国家重点基础研究发展规划项目课题研究进展报告.ppt
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1、网络处理器技术简介网络处理器技术简介网络处理器技术简介网络处理器技术简介2003年3月11日李雪莹李雪莹网络处理器技术简介网络处理器技术简介中国科学院高能物理研究所计算中心网络安全组中国科学院高能物理研究所计算中心网络安全组 报告内容报告内容 n n什么是网络处理器技术n n产生的技术背景n n技术原理n n应用领域n n产品现状n n未来之路网络处理器技术简介网络处理器技术简介中国科学院高能物理研究所计算中心网络安全组中国科学院高能物理研究所计算中心网络安全组 1.什么是什么是NPUs技术技术网络处理器网络处理器网络处理器网络处理器(Network ProcessorNetwork Proc
2、essor,简称简称NPNP)是一是一种可以编程的设备(比较典型就是一种芯片)。它不种可以编程的设备(比较典型就是一种芯片)。它不仅仅指的是某一类的设备或产品,而更加广泛地代表仅仅指的是某一类的设备或产品,而更加广泛地代表了一种网络设计的技术理念。了一种网络设计的技术理念。网络处理器的本质网络处理器的本质网络处理器的本质网络处理器的本质主要的优势主要的优势主要的优势主要的优势:优异的性价比优异的性价比 高度的灵活性高度的灵活性网络处理器技术简介网络处理器技术简介中国科学院高能物理研究所计算中心网络安全组中国科学院高能物理研究所计算中心网络安全组 2.产生的技术背景产生的技术背景网络设备的核心处
3、理部件随着应用需求的网络设备的核心处理部件随着应用需求的变化大致经历了变化大致经历了3 3个阶段的发展过程:个阶段的发展过程:CPUCPU ASIC ASIC(Application Specific Integrated CircuitApplication Specific Integrated Circuit,特定用途集成电路)特定用途集成电路)网络处理器网络处理器网络处理器技术简介网络处理器技术简介中国科学院高能物理研究所计算中心网络安全组中国科学院高能物理研究所计算中心网络安全组 2.产生的技术背景产生的技术背景网络处理网络处理器与器与CPUCPUCPUCPU具有一般化的体系结构和指
4、令集,以求支持复杂的运算具有一般化的体系结构和指令集,以求支持复杂的运算并容易添加新的功能。但处理速度一般相对较慢,可扩并容易添加新的功能。但处理速度一般相对较慢,可扩展性差,很难满足网络高速发展的需要。展性差,很难满足网络高速发展的需要。网络网络处理器处理器专为进行网络分组处理而开发,具有优秀的体系结构和专为进行网络分组处理而开发,具有优秀的体系结构和指令集,因此它有比指令集,因此它有比CPUCPU更好的处理性能,能够满足网更好的处理性能,能够满足网络高速发展的需求。络高速发展的需求。网络处理网络处理器与器与ASICASICASICASIC作为硬件集成电路,具有高速的处理能力。但编程能力作为
5、硬件集成电路,具有高速的处理能力。但编程能力有限,灵活性差。仅能支持有限的应用和服务,很难满有限,灵活性差。仅能支持有限的应用和服务,很难满足网络业务多样化的需求。研制周期长,成本高,市场足网络业务多样化的需求。研制周期长,成本高,市场存活时间短。存活时间短。网络网络处理器处理器有专门的指令集和配套的软件开发系统,具有很强的编有专门的指令集和配套的软件开发系统,具有很强的编程能力,方便开发各种应用,支持可扩展的服务,能够程能力,方便开发各种应用,支持可扩展的服务,能够很好满足网络业务多样化发展的趋势。研制周期短,成很好满足网络业务多样化发展的趋势。研制周期短,成本低,市场存活时间长。但依赖于软
6、件的运行,因此,本低,市场存活时间长。但依赖于软件的运行,因此,处理性能较处理性能较ASICASIC相对差一些。相对差一些。网络处理器技术简介网络处理器技术简介中国科学院高能物理研究所计算中心网络安全组中国科学院高能物理研究所计算中心网络安全组 3.技术原理技术原理3.1 基本结构网络处理器技术简介网络处理器技术简介中国科学院高能物理研究所计算中心网络安全组中国科学院高能物理研究所计算中心网络安全组 3.技术原理技术原理 片内处理器片内处理器片内处理器片内处理器:网络处理器内部包含多个片内处理器,:网络处理器内部包含多个片内处理器,构成多处理器系统。这些片内处理器按照功能可以分构成多处理器系统
7、。这些片内处理器按照功能可以分为核心和转发引擎两种。为核心和转发引擎两种。核心核心核心核心:用于系统管理维护和复杂的数据处理。:用于系统管理维护和复杂的数据处理。转发引擎转发引擎转发引擎转发引擎:提供的是快速的数据处理,提供分类调度:提供的是快速的数据处理,提供分类调度等服务功能。它可能含有多个硬件线程,每个线程都等服务功能。它可能含有多个硬件线程,每个线程都有一套专门的硬件来存放程序运行的上下文,可获得有一套专门的硬件来存放程序运行的上下文,可获得线程切换的零开销。线程切换的零开销。3.1 基本结构网络处理器技术简介网络处理器技术简介中国科学院高能物理研究所计算中心网络安全组中国科学院高能物
8、理研究所计算中心网络安全组 3.技术原理技术原理 高速的高速的高速的高速的I/OI/O接口单元接口单元接口单元接口单元:网络处理器有丰富的网络:网络处理器有丰富的网络I/OI/O接口单元,包括物理链路接口、交换接口、存储器接口单元,包括物理链路接口、交换接口、存储器接口以及其他外部处理单元接口等。接口以及其他外部处理单元接口等。内部高速总线内部高速总线内部高速总线内部高速总线:多组处理器和:多组处理器和I/OI/O接口单元通过内接口单元通过内部高速总线(一般为多总线结构)连接在一起,组成部高速总线(一般为多总线结构)连接在一起,组成优化的数据通路结构,从而提供很强的硬件并行处理优化的数据通路结
9、构,从而提供很强的硬件并行处理能力。能力。存储器存储器存储器存储器:包含多种不同性能的存储结构,以适应:包含多种不同性能的存储结构,以适应不同的应用目的。例如不同的应用目的。例如FlashFlash用于存放硬件启动用于存放硬件启动/引导引导程序;程序;SRAMSRAM存放路由表、队列结构等各种查询表格;存放路由表、队列结构等各种查询表格;SDRAMSDRAM作为缓冲区存放分组数据。作为缓冲区存放分组数据。3.1 基本结构 网络处理器技术简介网络处理器技术简介中国科学院高能物理研究所计算中心网络安全组中国科学院高能物理研究所计算中心网络安全组 .技术原理技术原理 专用指令集专用指令集专用指令集专
10、用指令集:片内转发引擎一般具有专用的精简指令:片内转发引擎一般具有专用的精简指令集,这些指令经过针对网络数据处理的优化,例如数据集,这些指令经过针对网络数据处理的优化,例如数据读写,状态判断,堆栈操作,哈希查找等。读写,状态判断,堆栈操作,哈希查找等。专用组件(协处理器)专用组件(协处理器)专用组件(协处理器)专用组件(协处理器):要求高速处理(线速)的通用:要求高速处理(线速)的通用功能模块可以用硬件来实现以提高性能。例如路由查找功能模块可以用硬件来实现以提高性能。例如路由查找和数据加密等。和数据加密等。3.1 基本结构 网络处理器技术简介网络处理器技术简介中国科学院高能物理研究所计算中心网
11、络安全组中国科学院高能物理研究所计算中心网络安全组 3.技术原理技术原理 可可可可编编编编程程程程性性性性:网网络络处处理理器器的的本本质质在在于于其其可可编编程程性性,从从而而改改变变ASICASIC灵灵活活性性差差的的缺缺点点。这这是是通通过过提提供供界界面面友友好好而而功功能能强大的编程、调试和性能评价等软件环境实现的。强大的编程、调试和性能评价等软件环境实现的。并并并并行行行行处处处处理理理理:网网络络处处理理器器能能够够实实现现不不同同级级别别的的并并行行处处理理,通通过过流流水水线线实实现现指指令令级级的的并并行行,通通过过硬硬件件线线程程实实现现线线程程级的并行,通过片内处理器结
12、构实现处理器级的并行。级的并行,通过片内处理器结构实现处理器级的并行。高高高高速速速速数数数数据据据据处处处处理理理理:网网络络处处理理器器需需要要具具有有线线速速处处理理能能力力,以以避免设备成为瓶颈,它的硬件结构为此提供了保证。避免设备成为瓶颈,它的硬件结构为此提供了保证。3.2 技术特点 网络处理器技术简介网络处理器技术简介中国科学院高能物理研究所计算中心网络安全组中国科学院高能物理研究所计算中心网络安全组 3.技术原理技术原理 深层数据处理深层数据处理深层数据处理深层数据处理:也叫智能处理(:也叫智能处理(Intelligent Intelligent ProcessingProces
13、sing),),就是根据不同的服务要求可对分组(帧)就是根据不同的服务要求可对分组(帧)进行不同深度的处理。例如路由查找只需要处理第三进行不同深度的处理。例如路由查找只需要处理第三层(层(IPIP头部),分类需要处理到第四层(头部),分类需要处理到第四层(TCP/UDPTCP/UDP协协议),而安全则需要处理到应用层(分组携带的有效议),而安全则需要处理到应用层(分组携带的有效载荷)。载荷)。模块化设计模块化设计模块化设计模块化设计:网络处理器体系结构的模块化也包含:网络处理器体系结构的模块化也包含不同的层次,硬件层面和软件层面的模块化。通过模不同的层次,硬件层面和软件层面的模块化。通过模块化
14、设计力图在保持高性能的基础上获得很好的可扩块化设计力图在保持高性能的基础上获得很好的可扩展性和灵活性,并能使设备厂商容易研发不同性能和展性和灵活性,并能使设备厂商容易研发不同性能和不同特性的设备。不同特性的设备。3.2 技术特点 网络处理器技术简介网络处理器技术简介中国科学院高能物理研究所计算中心网络安全组中国科学院高能物理研究所计算中心网络安全组 3.技术原理技术原理 可扩展性可扩展性可扩展性可扩展性:网络处理器的可扩展性同样包括硬件可扩:网络处理器的可扩展性同样包括硬件可扩展性和服务可扩展性。前者指网络处理器除了可以用展性和服务可扩展性。前者指网络处理器除了可以用来研制小型设备,还可以通过
15、交换机构的连接研制大来研制小型设备,还可以通过交换机构的连接研制大型设备。后者是指可以在对原有软件结构做很小改动型设备。后者是指可以在对原有软件结构做很小改动的基础上加入新的服务和功能。的基础上加入新的服务和功能。3.2 技术特点 网络处理器技术简介网络处理器技术简介中国科学院高能物理研究所计算中心网络安全组中国科学院高能物理研究所计算中心网络安全组 4.应用领域应用领域*入侵检测系统、数据加密、网络监控、入侵检测系统、数据加密、网络监控、IntranetIntranet防火墙防火墙等安全控制,防御内部和外部的恶意行为;等安全控制,防御内部和外部的恶意行为;*进行分组分类,识别关键业务流,提供
16、优先传输服务,进行分组分类,识别关键业务流,提供优先传输服务,实现用户在网络服务上的各种管理策略,保证服务质实现用户在网络服务上的各种管理策略,保证服务质量量QoSQoS;*提供虚拟专用网提供虚拟专用网VPNVPN;*流量工程;流量工程;4.1 在LAN/企业网中 网络处理器技术简介网络处理器技术简介中国科学院高能物理研究所计算中心网络安全组中国科学院高能物理研究所计算中心网络安全组 4.应用领域应用领域主要是支持多种新型业务和多种网络接入,并进行服务主要是支持多种新型业务和多种网络接入,并进行服务质量控制,其中包括:质量控制,其中包括:*分组分类、聚合和调度;分组分类、聚合和调度;*实现基于
17、业务等级协议(实现基于业务等级协议(SLASLA)的服务质量管理,提供的服务质量管理,提供带宽和时延保证,支持动态带宽管理;带宽和时延保证,支持动态带宽管理;*提供提供VPNVPN;*实现负载均衡;实现负载均衡;*分解和装配各种类型的协议数据单元,执行协议转换,分解和装配各种类型的协议数据单元,执行协议转换,支持多种传输媒体接入;支持多种传输媒体接入;*安全与网络监控。安全与网络监控。4.2 在广域边缘/接入网络 网络处理器技术简介网络处理器技术简介中国科学院高能物理研究所计算中心网络安全组中国科学院高能物理研究所计算中心网络安全组 4.应用领域应用领域在核心网中,网络处理器用在在核心网中,网
18、络处理器用在OC-48OC-48到到OC-192OC-192甚至更高甚至更高速率下实现对聚合流的分类识别和转发,支持服务质量速率下实现对聚合流的分类识别和转发,支持服务质量控制和流量工程,支持多协议标号转换(控制和流量工程,支持多协议标号转换(MPLSMPLS)、)、区区分服务(分服务(DiffServDiffServ)等协议。等协议。4.3 在广域核心网络 网络处理器技术简介网络处理器技术简介中国科学院高能物理研究所计算中心网络安全组中国科学院高能物理研究所计算中心网络安全组 5.产品现状产品现状n nIXP1200IXP1200IXP1200IXP1200系列基本结构为:系列基本结构为:系
19、列基本结构为:系列基本结构为:1 1 1 1个主频最高可达个主频最高可达个主频最高可达个主频最高可达232232232232MHzMHzMHzMHz的处理核心的处理核心的处理核心的处理核心StrongARMStrongARMStrongARMStrongARM、6 6 6 6个个个个RISCRISCRISCRISC结构的可编程微引擎(每个微引擎又包含结构的可编程微引擎(每个微引擎又包含结构的可编程微引擎(每个微引擎又包含结构的可编程微引擎(每个微引擎又包含4 4 4 4个硬件个硬件个硬件个硬件线程)、线程)、线程)、线程)、64646464位和最高位和最高位和最高位和最高85858585MHz
20、MHzMHzMHz的的的的IX BusIX BusIX BusIX Bus、32323232位的位的位的位的SRAMSRAMSRAMSRAM接口接口接口接口单元(工作频率为核心频率的一半)、单元(工作频率为核心频率的一半)、单元(工作频率为核心频率的一半)、单元(工作频率为核心频率的一半)、64646464位的位的位的位的SDRAMSDRAMSDRAMSDRAM接接接接口单元(工作频率为核心频率的一半)、口单元(工作频率为核心频率的一半)、口单元(工作频率为核心频率的一半)、口单元(工作频率为核心频率的一半)、32323232位和最高位和最高位和最高位和最高66666666MHzMHzMHzM
21、Hz的的的的PCIPCIPCIPCI总线接口单元。总线接口单元。总线接口单元。总线接口单元。IXP1200IXP1200IXP1200IXP1200通过通过通过通过FBIFBIFBIFBI接口单元接口单元接口单元接口单元和和和和IX BusIX BusIX BusIX Bus相连接。另外还有一套集成开发环境用于对相连接。另外还有一套集成开发环境用于对相连接。另外还有一套集成开发环境用于对相连接。另外还有一套集成开发环境用于对微引擎作应用开发,支持的语言有汇编和微引擎作应用开发,支持的语言有汇编和微引擎作应用开发,支持的语言有汇编和微引擎作应用开发,支持的语言有汇编和C C C C。典型产品 网
22、络处理器技术简介网络处理器技术简介中国科学院高能物理研究所计算中心网络安全组中国科学院高能物理研究所计算中心网络安全组 5.产品现状产品现状n nIXP2400IXP2400IXP2400IXP2400和和和和IXP2800IXP2800IXP2800IXP2800系列:它们除了增加了到交换结构的接系列:它们除了增加了到交换结构的接系列:它们除了增加了到交换结构的接系列:它们除了增加了到交换结构的接口外,基本上保持了原来的体系结构,但性能有了很大提口外,基本上保持了原来的体系结构,但性能有了很大提口外,基本上保持了原来的体系结构,但性能有了很大提口外,基本上保持了原来的体系结构,但性能有了很大
23、提高。高。高。高。IXP2400IXP2400IXP2400IXP2400支持支持支持支持2.52.52.52.5GbpsGbpsGbpsGbps应用,具有应用,具有应用,具有应用,具有8 8 8 8个个个个600600600600MHzMHzMHzMHz的微引擎、的微引擎、的微引擎、的微引擎、600600600600MHzMHzMHzMHz的处理核心的处理核心的处理核心的处理核心XscaleXscaleXscaleXscale,可外接可外接可外接可外接1 1 1 1块块块块DDR DRAMDDR DRAMDDR DRAMDDR DRAM和和和和2 2 2 2块块块块QDR QDR QDR Q
24、DR SRAMSRAMSRAMSRAM,支持标准的线卡支持标准的线卡支持标准的线卡支持标准的线卡/交换接口标准交换接口标准交换接口标准交换接口标准SPI-3SPI-3SPI-3SPI-3或或或或CSIX-L1CSIX-L1CSIX-L1CSIX-L1。IXP2800IXP2800IXP2800IXP2800支持支持支持支持10101010GbpsGbpsGbpsGbps应用,具有应用,具有应用,具有应用,具有16161616个个个个1.41.41.41.4GHzGHzGHzGHz的微引擎、的微引擎、的微引擎、的微引擎、700700700700MHzMHzMHzMHz的处理核心的处理核心的处理核
25、心的处理核心XscaleXscaleXscaleXscale,可外接可外接可外接可外接3 3 3 3块块块块RDRAMRDRAMRDRAMRDRAM和和和和4 4 4 4块块块块QDR SRAMQDR SRAMQDR SRAMQDR SRAM,支持标准的线卡支持标准的线卡支持标准的线卡支持标准的线卡/交换接口标准交换接口标准交换接口标准交换接口标准SPI-4.2SPI-4.2SPI-4.2SPI-4.2或或或或CSIX-L1CSIX-L1CSIX-L1CSIX-L1。典型产品网络处理器技术简介网络处理器技术简介中国科学院高能物理研究所计算中心网络安全组中国科学院高能物理研究所计算中心网络安全组
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