浅谈网络处理器

网络处理器

一引言

网络处理器（Network Processor，简称NP），根据国际网络处理器会议（Network Processors Conference）的定义：网络处理器是一种可编程器件，它特定的应用于通信领域的各种任务，比如包处理、协议分析、路由查找、声音/数据的汇聚、防火墙、QoS等。

自1999年第一款网络处理器问世以来,NP就得到许多半导体公司、网络设备厂商的关注,不同体系结构的NP相继出现并投入使用。与此同时,针对NP其应用技术的研究也成为近年网络领域的研究热点。

本文从不同种类的网络处理器的介绍入手,回顾和综述了网络处理器各方面的发展情况,研究了其体系结构的基本组成,并对典型NP 的体系结构特征进行介绍和总结,最后对所介绍的NP进行分析与比较，并对其进行总结。

二网络处理器种类介绍

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～10Gbps的网络应用,40G的NP正在走向市场。本章将选取目前市场上的典型网络处理器进行介绍。

2.1 Agere（PayloadPlus）

Agere网络处理解决方案由三个独立的芯片组成：快速模式处

理器（FPP），路由交换处理器（RSP）和Agere系统接口（ASI）。

主要数据流水线从物理接口到FPP再到RSP。 ASI仅用于特殊情况和总体管理。该解决方案针对2-4层处理，并支持高达2.5 Gbps的数据包速率。

架构

系统架构由三个芯片组成：快速模式处理器（FPP），路由交换处理器（RSP）和Agere系统接口（ASI）。图16显示了PayloadPlus系统和它是如何与网络结构进行连接通讯，并标注了从物理接口到快

速模式处理器再到路由交换处理器以及返回到网络结构中的主数据

路径。

图1 Agere PayloadPlus系统。

Agere系统接口（ASI）

ASI的主要功能是处理“慢路径处理”即初始化，路由表更新，队列处理更新，异常处理和统计信息收集。

有一个用于外部管理的PCI接口和用于访问片外存储器的PC133 SDRAM。用于编程RSP的相同脚本语言用于ASI。

2.2超微Alchemy AU1000

超微AU1000是一种低功耗MIPS核心，有一些新的指令和多种集

成外围设备支持，其公司声称其设备也应用于边缘路由器和线卡。

结构

AU1000 是一个基于标量MIPS的处理器，有5级流水线优化，以减少分支惩罚，另外还有一个32x16 MAC（乘加）并行运行的CPU流水线。有条件移动的特殊指令用于计算前导零和预取内存。

有核，有两个以太网控制器，一个红外端口，支持USB，4UARTs。有16KB指令和数据高速缓存。

可编程性

该设备基于MIPS核，因此它支持C编程，程序员可以利用它的软件开发工具以及各种第三方工具。此外，还有对微软CE、Linux和VxWorks操作系统的支持。

2.3 Applied Micro Circuits, formerly MMC Networks

应用微电路NP7网络处理器家族是建立在epif-200上的包处理器，epif-200s在单一芯片上，可以支持10Gbps的np7xxx包速率。NP系列针对2-7层网络。

结构

epif-200是一个64位的处理器与网络优化的指令集和zerooverhead 任务切换在8线上。有用于分组分类的可编程策略引擎和用于第2层VLAN桥接和第3层最长前缀匹配查找的搜索引擎。数据包转换引擎执行所有必需的数据包操纵。此外，有统计引擎兼容的数据采集远程监控。epif-200设计与其他epif-200，MMC，开关芯片，和NP家庭协处理器无缝工作。

可编程性

应用微电路简化了多处理器编程模型，程序员可把设备看作一个逻辑CPU。此外，他们提供了一个C / C++编译器、汇编器、调试器。2.4 BRECIS通讯(MSP 5000)

BRECIS的MSP系列处理器主要处理来自PBX的语音流量和从网络核心到LAN的数据流量。他们的解决方案的核心在于连接了主要处理元件，并且在总线事务级别固有地支持QoS（Quality of Service，服务质量）的多业务总线架构。其顶级产品MSP5000可同时支持8-24 G711语音通道，4-10 G729语音通道和52Mbps数据速率。

架构

BRECIS的MSP网络处理器是通过高带宽总线连接三个处理器，两个分组和语音处理DSP（LSI ZSP400s）以及用于控制平面操作的MIPS R4KM处理器。

多业务总线架构具有3.2Gbps的峰值带宽，连接网络处理器的主要器件包括DSP，控制处理器，安全协处理器，以太网MAC和外设子系统。总线支持三个优先级之间的同时事务和动态优先级切换。每个子系统的总线接口（每个处理器一个）由分组分类器和三个分组队列组成，它们直接映射到由该设备处理的三种类型的流量（语音，数据和控制）。每个子系统还包含一个上下文感知的DMA引擎，它从数据处理器中卸载数据包传输任务。对于电话支持，MSP5000具有双TDM 接口（每个支持128个通道）。

可编程性

BRECIS为应用程序特定的引擎提供API，如安全协处理器和总线接口中的数据包队列。第三方工具链可用于编程LSI ZSP400和MIPS R4KM。此外，它们还提供常见网络应用（ATM AAL0 / 2/5，ATM SAR，帧中继封装和VoIP）的固件。MSP系列支持VxWorks，Linux和BSD操作系统。

2.5 Cisco (PXF/Toaster 2)

思科PXF是思科边缘路由器的内部产品。他的技术⽂档资料⽐较粗略，但是他是路由器中使⽤的⼀种⽹络处理器，例如在Cisco 10000边缘服务路由器（ESR）上使⽤。PXF仅⽤于执⾏第3层数据路径计算。有⼀个单独的路由处理器来处理⽹络管理任务。

架构

PXF由⼀对IC组成，每个IC由四个管道中排列的16个处理器组成。当⼀起使⽤时，该对PXF产⽣4x8的⼼脏收缩阵列。32个处理器中的每⼀个都具有⽤于分组处理的特殊指令的2发VLIW。每个处理器都有⼀个独⽴的内存，每列处理器可以访问⾃⼰独⽴的内存（⽚外）。流⽔线中的8个级别中的每⼀个负责不同的分组转发功能。思科公司称微处理器的功能分配是灵活的，但是由于专门的硬件可能⽤于加速这些计算，因此⼤家不太清楚这个微处理器可以发挥什么作⽤。Connected Components Corp.最近为PXF编写了⼀个C编译器。此外，PXF⽀持思科的内部操作系统IOS。

2.6 EZchip

使用专门的处理器进行网络处理所需的不同任务。这些专用处理器或