下一代数据包处置技术架构选择

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1、电子知识系统厂商在为知足以后的扩展性和集成挑战而研究下一代数据包处置技术时，面临着多种架构选择。目前有两种经常使用架构：通用多核架构和专用数据流架构。每种架构都有其优势。通常情形是，每一个系统供给商的设计决策归根到底都是平台的预期任务。从本质上讲，决策进程确实是依照应用选择架构的进程。数据包处置背景数据包处置是数据密集型操作，需要优化的硬件。在宽带互联网显现之前，通用途理器既被用于操纵会话处置又肩负用户流量的数据包处置。可是，由数据和操纵平面共享中央处置单元(CPU)资源的作法已被证明难以知足随带宽需求增加带来的更高要求。关于互换机和路由器来讲，数据平面的数据包处置任务已转交给定制的固定功能A

2、SIC或可编程网络处置器单元(NPU)。从而把通用CPU解放出来以专门应付操纵平面任务。有几家NPU供给商一直在试图针对2-4层包处置任务优化通用途理器，并提供集成了网络硬件(即物理层、媒体存取操纵器和表存储器)和用于特定任务(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种器件。尽管这些产品各有不同，但它们的大体架构是相同的。通过降低复杂性，处置器核能够取得简化，从而使得器件内能够集成数十个处置器核以知足更高的并行要求。除极少数例外，这些NPU供给商在商业上都不成功。全然缘故是这些NPU不能有效地知足超过lOGbps的网络应用对处

3、置能力和存储器访问方面的要求。此刻，当咱们迈进2020年，咱们看到了旨在应付网络处置市场的新一代多核供给商的显现。尽管CMOS技术、存储器带宽和时钟周期性能取得了提升，但它们仍基于一样的大体架构。因此，这些新兴公司能期待取得更大的成功吗？这将取决于它们针对的是哪类应用。此刻的网络节点不仅处置2-4层的数据包，也需在更高层进行处置以支持效劳和增加平安性。咱们将研究其中的不同，和对任何给定应用来讲，什么缘故某些架构比其它架组成效更好。线速包处置2-4层数据包处置不同于其它网络应用（表Do第一，能对所有大小的数据包进行线速处置是一个关键目标。现代路由器和互换机被设计为拥有普遍的网络功能，效劳提供商期

4、望能同时取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，许诺高度并行的处置。对一个lOOGbps应用来讲，网络处置器需要每秒处置1.5亿个数据包以确保线速性能。处置器10uS的延时相当于1,500个数据包的并行处置时刻。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、状态更新及其它处置。在高速平台上，数据包抵达距离时刻超级短，因此对存储器延时提出了苛刻要求。关于小型数据包来讲，执行这些任务的存储器带宽是链路带宽的数倍。最后，现今网络的功耗很高。出于运营本钱和环保两方面的考虑，效劳提供商在煞费苦心地追求最正确的每瓦性能。考虑到包处置的特点，应以线速性能条件下、每瓦功率

5、可实现的最高性能来衡量最有效的架构。效劳和平安处置特点与数据包处置相近的市场是效劳和平安处置。这些应用具有与2-4层数据包处置不同的特点。因此，可实施其它的硬件设计优化。在客户机-效劳器方式中，这些应用终止和处置主机至主机协议，或在中间网络节点（即防火墙、负载均衡器、入侵和防御系统）上处置重组的净载数据包数据。这些产品必需能够跨数据包边界工作，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，这将致使数据并行性较低。另一方面，相对所处置的数据而言，这种所需的I/O存储器带宽较低。架构比较NPU许诺可提供定制ASIC的性能，且具有通用途理器的可编程能力。可是，比较处置器的性能较困难，因为理论上

6、的最大值通常与真实世界关联不大。另外，有效利用可用途理性能的能力，和与处置容量相关的I/O存储器的利用情形也是阻碍处置器性能的因素。因此，这种比较必需从设计层面开始。咱们第一从一个通用多核NPU架构开始。多核NPU架构衍生于通用途理器架构，该架构希望通过增加处置器核来实现更高的并行处置能力。降低复杂性并移除现今通用途理器架构内没必要要的功能（即浮点指令）可实现这一目标。多核NPU架构对处置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供给商在设计时，许诺架构对这种分组实施严格操纵以优化性能。图1：处置器核采纳流水线或并行池架构，混合模式也很常见。若是

7、概念得较松散，这种分组就许诺程序员更自由地在内核间划分任务，最终结果是以性能操纵为代价提供更大的灵活性。在许多情形下，多核网络处置器最终会以流水线和并行池的混合架构形态显现。处置器核的分组对编程模式有重要阻碍。并行池带有相关的多线程编程模式，其中每一个处置器核可运行一个或多个线程。从本质上讲确实是程序获取一个数据包并对其执行一系列操作。一旦处置完一个数据包，程序就预备好按顺序取用下一个数据包。程序