決方案,并通過一系列應(yīng)用程序?qū)Υ鎯ζ鬟M(jìn)行最優(yōu)化,結(jié)果可使一個復(fù)雜的策略在協(xié)議應(yīng)用層只占用512K的RAM。代表產(chǎn)品是去年上市的PAX.port 1100分類器,使用增強(qiáng)型PSM體系結(jié)構(gòu),由一個與存儲器結(jié)構(gòu)相連接的高引擎組成,可以用線速識別和標(biāo)記分組。值得一提的是,PAX.port 1100有一套專門的軟件開發(fā)工具PAX.works,這是一套提供開發(fā)運(yùn)行環(huán)境的軟件,可使用PAX PLD創(chuàng)建PAX.port 1100分類器的策略存儲器的內(nèi)容。PAX PDL是第四代語言,與C語言類似�？梢哉f,在各種類型的微處理器中,PAX.port 1100在可編程上占有優(yōu)勢。 4 網(wǎng)絡(luò)微處理器的應(yīng)用 網(wǎng)絡(luò)處理器可用于WAN邊緣設(shè)備、DiffServ路由器、協(xié)議分析器、VOIP網(wǎng)關(guān)和防火墻等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上。以路由器為例,圖2是一個典型的分布式交換網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。 其中,每一個line card的結(jié)構(gòu)如圖3所示。 表1比較了在不同的應(yīng)用中,如防火墻、虛擬專用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（VPN）、VOIP（Voice over IP）網(wǎng)關(guān)、層間交換L（n）SW(Layer N Switches)、SeNIC(Security Network Interface Cards)和cable HE(Head end Equipment)等處理功能所占的帶寬百分比。
表1 各處理功能所占的帶寬比例 |
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