《电子技术应用》
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使用网络处理器实现IP网络的QoS

2009-03-09
作者:何 晴 李 晨

  摘  要: 随着因特网的高速发展,能够以线速处理网络传输数据并提供服务质量(QoS)的网络处理器" title="网络处理器" target="_blank">网络处理器" title="网络处理器">网络处理器" title="网络处理器">网络处理器" title="网络处理器">网络处理器" title="网络处理器">网络处理器" title="网络处理器">网络处理器" title="网络处理器">网络处理器" title="网络处理器">网络处理器" title="网络处理器">网络处理器" title="网络处理器">网络处理器" title="网络处理器">网络处理器" title="网络处理器">网络处理器" title="网络处理器">网络处理器" title="网络处理器">网络处理器" title="网络处理器">网络处理器" title="网络处理器">网络处理器" title="网络处理器">网络处理器" title="网络处理器">网络处理器" title="网络处理器">网络处理器" title="网络处理器">网络处理器" title="网络处理器">网络处理器" title="网络处理器">网络处理器" title="网络处理器">网络处理器" title="网络处理器">网络处理器" title="网络处理器">网络处理器" title="网络处理器">网络处理器" title="网络处理器">网络处理器" title="网络处理器">网络处理器" title="网络处理器">网络处理器" title="网络处理器">网络处理器" title="网络处理器">网络处理器" title="网络处理器">网络处理器" title="网络处理器">网络处理器" title="网络处理器">网络处理器" title="网络处理器">网络处理器" title="网络处理器">网络处理器" title="网络处理器">网络处理器" title="网络处理器">网络处理器" title="网络处理器">网络处理器" title="网络处理器">网络处理器" title="网络处理器">网络处理器" title="网络处理器">网络处理器" title="网络处理器">网络处理器" title="网络处理器">网络处理器" 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  关键词: 服务质量  网络微处理器  可编程状态机技术  协处理器  路由器 

 

1 在IP网络中实现QoS的必要性 

  QoS(Quality of Service) 是网络使用各种技术,为选定的传输量提供更好的服务。QoS的主要目的包括保证足够的带宽,可控制抖动和延迟(为一些实时和交互式的传输量)及改良的丢包特性。 

  传统的IP网络是一个尽力而为(Best Effort)的系统,既不能保证分组传输的及时性,也不能保证分组的时间序列性——这是因为它更关注向哪里发送分组,而较少注意发送分组的时间。但是,随着网络多媒体的应用和网络上PC数量的爆炸式增长,提出许多新要求:企业的IP intranet和商业IP骨干网应在端到端的行为上具有更高的可预测性;中级和顶级IP骨干网的ISP也需要在其广域IP网络上提供可预测的并有保证的服务;由于带宽不是无限的,传统的解决方法——“网络出现拥塞时就增加带宽”也变得不再实用。因此,通过对网络资源的合理分配来满足各种业务需求的QoS控制机制已成为IP网络的迫切要求,也是多业务互联网的基础。 

2 路由器如何提供QoS 

  为实现QoS,除了转发分组到正确的下一跳之外,路由器必须实现分类、排队和调度功能以提供不同的转发特性。分组分类阶段建立一个分组在随后的路由器中被处理的上下文(context),用于建立瞬时处理特性(管制、标记、排队和调度)。对于现有的IP网络,通常采用MF分类。典型的MF分类器要求分类关键字覆盖标识特定终端的源和目的IP地址。当分组通过路由器时,将检查地址、协议和端口号多达104比特。 

3 网络微处理器 

  网络微处理器是对网络上传输的数据进行高效快速处理的专用微处理器,主要功能是对网络上传输的数据分组提供高效快速的处理以及QoS功能的实现。网络处理功能模块位于物理层和转换功能之间,主要完成对分组的成帧和验证、分类、修正、加密以及排队的功能。如图1所示。 

 

 

  网络应用的巨大市场吸引了包括Intel、Vitesse、IBM、Solidum等众多世界顶级集成电路生产厂家。在目前领先的十几家网络处理器供应商中,没有哪两家的产品是完全一样的。有些供应商主要针对局域网或边缘配置,另一些则倾向于主干网或广域网。网络处理器的类型也很多,因此定义网络处理器比定义存储器、PLD这样的半导体产品更加复杂。本文采用广义的网络处理器定义,即包括可以完成全部或部分网络处理功能的专用处理器。 

  目前各种NPU的体系结构可分为4种类型: 

  (1)嵌入式 RISC 

  使用常用的可编程RISC(Reduced Instruction Set Computers),RISC机每秒可执行一定数目的指令。但是RISC机的核心——基本控制器是一个硬件编码(hard-coded)状态机。该状态机的功能一般是为了更方便地获取和执行指令,而不是直接执行分类功能,因此效率不高。其代表产品是Intel公司的“IXP1200网络微处理器”,主要用于硬件路由器的智能切换处理以及频带控制等的QoS处理。 

  (2)大规模并行处理    

  大规模并行处理体系在处理大量相互独立的数据时非常有效,但它的价格较高,硬件设计的灵活性和软件设计的可编程性不高。另外,在对多个数据分组进行并行处理时,会丢掉队分组间关联状态的分析。 

  (3)基于CAM 

  以CAM为基础的体系结构是目前市场上流行、较为便宜的一种解决方案。CAM包含了一个巨大的、可快速查找的数据表。CAM的内容描绘了将被查找数据的位模式,分类需查看分组中的n比特,可能的位模式为2n。但由于实际上许多组合是不存在的,因此CAM只需存储可能的位模式的一部分。例如在简单分类中n=64,则可能的位模式可达264(2×1019),而实际需要的CAM也许只要1M比特。但在下一代Internet上,为分组和应用服务提供QoS,需要检测分组中的128~256 比特,即有2128~256种组合,这就需要很多的CAM。典型的产品如Sibercore公司的SiberCAMTM Ultra-2M,它以一个专用先进的三态CAM结构为基础,可用于几千兆/兆兆的路由器和多层次的企业交换器。Ultra-2M通过使用掩码来降低位模式的存储量,最多可使数据项由原来的2n个降到2(n-1)个,解决了多比特分类对CAM容量的要求。有较强的自学习功能,但在可编程性上还有待改进。 

  (4)可编程状态机(Programmable State Machine)      

  传统的PSM技术存在的问题是:其策略由状态树(state tree)描绘,当策略必须深入检查分组的k比特时,状态树将会有 2k-1个叶子,当k比较大时(而这又是实现QoS的必然要求),对存储器的要求将不能被满足。对此,Solidum 公司提出以状态图(state graph)代替状态树对策略(policy)进行描述的解决方案,并通过一系列应用程序对存储器进行最优化,结果可使一个复杂的策略在协议应用层只占用512K的RAM。代表产品是去年上市的PAX.port 1100分类器,使用增强型PSM体系结构,由一个与存储器结构相连接的高密引擎组成,可以用线速识别和标记分组。值得一提的是,PAX.port 1100有一套专门的软件开发工具PAX.works,这是一套提供开发运行环境的软件,可使用PAX PDL创建PAX.port 1100分类器的策略存储器的内容。PAX PDL是第四代语言,与C语言类似。可以说,在各种类型的微处理器中,PAX.port 1100在可编程上占有优势。 

4 网络微处理器的应用 

  网络处理器可用于WAN边缘设备、DiffServ路由器、协议分析器、VOIP网关和防火墙等网络设备上。以路由器为例,图2是一个典型的分布式交换网的结构。 

 

 

  其中,每一个line card的结构如图3所示。 

 

 

  表1比较了在不同的应用中,如防火墙、虚拟专用网络服务(VPN)、VOIP(Voice over IP)网关、层间交换L(n)SW (Layer N Switches)、SeNIC(Security Network Interface Cards)和cable HE(Head end Equipment)等处理功能所占的带宽百分比。 

 

 

  可以看出:大部分网络处理带宽均与数据包的分类有关。在实现QoS的体系中,必须等到分类完成,网络应用才可以知道在要求的服务下如何处理分组。因此,无论网络处理是由硬件完成还是由软件完成,大部分的处理周期都将用在分类上。因此,将用于完成分类或查找功能的专用处理器作为协处理器结合使用,无论是对传统路由器的升级,还是提高网络处理器的速度和性能,都是一种经济高效的方法。 

  采用图4所示的子系统设计,CPU在分组分类、解析和查表上的高强度作业负载将从网络处理分离到CAM联合处理器子系统中去,网络设计者将获得线路速度的提高。这种方法具有灵活的、可编程的分组分类能力和高速查表的解析能力及升级维护方便的特点,增强了OEM线路卡的整体灵活性,减少了网络处理所需板卡固定资产的总量,从而降低了制造成本。 

 

 

5 网络微处理器的发展趋势 

  网络微处理器的地位不管是在市场上还是在技术上都日渐巩固。网络微处理器除了要满足局域网和广域网对带宽需求的增长以外,还要以线速对数据、语音以及视频信号进行排序和处理,以满足下一代因特网服务需求。 

  网络微处理器有两大发展趋势,一是能够通过网络处理器产品线提供更多网络功能选择。网络芯片供应商们正在设法获取专门技术,使其能够在网络微处理器之外,进一步推出宿主CPU、交换结构、搜索引擎以及支持接口芯片等。二是可编程性,通信网络技术发展日新月异,而基于可编程的网络微处理器能方便、快速地升级并增加新功能,延长设备的生命周期。因此,可编程性将成为网络微处理器的主流。另外,因特网的安全性和数据流量分类越来越引起人们的重视,这要求网络微处理器能智能化地识别与处理经过分组的流量,更好地满足网络处理要求。 

参考文献 

1 Shay, W.A著,高传善译.数据通信与网络教程.北京:机械工业出版社 

2 Grenville Armitage著,隆克平,龚向阳译.IP网络的服务质量.北京:机械工业出版社 

3 李津生, 洪佩琳.下一代的Internet技术.北京:人民邮电出版社, 

4 网络微处理器研发动态.(电子文档,摘自 www.21ic.com) 

5 高速路由器技术.电子文档,摘自CHINA通信网
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