導語：IP2800網(wǎng)絡(luò)處理器管理論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要本文介紹了一種基于Intel2800網(wǎng)絡(luò)處理器實現(xiàn)路由器的方法，按照該方法設(shè)計的路由器可以線速處理10G流量的SDH數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵字網(wǎng)絡(luò)處理器；路由器；10G

引言

隨著Internet技術(shù)的飛速發(fā)展,新興的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)不斷出現(xiàn),要求網(wǎng)絡(luò)設(shè)備具有線速處理能力，同時具有很強的靈活性，以滿足不同的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的需要。網(wǎng)絡(luò)處理器就是為了解決這一問題而研制的一種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,網(wǎng)絡(luò)處理器既具有ASIC芯片的高速處理性能，同時又具有通用處理器的可編程特性,既能完成線速處理分組所要求的高性能硬件功能，又能保證系統(tǒng)的靈活性。

路由器作為網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備，其性能直接影響到網(wǎng)絡(luò)傳輸性能和效果。隨著新業(yè)務(wù)的不斷出現(xiàn)，路由器功能已經(jīng)不僅僅是轉(zhuǎn)發(fā)分組,而需要提供新的服務(wù):如集成服務(wù),區(qū)分服務(wù),擁塞控制等等。同時,人們還要求路由器能夠支持靈活的配置并提供通用的編程平臺。

網(wǎng)絡(luò)處理器的特點恰好可以滿足對路由器的新的要求。因此基于網(wǎng)絡(luò)處理器設(shè)計路由器,正日益成為國內(nèi)外相關(guān)研究的熱點以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商的首選方案。

1路由器體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢

路由器的體系結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了從單處理器到并行處理器，從共享總線到交換結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程。第一代路由器中，全體線路接口共享內(nèi)部總線,隨著網(wǎng)絡(luò)上業(yè)務(wù)量和接口模塊的增加,總線上數(shù)據(jù)也隨之增加,同時分組的尋路、轉(zhuǎn)發(fā)都是由軟件處理,加重了CPU的處理負擔,使路由器傳輸性能迅速下降。

第二代路由器增強了線路接口卡的功能,該卡上配有一定容量的存儲器和一個存儲路由信息的本地Cache。第二代路由器提高了系統(tǒng)的效率,但仍有兩個問題未解決:第一，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大，各個端口上的數(shù)據(jù)流量越來越大，各個端口中包含到達不同目的地的流量越來越多，造成cache命中率下降，導致路由器性能下降。第二，共享總線的體系結(jié)構(gòu)決定了一旦達到共享總線帶寬的極限值，性能很難繼續(xù)提高。

第三代路由器設(shè)計，邏輯上將控制功能和數(shù)據(jù)功能兩個主要平面分開，控制平面負責路由表維護、設(shè)備管理和異常處理等功能；數(shù)據(jù)平面負責轉(zhuǎn)發(fā)報文?？刂破矫嬗址Q之為慢速通道，是速度比較慢的通路，因此大部分數(shù)據(jù)流量不經(jīng)過它，主要是少量的路由和協(xié)議通信報文。控制平面的大部分功能仍然在通用的處理器上由軟件實現(xiàn)。數(shù)據(jù)平面負責轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報文，屬于快速通道，線速處理數(shù)據(jù)報文。在數(shù)據(jù)平面的輸入側(cè)，報文經(jīng)過分類，用目的IP地址查找路由并轉(zhuǎn)發(fā)。在數(shù)據(jù)平面的輸出側(cè)，報文必須被調(diào)度或者排隊；對簡單的IP路由，意味著報文需要被放置到正確的輸出端口隊列中，但QoS保證要求更高級的隊列調(diào)度算法。

網(wǎng)絡(luò)處理器數(shù)據(jù)平面和控制平面分離的體系結(jié)構(gòu)非常適用于開發(fā)第三代的路由器。

2IntelIXP2800網(wǎng)絡(luò)處理器介紹

IXP2800網(wǎng)絡(luò)處理器是Intel公司的新一代網(wǎng)絡(luò)處理器，支持10Gbps流量數(shù)據(jù)處理，具有16個1.4GHz的微引擎和一個700Mhz的核心處理器Xscale，可配置3塊RDRAM和4塊QDRSRAM，支持標準的線卡/交換接口標準SPI－4.2或CSIX－L1。

IXP2800網(wǎng)絡(luò)處理器具有以下的特點：

1)采用多內(nèi)核并行處理器結(jié)構(gòu)。片內(nèi)處理器按任務(wù)分為控制平面處理器（核心處理器）和數(shù)據(jù)層面處理器（微引擎）?？刂破矫嫣幚砥魍ǔＸ撠煼菍崟r的管理任務(wù)；數(shù)據(jù)平面處理器進行實時、線速數(shù)據(jù)分組處理。

2)支持硬件多線程。為了提高網(wǎng)絡(luò)處理器的資源利用率，每個微引擎還支持八個硬件線程。每個線程都有一套專門的硬件來存放上下文（Context），以獲得線程切換的零開銷。

3)優(yōu)化指令集和專用硬件加速處理單元。采用RISC技術(shù)，結(jié)合多級流水線技術(shù)，大部分指令在一個時鐘周期完成。針對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理特點，設(shè)置專用硬件加速處理單元，提供專用指令。

4)優(yōu)化的分級存儲組織和分布式存取。在微引擎內(nèi)部有大量的不同類別的寄存器、本地存儲器、CAM，在微引擎外部有片內(nèi)存儲器Scratchpad。在網(wǎng)絡(luò)處理器外部可以擴展大容量的片外存儲器SRAM和SDRAM。多層次的存儲組織為用戶提供不同速率、不同容量的存儲器，便于用戶根據(jù)應(yīng)用的需求靈活配置。另外，不同的存儲器有獨立的總線支持，程序模塊可并行訪問多種數(shù)據(jù)存儲單元。

5)硬件支持的環(huán)和隊列操作。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理涉及很多隊列或環(huán)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)操作，而入隊和出隊操作需要多次訪問內(nèi)存，極大地影響了數(shù)據(jù)處理分組處理的周期。IXP2800中的SRAM控制器提供了基于SRAM的先入先出隊列，通過硬件實現(xiàn)了環(huán)和隊列操作。

3基于網(wǎng)絡(luò)處理器實現(xiàn)的路由器的結(jié)構(gòu)

3.1硬件體系結(jié)構(gòu)

為了滿足10G流量的數(shù)據(jù)處理能力和可擴展性的要求，一共使用了三臺IXP2800網(wǎng)絡(luò)處理器。POS成幀器的一個輸入輸出端與SDH網(wǎng)絡(luò)相連，其一個輸出端作為第一個入口IXP2800的輸入，經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)，從第一個入口IXP2800輸出到第二個入口IXP2800，數(shù)據(jù)經(jīng)過相應(yīng)的處理，從第二個入口IXP2800經(jīng)過CSIX交換網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)匠隹贗XP2800，然后通過出口IXP2800發(fā)送到成幀器，通過成幀器的輸入輸出端發(fā)送到SDH。至此，整個數(shù)據(jù)包的分類和路由完成。

3.2網(wǎng)絡(luò)處理器的軟件模塊結(jié)構(gòu)

第一個入口IXP2800從功能上可以分為包接收模塊，預(yù)分類和轉(zhuǎn)發(fā)模塊和SPI4發(fā)送模塊。從Media接口接收進來的POS數(shù)據(jù)，經(jīng)過PPP頭部剝離后，完成預(yù)分類，根據(jù)IP數(shù)據(jù)包的類型，進行IPv4轉(zhuǎn)發(fā)，或者IPv6轉(zhuǎn)發(fā)。最后，SPI4發(fā)送模塊通過SPI4接口把數(shù)據(jù)發(fā)送到第二個入口IXP2800，繼續(xù)進行處理。

第二個入口IXP2800從功能上可以分為SPI4接收模塊，分類模塊，統(tǒng)計模塊，cell(48字節(jié)長度的數(shù)據(jù)塊)隊列管理模塊，cell調(diào)度模塊和CSIX發(fā)送模塊。從SPI4接口接收前一個IXP2800傳輸來的數(shù)據(jù)，通過分類器完成分類后，進行相應(yīng)的統(tǒng)計，最后，經(jīng)過cell隊列管理模塊，cell調(diào)度模塊和CSIX發(fā)送模塊，通過CSIX交換網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到出口IXP2800。

出口IXP2800從功能上可以分為CSIX接收模塊，包調(diào)度模塊，包隊列管理模塊和包發(fā)送模塊。通過CSIX交換網(wǎng)絡(luò)接收前一個IXP2800發(fā)送來的數(shù)據(jù)，調(diào)度和隊列管理功能后，通過Media接口發(fā)送出去。

3.3資源分配和數(shù)據(jù)流的說明

3.3.1第一個入口IXP2800的資源分配和數(shù)據(jù)流

包接收模塊：該模塊把接收到的數(shù)據(jù)寫到DRAM，同時把數(shù)據(jù)描述符寫到SRAM。SDH數(shù)據(jù)經(jīng)過成幀器后，被組裝成第二層數(shù)據(jù)包，MSF把數(shù)據(jù)包分割成一個個固定大小的微包。接收模塊接收SPI－4總線上的微包，根據(jù)接收狀態(tài)字，把微包組裝成第二層數(shù)據(jù)包，把組成的數(shù)據(jù)幀從接收緩沖區(qū)復(fù)制到SDRAM中，同時，包描述符寫到SRAM中。存放數(shù)據(jù)包的緩沖區(qū)的句柄和其余的關(guān)于數(shù)據(jù)包的描述信息通過ScratchRing傳給預(yù)分類和轉(zhuǎn)發(fā)模塊。

預(yù)分類和轉(zhuǎn)發(fā)模塊：該模塊包括PPP剝離/預(yù)分類微塊和IPv4/IPv6處理微塊，共占用8個ME。

PPP剝離/預(yù)分類微塊去掉數(shù)據(jù)包的第二層PPP頭部，并根據(jù)PPP頭部中相關(guān)字段的信息，把數(shù)據(jù)包分類成IPv4數(shù)據(jù)包，IPv6數(shù)據(jù)包，或者PPP控制數(shù)據(jù)包。PPP控制數(shù)據(jù)包交給XScale核心處理器處理，其余的數(shù)據(jù)包交給相應(yīng)的處理模塊處理。

IPv4轉(zhuǎn)發(fā)微塊：該模塊檢查IP數(shù)據(jù)包是否是有效數(shù)據(jù)，如果是無效數(shù)據(jù)，丟棄該IP數(shù)據(jù)包。如果是有效的IP數(shù)據(jù)包，根據(jù)IP頭部執(zhí)行最長前綴匹配（LPM）算法，如果找到了一個匹配結(jié)果，在該數(shù)據(jù)包中做標記，交給統(tǒng)計模塊；如果沒有匹配的結(jié)果，則該IP數(shù)據(jù)包交給XScalecore做進一步的處理。

IPv6處理微塊：該模塊包括IPv6轉(zhuǎn)發(fā)子模塊，隧道剝離和隧道封裝子模塊。IPv6轉(zhuǎn)發(fā)子模塊的功能同IPv4轉(zhuǎn)發(fā)子模塊的功能近似。隧道剝離子模塊處理到達終點的封裝了IPv6數(shù)據(jù)包的IPv4數(shù)據(jù)報。隧道封裝子模塊處理需要封裝成IPv4的IPv6數(shù)據(jù)包。一個封裝的IPv6數(shù)據(jù)包首先經(jīng)過IPv4轉(zhuǎn)發(fā)模塊，經(jīng)過LPM查詢后，其下一跳信息標志一個隧道，則該數(shù)據(jù)包被發(fā)送給隧道剝離子模塊，然后交給IPv6轉(zhuǎn)發(fā)子模塊，經(jīng)過IPv6的LPM查詢后，如果需要經(jīng)過一個隧道，則交給隧道封裝子模塊，最后封裝完成的數(shù)據(jù)包像IPv4數(shù)據(jù)包一樣處理。

SPI4發(fā)送模塊：該模塊通過SPI4接口發(fā)送數(shù)據(jù)包。該模塊與發(fā)送模塊類似，只是沒有了到調(diào)度模塊的反饋，同時在每一個數(shù)據(jù)包之前加上了一些額外信息，一起發(fā)送給第二個入口IXP2800。

3.3.2第二個入口IXP2800的資源分配和數(shù)據(jù)流

SPI4接收模塊：該模塊通過SPI4接口接收前一個入口IXP2800發(fā)送的數(shù)據(jù)，并組裝成完整的IP數(shù)據(jù)包。該模塊與包接收模塊類似，只是在接收到的每一個數(shù)據(jù)包前有額外的描述信息，根據(jù)這些信息來形成數(shù)據(jù)包的包描述符。把包描述符寫到scratchring中交給分類模塊。

分類模塊：從scratchRing中讀取數(shù)據(jù)的描述信息，讀取數(shù)據(jù)包頭部，存儲到傳輸寄存器中，使用分類器進行分類，并在每一個數(shù)據(jù)包的描述符中做出相應(yīng)的標記。把做過標記的數(shù)據(jù)包的描述信息寫到scratchring中，給后續(xù)模塊使用。

統(tǒng)計模塊：從scratchring中讀取數(shù)據(jù)的描述信息，統(tǒng)計每一個類別的數(shù)據(jù)包的個數(shù)，統(tǒng)計完成后，把數(shù)據(jù)包的描述信息寫到scratchring中，給后續(xù)模塊使用。

Cell隊列管理模塊：與包隊列管理模塊算法相同，只是包隊列管理模塊是基于數(shù)據(jù)包的，而該模塊是基于cell的。

CSIX調(diào)度模塊：與包調(diào)度模塊的算法相同，只是包調(diào)度模塊是基于數(shù)據(jù)包的，該模塊是基于C幀（固定長度的數(shù)據(jù)塊）來調(diào)度的。

CSIX發(fā)送模塊：該模塊從SPI4接口上發(fā)送數(shù)據(jù)包。該模塊的算法與發(fā)送模塊相同，只是發(fā)送模塊是基于數(shù)據(jù)包發(fā)送的，而該模塊是基于C幀發(fā)送的。

3.3.3出口IXP2800的資源分配和數(shù)據(jù)流

CSIX接收模塊：該模塊從CSIX交換網(wǎng)絡(luò)接收C幀，把它們組裝成IP數(shù)據(jù)包。根據(jù)接收的數(shù)據(jù)，形成IP數(shù)據(jù)包的描述符信息，存儲在Scratchring中，交給后續(xù)模塊處理。

包隊列管理模塊：該隊列管理器在SRAM隊列上執(zhí)行入隊列和出隊列操作，QM從scratchring接收到一個來自分類模塊的入對列請求，在隊列上執(zhí)行入隊列操作；從調(diào)度ME得到出隊列消息，在隊列上執(zhí)行出隊列操作。當隊列在空與非空之間轉(zhuǎn)換時，QM通過鄰居寄存器發(fā)送一個轉(zhuǎn)換消息給調(diào)度，每完成一個出隊列操作，QM就會向發(fā)送scratchring中傳遞一個發(fā)送請求。

包調(diào)度模塊：調(diào)度的功能就是從所有的隊列中選擇一個準備發(fā)送的packet后，向QM發(fā)送一個出隊列請求，調(diào)度的另一個任務(wù)就是處理QM返回的對于出隊列請求的回復(fù)消息。一共有兩個線程：一個調(diào)度線程和一個QM消息處理線程。調(diào)度線程實際調(diào)度一個隊列，并且給QM發(fā)送出隊列請求。消息處理線程處理從QM回來的消息。

包發(fā)送模塊：發(fā)送通過MSF向千兆網(wǎng)口發(fā)送數(shù)據(jù)包，發(fā)送模塊從scratchring中取出一個發(fā)送請求（來自QM，用來訪問包描述符），并把取到的包切割成微包，并通過數(shù)據(jù)包描述信息中指定的端口發(fā)送出去，所有分段發(fā)送完之后，包緩沖區(qū)再循環(huán)使用。發(fā)送模塊周期性地與調(diào)度模塊通信，以通知調(diào)度有多少包發(fā)送成功，如果端口上隊列中的包數(shù)目超過一個限定（就是指這個隊列中的包被調(diào)度但是一直沒有發(fā)送出去），就不再對這個端口上的隊列進行調(diào)度。

4結(jié)束語

本文介紹了一種基于IntelIXP2800網(wǎng)絡(luò)處理器的可以處理10G數(shù)據(jù)流量的路由器的實現(xiàn)方法，在一些模塊的設(shè)計上使用了比較簡單的方法，隨著各個模塊的逐步完善，通過該設(shè)計實現(xiàn)的路由器的靈活性必將更好，效率必將更高。

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