网络处理器的研讨

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摘要：网络处理器的应用研究被认为是推动下一代网络向高性能、灵活性方向发展的核心技术。本文从网络设备研制角度，对网络协议处理基本操作、网络处理器产生技术需求、基本功能、体系结构特点、产品现状、应用前景、未来发展进行研究。

关键词：网络处理器 体系结构 网络设备 数据分组 网络协议网络高速发展

一、网络处理器概念

网络处理器是面向网络应用领域的应用特定指令处理器?熏是面向数据分组处理的、具有体系结构特征和／或特定电路的、软件可编程器件。通过灵活的软件体系提供硬件级的处理性能是np的关键特性。

在以gpp和asic／rsic为核心的设备体系结构阶段，对２～３层数据处理采用“存储――转发”数据分组处理模式。随着网络发展，需要对２～７层的数据分组采用“存储――处理――转发”数据分组处理模式才能实现复杂的qos、安全控制、负载均衡等功能模块。np的出现，标志着设备对数据分组的处理能力从低层粗放式处理过渡到高层细化处理。

二、网络设备处理器的特点

具有优异性能，支持高速分组处理；具有高度灵活性，支持不断变换高层网络服务。传统的基于gpp（general purpose processor）的网络设备只满足灵活性要求；基于asic(application specific integrated ciruit)的网络设备只满足高性能要求；网络处理器能够通过灵活的软件体系提供硬件级的处理性能，基于np（network processor）的网络设备具有高性能和灵活性。

三、网络处理器的发展

网络处理器产生技术需求以网络设备核心部件更新为标志，网络设备体系结构发展经历了两个阶段：

（１）以gpp为核心的网络设备体系结构

在网络发展早期，网络传输速率低，服务少，研究集中在服务框架构建和网络协议实现。设备以gpp为核心，在通用操作系统基础上，以软件方式实现各种网络服务。目前许多边缘设备：如防火墙、VPN设备、VOIP设备，还在采用这种通用处理器＋通用操作系统＋专用网络服务软件的体系结构。其优点是灵活性好，缺点是性能处理差。这种结构为支持各种复杂运算，采用通用体系结构和指令集，其通用性导致网络性能处理差。

（２）以ASIC／RISC为核心的网络设备体系结构

随着网络带宽的增长速度远大于通用计算机处理的增长速度，网络瓶颈变成基于GPP的节点设备。采用基于ASIC和RICS（reduced instruct set compute）为核心的体系结构成为主流，尤其是骨干设备的设计。为获取高性能，通常由risc负责非实时管理，asic负责高速数据处理。这种结构缺点是开发周期长，缺乏灵活性。asic不具备可编程性，一旦将计算逻辑固化到硬件，很难修改。设计制造复杂asic需要花费18个月到两年时间，设备制造商必须准确预测未来的市场需求和技术趋势。

四、 网络应用处理基本操作

在对atm、vlan、mpls、ipv4、ipv6、ipsec、udp、tcp、nat、web交换、qos协议等多种协议和应用的分析基础上，演归纳对单个数据分组处理的六种基本操作：（１）模式匹配：对分组字段的比特进行匹配。输入为需要匹配值和分组字段值，输出为某个确定逻辑值。（２）检索：根据某个关键字查找数据。通常与模式匹配联合使用，用于查找表中的某个特定数据项。数据结构和算法取决于关键字的大小和需要搜索的类型（一对一或一对多）。（３）计算：对不同协议，数据分组的计算处理差异很大。如：ipsec中需要对整个分组进行加密、解密、鉴别等计算；而多数协议都要求进行crc效验计算。（４）数据处理：对分组报头的修改便视为数据处理。如：数据分组的分割、重组；ＩＰＶ４中的ＴＴＬ字段每跳减一修改。（５）队列管理：对进出的协议数据单元进行存储和出入管理。负责实现数据报文在分组分割／重组的存储操作，以及与qos相关的流量整形和流量工程策略。（６）控制处理：通常涉及不需要线速执行的管理任务，如：异常处理、表更新、统计数据汇总等。

五、 网络处理器产品现状和应用前景

目前已有30个网络处理器厂商完成超过500个的ＮＰ设计，产品主要面向２.５gbps网络应用和10gbps网络应用，40g的ＮＰ正在走向市场。面向2.5gbps网络应用的ＮＰ有：vitesse公司的IQ2000和ＩＱ2200，motorola公司的Ｃ－５ dcp。面向10gbps网络应用和全部７层协议的ＮＰ有：xstream logic公司的动态多线程(dms)处理器核，ezchip公司的ＮＰ－１，lexra公司的netvortex，bay microsystems公司的brecis msp5000。

网络处理器厂家推出ＮＰ产品时，通常会推出配套硬件调试目标机评估板、ＮＰ开发软件工具、操作系统。目前ＮＰ主要采用嵌入式操作系统，如vxworks、linux等等，也有一些厂商提供专用操作系统，如princeton公司的vera采用scout os操作系统。大部分ＮＰ有集成开发环境支持，能够用Ｃ语言、汇编语言进行开发.

网络处理器主要用于网络接入、网络骨干设备，开发从第２层到第７层的各种网络服务和应用。在网络接入设备中，支持各种新业务、服务安全接入，进行质量控制，其中包括：提供ＶＰＮ；入侵检测、网络监控、防火墙等安全控制；进行分组分类，识别关键业务流，保证ＱＯＳ；执行协议转换，支持多种传输媒体接入；记费和负载均衡等。在网络骨干设备中，用于在ＯＣ－４８ ｔｏ ＯＣ－１９２甚至更高速率下实现聚合流的分类识别和转发，支持流量工程和ＱＯＳ控制。并将传统的网络接入设备３层以上协议处理功能引入到核心网中，如对骨干网实施国家级的入侵检测。

网络处理器通过十分灵活的体系结构和强大的处理能力，将可编程能力和ASIC的处理能力有机的结合在一起，从而带来更为智能的网络设备、更短的产品研发周期以及更便捷的系统升级方式。。在今后几年里网络处理器将迅速得以普及应用，代表着下一代网络设备的核心功能单元。