1 前语
网络处理器是现代归纳事务数据网络不断开展更新的产品,是一种根据可编程 ASIC 结 构的新一代SoC 芯片。它是为了习惯下一代高速网络特色，即为了能够供给Qos,能够不断 习惯新的网络使用,能够开展新的网络办理模式以及能够快速呼应商场对新的网络功用的需 求而推出的一种新的芯片产品。网络处理器一起具有GPP 和ASIC 两方面的长处,即具有专用 集成芯片线速转发报文的高速度特性一起又具有通用芯片的可编程性。近来关于网络处理器 的研讨十分活泼,世界各闻名核算机芯片出产公司也纷繁推出自己的产品和规范。INTEL IXA(INTEL Internet Exchange Architecture，互联网交流架构) 作为一种网络处理架构， 是INTEL 公司网络处理器的技能根底。
在互联网中,路由器具有中心的位置。互联网一直在不断向交融语音、数据等多种事务 的归纳敞开结构开展。因而,路由器有必要供给更高的吞吐量、服务质量确保、可靠性和更多 的网络办理功用。为了习惯互联网的开展改变,路由器的结构也一直在开展改变之中。 开端的路由器一般选用单一的通用CPU 来担任分组的处理和转发。这种结构是在单一 CPU 中经过软件来完结分组处理和转发,它的特色是完结简略,能够经过修正软件来供给新 的事务,缺陷是单一CPU 处理才能有限,全软件完结也难于完结高速分组转发。因而,在高速 路由器中遍及选用了专用集成电路来担任数据的处理和转发,选用通用CPU 来担任路由器 的办理。
高速的专用集成电路,能够满意日益增长的带宽需求。可是因为专用集成电路的开 发时刻长,并且在灵敏性方面遭到极大的约束,而不断呈现的新的事务却希望厂商能够在最短 时刻内更新路由器的功用。网络处理器集中了专用集成电路的高速处理才能,一起还具有可 编程,扩展性强的特色,能够很快习惯事务的开展改变。因而根据网络处理器的路由器得到了 许多网络设备出产商和研讨机构的注重，现在已有一些根据网络处理器的路由器产品面世。
2 网络处理器简介
网络处理器是一个被集成在一个半导体设备上的可编程器材。它首要用于优化网络处 理使命，这些使命是：接纳包，处理包和转发包。典型的网络处理器由一个中心处理器和许 多包处理引擎组成。它使用并行散布式和流水线架构，并把高速度、灵敏性的杰出特性和可 扩充性相结合来供给更好的功用。 网络处理器由两类硬件功用单元组成，即网络处理器单元和专用的智能协处理器／加 速器。网络处理器运转的软件是经过优化的,支撑体系级使用和网络专有功用。网络处理器 单元是网络处理器中心,它供给高速、大容量智能处理数据包功用,包含数据解析、分类和转 发等等,因而网络处理器单元常常被称为数据包处理引擎。不同的协处理器则完结包分段／ 重组、加速查表、行列／缓冲区办理、次第办理、存储器操控和多播支撑等功用。
为了确保要害数据包的实时处理, 网络处理器一般将网络处理使命划分为数据层和控 制层两个层面, 操控层面专门担任非实时性的办理和战略操控等,数据层面承载高速易变的 数据实时处理。网络处理器坐落数据通路物理接口处理器和背板之间, 它的典型功用包含： 分段和重组、协议辨认和分类、排队和存取操控、流量整形和流量工程、服务质量。网络处 理器的首要特征是其可编程特性和ASIC 处理功用的结合。
这一特征引发了通讯体系规划的 改造,它使体系规划者摆脱了原先杂乱、零星的规划,将注意力放在高层服务上,缩短产品推 向商场的时刻,延伸产品的生命周期,这也是出产商在剧烈竞赛中得以生计和开展的要害。表 1 中列出了网络处理器七个要害的特性,它们来源于下一代网络对网络处理器编程才能、性 能和敞开性的需求。
表 1：网络处理器的七大特性
总归,网络处理器技能是网络开展的趋向,它不仅能够削减开发商的开发本钱,缩短开发 时刻,加速产品晋级换代的才能,一起也维护用户的利益,削减用户在网络新功用需求的出资 和晋级换代的费用,所以不管在技能上仍是在经济上都具有重要意义。
3 IXP1200 网络处理器架构 IXP1200 由六个可编程的微引擎和一个协调体系行为的作业在200MHz 的StrongARM 内 核组成。每个微引擎有四个硬件线程，在IXP1200 芯片上一共有24 个线程。除了微引擎， IXP1200 还用一些其他特其他硬件设备来辅佐进行包处理。 微引擎和StrongARM 还同享有 一个可编程的HASH 引擎和专门的行列，IXP1200 网络处理器的架构图如图1 所示。
下面咱们将对 IXP1200 中的微引擎和StrongARM 做一个具体的介绍。微引擎有一个特 别适用于处理网络数据的指令集。微引擎除了能够在单个指令里履行位、字节、和长字操作外，还有带有移位和循环移位的算术和逻辑操作。可是微引擎没有整数乘或除、也没有浮点 数操作。微引擎的乘法是经过重复进行加运算来完结的。在微引擎中每个指令占用一个长字 （32 位）的存储空间。每个微引擎有一个独立的可包容1024 条指令的4KB 的指令存储器。 在微引擎开端运转之前，StrongARM 内核上的代码担任给这个指令存储器装入代码。一旦微 引擎运转时，指令以一个五阶段的流水线来运转，并且当流水线充溢时，均匀只需用一个周 期去履行一条指令。当指令阻塞在存储器或设备存取操作完结时，或当跳转指令迫使在流水 线中的某些指令退出履行，均匀的指令履行时刻就会善于一个周期。
在IXP1200 系列处理器上的StrongARM 内核是根据INTEL 的SA-1 内核。这个内核完结 由ARM 公司界说的32 位的ARM V4 架构。StrongARM 内核在核算才能和功耗上是一种折衷的 挑选。编程StrongARM 内核和编程嵌入式通用处理器没有太大的不同。
图 1：IXP1200 网络处理器架构
在一个微引擎的线程之间以轮转办法实施非抢占式的硬件线程裁定交流，并且只要预备 好运转的线程才能够被交流到运转状况。调度器保存有已预备运转的线程号，当有线程预备 抛弃微引擎的操控权时，调度器在微引擎中以线程标志号的次第次第搜索一个预备运转的线 程。关于有抢占式调度的操作体系，开发者不能操控也不能猜测什么时候为了让另一个代码 块运转而中止一个指定的代码块。而在微引擎中，在另一个代码被运转之前，当时代码有必要 清晰抛弃微引擎的操控权。这使得开发者能够操控代码的实践运转状况。因为代码拜访存储 器是一个会耗费数十个周期的操作。所以一般状况下，当线程等候存储器或其他硬件操作时， 线程会主动抛弃对微引擎的操控权。当线程等候存储器操作完结时，线程能够交流出去并允 许其他线程去运转。这种战略最大化了微引擎正在履行的作业量。非抢占式线程调度使微引 擎能够异步的处理存储器。一个微引擎能清晰挑选开释微引擎的操控权，它也能挑选不开释 操控权，等候一个存储器操作。如，一个微引擎线程宣布一个存储器读恳求操作，然后又继 续履行其它指令。存储器读恳求操作的完结信号然后能被异步的反馈给微引擎线程。异步存 储器读操作是微引擎和大多数通用处理器的一个重要的区别。
4、根据网络处理器的路由器
在网络开展初期,网络传输的速率较低,没有必要用专用的处理器处理分组,用原有的通 用处理器就能够满意分组转发的速率要求,但跟着网络速度的进步,通用处理器现已不能适 应网络高速开展的需求。因而,需求想办法进步路由器的功用,使用硬件处理分组的转发是很 天然能想到的办法,所以就呈现了根据ASIC 的路由器。根据ASIC 的路由器仍是当时进步网 络设备速率的干流,它的最大缺陷是缺少灵敏性,一旦把特性嵌入到硅片上,就很难来添加新 的特性和改进功用。规划和制作一个杂乱的ASIC 要花费12 个月到两年的时刻,这对路由器 厂商来说,需求在开展周期中提早猜测出商场或许最需求的特性和协议。它以失掉灵敏性和 快速呼应商场的才能作为价值来获取速度。跟着网络使用领域的敏捷扩展,新的特性(虚拟局 域网VLAN、虚拟专用网VPN 等)和用户的新需求(多媒体、视频点播、视频会议等)不断呈现 和改变,这样,因为ASIC 固有的不灵敏性,导致厂商不能快速地对用户要求的功用做出呼应, 使厂商失掉了快速呼应商场的才能,所以人们在研讨一种既能满意功用要求又能满意灵敏的 处理器,这便是网络处理器。除此之外,ASIC 还有引脚太多(200～400 个引脚),价格昂贵等缺 点。别的,局域网流量的散布改变促进了网络处理器的开展。由Internet 规划和使用的开展, 以往大部分的通讯限于局域网内部,而现在有适当一部分的信息是和局域网外部网络进行交 换的。并且这种趋势还会不断地添加,这使得分组将传输在更杂乱的,多种多样的网络体系上, 相应地,安全问题(如加密、授权与判定、高档监控和侵略监测等)也成为要点考虑的目标, 为了供给不同服务质量(如IP 播送、高档的服务质量Qos),网络操控也将杂乱得多,一切这 些要求路由器变得愈加智能,一起要以线速处理7 层网络协议(OSI)的高层内容,以满意用户 要求的不同服务,因为ASIC 是用硬件来完结这些功用的,不能进行编程,所以就不能快速满 足用户的这些新要求,所以,根据网络处理器的路由器应运而生。
从功用分，路由器可分为通用路由器与专用路由器。一般所说的路由器为通用路由器。 专用路由器一般为完结某种特定功用对路由器接口、硬件等作专门优化。例如接入服务器用 作接入拨号用户，增强PSTN 接口以及信令才能；VPN 路由器增强地道处理才能以及硬件加 密；宽带接入路由器着重宽带接口数量及品种。
现在路由器有以下三种完结办法：根据通用处理器的软件路由器、根据ASIC 的路由器、 根据网络处理器的路由器。第一种路由器的长处是：可灵敏的晋级体系；易于支撑添加的接 口；能够更快的开发新产品并缩短产品的进入商场时刻。中心处理器履行一切的路由功用。 缺陷是不能晋级到高带宽。第二种路由器的长处是：能供给线速功用；ASIC 被用于包或帧 的转发、CPU 被用于操控功用的架构供给了速度和灵敏性。确定是缺少灵敏性。而第三种路 由器则归纳了前两种路由器的长处：可一起供给功用和灵敏性；多个包处理元素（微引擎） 支撑了多个线程；经过流水线化和并行处理能取得更高的功用；软件编程会更简略的添加服 务并可带来灵敏性。
5、结束语
网络处理器结合了 AS%&&&&&% 的硬件高速与智能处理器可编程的特色，为下一代网络设备的 开发规划供给了全新的硬件渠道。合理使用IXP1200 网络处理器的可编程性、高速数据处 理、并行处理和可扩展性等特性可构建出规划合理、完结简略、功用杰出、经济实用的路由器。
