網(wǎng)絡(luò)處理單元（NPU）的結(jié)構(gòu)問題
網(wǎng)絡(luò)處理器和中央處理單元（CPU）不同。網(wǎng)絡(luò)處理器需要對(duì)它所需要進(jìn)行處理自行抽象提取。它必須能夠識(shí)別字段（field）,分組(packet),和數(shù)據(jù)流(flow)。它必須對(duì)于它所需要進(jìn)行的處理功能,例如：語(yǔ)法分析,編輯,搜尋,和調(diào)度等,具有特殊的運(yùn)算能力。
在程序編制模型方面,網(wǎng)絡(luò)處理器和CPU并沒有根本的不同：它也是一個(gè)可以儲(chǔ)存程序的微編碼機(jī)。但是在數(shù)據(jù)的模型方面則有很大的區(qū)別。NPU處理的是一種恒定的連續(xù)數(shù)據(jù)流（一種數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)）,因此不需要將數(shù)據(jù)從一個(gè)大容量存儲(chǔ)器中移進(jìn)移出。如上所述,網(wǎng)絡(luò)處理器為了滿足一定的數(shù)據(jù)速率,絕對(duì)地需要并行處理,或流水線（pipelined）結(jié)構(gòu),或者兩種方式同時(shí)都需要采用。
另一個(gè)問題是網(wǎng)絡(luò)處理器的可編程性能。一個(gè)極端是使它具有最大的可編程性,因而使它具有最大的靈活性,也可以在最大程度上適應(yīng)未來(lái)的發(fā)展變化（即使它可以通過新開發(fā)的軟件使系統(tǒng)改變或升級(jí),而不是當(dāng)要求改變系統(tǒng)時(shí)就更新硬件）。這種方式的缺點(diǎn)是,為了完成一項(xiàng)作業(yè)需要執(zhí)行許多個(gè)指令,因而可能導(dǎo)致缺乏凈空（headroom）。
另一種折衷方式,稱為“適當(dāng)程度的可編程性”。這種方式提供一定程度的可編程性以適應(yīng)變化的需要,或者說(shuō)使處理器具有一定的靈活性。但是它不能適應(yīng)完全的重新編程的需要。和RISC型的CPU類似（RISC采用簡(jiǎn)約的有效指令集,以提高CPU速度）;而NPU則通過提供適當(dāng)?shù)目删幊绦?使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠犧牲某些靈活性,去提高運(yùn)行速度,換取更多的性能凈空。
對(duì)于運(yùn)行在載體網(wǎng)絡(luò)核心的交換機(jī)和路由器,速度的要求高于一切。這些在網(wǎng)際間工作的裝置,不需要進(jìn)行復(fù)雜的分組處理功能,只是要求將分組以最大的線速度向前傳送。與此相反,在企業(yè)網(wǎng)的邊沿,線速度明顯地比較低,而交換機(jī)對(duì)分組的處理能力卻要求相當(dāng)?shù)母�。例�?對(duì)于多協(xié)議標(biāo)記交換機(jī),它處于網(wǎng)絡(luò)的邊沿,需要對(duì)某些數(shù)據(jù)流進(jìn)行識(shí)別并相應(yīng)地對(duì)某些分組予以標(biāo)記。
交換機(jī)的設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)這些不同的要求,以及交換機(jī)所處的位置,為預(yù)計(jì)在企業(yè)網(wǎng)邊沿使用的交換機(jī)選擇可以充分編程的NPU。而對(duì)于將應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)核心部位的交換機(jī),則應(yīng)該選擇編程能力有限,但是具有較高速度的NPU。
網(wǎng)絡(luò)處理器的實(shí)現(xiàn)方式
網(wǎng)絡(luò)處理器的實(shí)現(xiàn)方式大體上可以分為三種。一種是采用專用的ASIC或FPGA（后者往往功能不夠完整,或者性能不夠理想）。這種方式就是依靠“硬件”的方式,它具有最高的性能,但是靈活性也最差（因?yàn)樵O(shè)計(jì)決策是熔制在硅的體內(nèi)）。此外,ASIC的開發(fā)過程比較長(zhǎng),一次性的、不可重復(fù)使用的投入的費(fèi)用也比較高。
另一種方式是將許多個(gè)RISC CPU做在一塊芯片上,采用對(duì)稱多重處理的運(yùn)行方式（使用微編碼將通用CPU轉(zhuǎn)變成為專用的網(wǎng)絡(luò)處理器）。這種實(shí)現(xiàn)方式,由于NPU的一切行為幾乎都是通過軟件實(shí)現(xiàn)的,因此靈活性最高。這種方式所需要的開發(fā)時(shí)間比較短,它展現(xiàn)在設(shè)計(jì)人員面前的形象是設(shè)計(jì)人員十分熟悉的編程模型。然而,隨著軟件復(fù)雜性的增加,這種方式的費(fèi)用也在增長(zhǎng)。由于嚴(yán)重地依賴軟件,這種方式實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng),與采用專用ASIC實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)相比性能較差,所消耗的功率也較多。
介乎上述二者之間的一種實(shí)現(xiàn)方式是流水線方式,它采用一些具有不同功能的專用處理器,組成“裝配線”型式的數(shù)據(jù)流構(gòu)造。采用流水線方式實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng),性能接近用ASIC實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng),而在編程的靈活性方面又和多處理器實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)相差不多。
衡量NPU技術(shù)水平的尺度
設(shè)計(jì)人員十分關(guān)心的一個(gè)問題是技術(shù)水平。衡量技術(shù)水平,可以從幾個(gè)不同的層次加以分析。
* 在芯片層次,人們關(guān)心的問題是：在一個(gè)芯片上究竟可以容納多大的處理能力？根據(jù)當(dāng)前的技術(shù)水準(zhǔn),在一個(gè)芯片上可以做成10G位/秒的NPU。
* 在線路卡（line-card）層次,問題在于：一張線路卡可以安置多少塊芯片？同樣重要的是：使用一個(gè)小型交換結(jié)構(gòu)或一個(gè)共用的總線,究竟可以將多少塊芯片放在一個(gè)線路卡上,正常地并行運(yùn)行？現(xiàn)在看來(lái),可以在一張卡上安置足夠的處理能力,使之達(dá)到100G位/秒的傳輸要求。
* 在機(jī)架或機(jī)箱層次,問題在于,一個(gè)機(jī)架或機(jī)箱,通過一個(gè)交換結(jié)構(gòu)可以容納多少?gòu)埦�路卡進(jìn)行信息傳遞？現(xiàn)在看來(lái)一個(gè)機(jī)架實(shí)現(xiàn)數(shù)太拉（1012）位的傳輸能力是可能的。
* 在機(jī)房層次,問題在于,究竟多大規(guī)模的機(jī)架簇群可以連接在一起仍然能夠進(jìn)行有效的通信？目前在這個(gè)層次上,還沒有把握說(shuō)清楚,但是一些新建的機(jī)房已經(jīng)把目標(biāo)瞄準(zhǔn)在數(shù)拍它（1015）帶寬的水平。
評(píng)價(jià)一個(gè)NPU不能只看單個(gè)NPU的工作能力,還要看它的互操作性。一個(gè)10G位/秒的NPU,并不一定比一個(gè)9G位/秒的NPU優(yōu)越。它還決定于互操作性：如果9G位/秒的NPU,能夠十分容易地和其它的NPU連接在一起,實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)得多的交換能力,那么選用它,不失為明智的選擇。
設(shè)計(jì)人員如何才能發(fā)揮多處理器的優(yōu)勢(shì)？不論是并行結(jié)構(gòu)或者是串行結(jié)構(gòu),都可以采用;也可以采用混合結(jié)構(gòu),即串-并排列的結(jié)構(gòu)。重要的問題在于需要考慮：負(fù)荷的平衡（注意不使任何一個(gè)NPU超載）;作業(yè)的劃分;保持分組流的順序不亂;維持服務(wù)質(zhì)量;以及對(duì)NPU之間通信業(yè)務(wù)量的控制。
衡量NPU性能的指標(biāo)
如何正確地評(píng)估不同的NPU？關(guān)鍵的指標(biāo)之一是：處理分組的速度（即每秒處理多少百萬(wàn)個(gè)分組或稱為Mpps）。另一個(gè)指標(biāo)是：在一定的分組傳遞速率下,處理每個(gè)分組時(shí),允許進(jìn)行的查表次數(shù)（一般每處理一個(gè)分組允許進(jìn)行2次查表）。當(dāng)然在進(jìn)行處理時(shí)可以利用的存儲(chǔ)器的規(guī)模也是一項(xiàng)重要指標(biāo)。此外,及時(shí)不斷的提高速度也是十分重要的。許多處理策略也需要進(jìn)行周期性的更新。有些NPU具有能以很高的速度向前傳送的性能,但是更新處理策略,或更改某些參數(shù)時(shí),卻需要耗用數(shù)毫秒,甚至數(shù)秒的時(shí)間才能完成。比較理想的NPU,更新策略,更改參數(shù)的時(shí)間最好在數(shù)微秒的時(shí)間范圍內(nèi);這一點(diǎn)對(duì)于用在路由頻繁跳變的場(chǎng)合特別重要。
“凈空”也是需要的。凈空可以看作是在保持線傳送速度不降低的情況下,可能增加的處理功能（或可能增加的處理復(fù)雜問題的能力）;處理復(fù)雜問題的能力（即在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi),用一個(gè)指令,包括轉(zhuǎn)移這樣的控制指令,可以完成多少處理功能）是另一重要的事項(xiàng)。
設(shè)計(jì)人員應(yīng)該考慮的其它問題還有：等待時(shí)間,排隊(duì)和調(diào)度的效率,分組存儲(chǔ)（以及分段）的效率,在硅體內(nèi)多重熔制的效率,芯片的大小,以及這些問題對(duì)于總體系統(tǒng)的影響（包括對(duì)于消耗功率和成本的影響）等等。
發(fā)展趨勢(shì)
隨著設(shè)計(jì)人員逐漸習(xí)慣于使用NPU進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì),幾種時(shí)尚可能會(huì)流行。下面列出今后幾年將會(huì)出現(xiàn)的趨向。
* 今日的系統(tǒng)設(shè)計(jì)越來(lái)越趨向于從眾多的制造商那里采購(gòu)ASIC和IC。這些芯片中有許多都是各廠商自家獨(dú)有的產(chǎn)品,與它們相關(guān)聯(lián)的軟件也都是各廠商自行開發(fā)的。它們之間往往缺乏互操作性。預(yù)計(jì)今后幾年設(shè)計(jì)人員會(huì)越來(lái)越對(duì)商品化的IC感興趣,并且NPU的發(fā)展毫無(wú)疑問將會(huì)進(jìn)一步助長(zhǎng)這種傾向的發(fā)展。在硬件方面的發(fā)展趨勢(shì)是越來(lái)越多地采用現(xiàn)成的商品IC,軟件也在朝這個(gè)方向發(fā)展,例如一些專門的協(xié)議棧開發(fā)商正在提供越來(lái)越多的商品軟件部件。以這些ASIC和IC,以及商品軟件部件為基礎(chǔ)的增值服務(wù)業(yè)務(wù)也將會(huì)發(fā)展,并且可能成為交換機(jī)供應(yīng)商引以為榮的特點(diǎn)和具有真正競(jìng)爭(zhēng)力的象征。
* 在市場(chǎng)范圍內(nèi),操作系統(tǒng)的供應(yīng)商將會(huì)趨向聯(lián)合和統(tǒng)一,設(shè)計(jì)人員采用標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)的可能性會(huì)越來(lái)越大。
* 從長(zhǎng)遠(yuǎn)看,可能會(huì)出現(xiàn)一系列標(biāo)準(zhǔn)的硬件平臺(tái),例如標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)架,標(biāo)準(zhǔn)的背板等。設(shè)計(jì)人員可能會(huì)從許多廠商中選擇一種線卡,買來(lái)插入標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架。
* 在軟件方面,可能會(huì)出現(xiàn)一些標(biāo)準(zhǔn)的軟件集（操作系統(tǒng),協(xié)議軟件棧,管理控制軟件等）。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將利用這些即插即用的部件組成系統(tǒng),并且增加一些可以提供不同服務(wù)內(nèi)容的線卡。
如果這些趨向成為現(xiàn)實(shí),標(biāo)準(zhǔn)接口問題將會(huì)成為十分重要的課題。例如,為了開發(fā)一種以太網(wǎng)的線卡,設(shè)計(jì)人員可能會(huì)選擇一種物理層（PHY）芯片、MAC芯片、網(wǎng)絡(luò)處理器以及并串/串并轉(zhuǎn)換器等（參看附圖）來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)業(yè)務(wù),縮短開發(fā)時(shí)間,這些芯片必須具有明確清晰的接口,應(yīng)該使設(shè)計(jì)人員不需要再花費(fèi)力氣提供連接的邏輯線路,就可以完成任務(wù)。
NPU時(shí)代
網(wǎng)絡(luò)處理器將成為網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分,但是目前它還不很成熟。它們將在以下幾個(gè)方面取得重大進(jìn)步：在它們能夠處理的分組的復(fù)雜程度和所具有的智能方面;在可以下載的程序規(guī)模大小方面;隨著線速度的增加在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)能夠處理的一個(gè)分組或多個(gè)分組的綜合能力方面。
NPU 的性能正在按照統(tǒng)一的性能指標(biāo)穩(wěn)步提高。經(jīng)過一段時(shí)間以后,使用網(wǎng)絡(luò)處理器來(lái)設(shè)計(jì)開發(fā)通信系統(tǒng)的方法學(xué),估計(jì)將會(huì)和軟件的開發(fā)一樣,也會(huì)出現(xiàn)并取得發(fā)展進(jìn)步。
66821730(技術(shù)支持)
