下一代数据包处理技术架构选择

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1、电子知识　　系统厂商在为满足未来的扩展性和集成挑战而研究下一代数据包处理技术时，面临着多种架构选择。目前有两种常用架构：通用多核架构和专用数据流架构。　　每种架构都有其长处。通常情况是，每个系统供应商的设计决策归根到底都是平台的预期任务。从本质上讲，决策过程就是根据应用选择架构的过程。　　数据包处理背景　　数据包处理是数据密集型操作，需要优化的硬件。在宽带互联网出现之前，通用处理器既被用于控制会话处理又肩负用户流量的数据包处理。　　但是，由数据和控制平面共享中央处理单元(CPU)资源的作法已被证明难以满足随带宽需求增长带来的更高要求。对于交换机和路由器来

2、说，数据平面的数据包处理任务已转交给定制的固定功能ASIC或可编程网络处理器单元(NPU)。从而把通用CPU解放出来以专门应对控制平面任务。　　有几家NPU供应商一直在试图针对2-4层包处理任务优化通用处理器，并提供集成了网络硬件(即物理层、媒体存取控制器和表存储器)以及用于特定任务(即散列)的硬件引擎的多核架构。在20世纪末20世纪初，MMC、C-Port和英特尔的IXP部门等机构开发了这类器件。　　虽然这些产品各有不同，但它们的基本架构是相同的。通过降低复杂性，处理器核能够得到简化，从而使得器件内可以集成数十个处理器核以满足更高的并行要求。　　除了极

3、少数例外，这些NPU供应商在商业上都不成功。根本原因是这些NPU不能有效地满足超过10Gbps的网络应用对处理能力和存储器访问方面的要求。　　现在，当我们迈进2010年，我们看到了旨在应对网络处理市场的新一代多核供应商的出现。虽然CMOS技术、存储器带宽和时钟周期性能得到了提升，但它们仍基于同样的基本架构。因此，这些新兴公司能期待获得更大的成功吗?　　这将取决于它们针对的是哪类应用。现在的网络节点不仅处理2-4层的数据包，也需在更高层进行处理以支持服务和增加安全性。我们将研究其中的差异，以及对任何给定应用来说，为什么某些架构比其它架构效果更好。　　线速包

4、处理　　2-4层数据包处理不同于其它网络应用(表1)。首先，能对所有大小的数据包进行线速处理是一个关键目标。现代路由器和交换机被设计为拥有广泛的网络功能，服务提供商期望能同时获得这些功能且不降低性能。　　第二，数据平面将数据包视为独立个体，允许高度并行的处理。对一个100Gbps应用来说，网络处理器需要每秒处理1.5亿个数据包以确保线速性能。处理器10μs的延时相当于1,500个数据包的并行处理时间。　　第三，数据平面程序需要高I/O存储器访问带宽以完成表查询转发、状态更新及其它处理。在高速平台上，数据包到达间隔时间非常短，因而对存储器延时提出了苛刻要求

5、。对于小型数据包来说，执行这些任务的存储器带宽是链路带宽的数倍。　　最后，当今网络的功耗很高。出于运营成本和环保两方面的考虑，服务提供商在煞费苦心地追求最佳的每瓦性能。考虑到包处理的特点，应以线速性能条件下、每瓦功率可实现的最高性能来衡量最有效的架构。　　服务和安全处理特征　　与数据包处理相近的市场是服务和安全处理。这些应用具有与2-4层数据包处理不同的特点。因此，可实施其它的硬件设计优化。　　在客户机-服务器方式中，这些应用终止和处理主机至主机协议，或在中间网络节点(即防火墙、负载均衡器、入侵和防御系统)上处理重组的净载数据包数据。这些产品必须能够跨数

6、据包边界工作，因为它们通常需要在更大的数据量上进行更大规模的操作，这将导致数据并行性较低。另一方面，相对所处理的数据而言，这类所需的I/O存储器带宽较低。　　架构比较　　NPU承诺可提供定制ASIC的性能，且具有通用处理器的可编程能力。但是，比较处理器的性能较困难，因为理论上的最大值通常与真实世界关联不大。此外，有效利用可用处理性能的能力，以及与处理容量相关的I/O存储器的利用情况也是影响处理器性能的因素。　　因此，这种比较必须从设计层面开始。我们首先从一个通用多核NPU架构开始。多核NPU架构衍生于通用处理器架构，该架构希望通过增加处理器核来实现更高的

7、并行处理能力。降低复杂性并移除当今通用处理器架构内不必要的功能(即浮点指令)可实现这一目标。　　多核NPU架构对处理器核进行了专门分组。这些内核或被分组到各个并行池或以串行方式进行流水线排列(图1)。NPU供应商在设计时，允许架构对这种分组实施严格控制以优化性能。　　图1：处理器核采用流水线或者并行池架构，混合模式也很常见。　　如果定义得较松散，这种分组就允许程序员更自由地在内核间划分任务，最终结果是以性能控制为代价提供更大的灵活性。在许多情况下，多核网络处理器最终会以流水线和并行池的混合架构形态出现。　　处理器核的分组对编程模式有重要影响。并行池带有相

8、关的多线程编程模式，其中每个处理器核可运行一个或多个线程。从本质上讲就是程序获取