使用網(wǎng)絡(luò)處理器來(lái)設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),，和設(shè)計(jì)時(shí)所采用的設(shè)計(jì)方法,，與傳統(tǒng)的方法相比都很不相同。影響最大的是設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn),，設(shè)計(jì)人員的注意力將從硬件線路和通信協(xié)議的細(xì)節(jié)的考慮中,，轉(zhuǎn)向軟件、服務(wù)以及最終用戶的技術(shù)要求方面,。也就是說(shuō),，設(shè)計(jì)將是以軟件為中心，以通信服務(wù)為中心,，和以最終用戶的技術(shù)要求為注意的集中點(diǎn),。設(shè)計(jì)公司將一改過(guò)去集中注意于硬件設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)，轉(zhuǎn)而將注意力集中于用戶所需要的服務(wù)方面,，并考慮如何使用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶所需要的服務(wù),。

    這些變化與進(jìn)展在相當(dāng)大程度上應(yīng)該歸功于網(wǎng)絡(luò)處理單元（NPU, network processing unit）的推動(dòng)。在這種情況下,，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員如果對(duì)于網(wǎng)絡(luò)處理器能夠運(yùn)用自如,，那么就可以充分了解網(wǎng)絡(luò)處理器的作用，并且能夠感覺(jué)到,，與使用網(wǎng)絡(luò)處理器隨之而來(lái)的潛在自由空間,。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員也才有可能最大限度地發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)處理器的潛能。

    附圖是系統(tǒng)原理圖,，它顯示出網(wǎng)絡(luò)處理器在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所處的重要位置,。NPU一般位于物理層（MAC或幀調(diào)節(jié)器）線路和交換結(jié)構(gòu)之間。在圖中并串行/串并行轉(zhuǎn)換器(SERDES)在NPU和交換結(jié)構(gòu)造之間起接口作用,。

NPU的運(yùn)行速度有待提高

    表1給出了在不同的數(shù)據(jù)傳輸速率條件下,，網(wǎng)絡(luò)處理器處理一個(gè)40字節(jié)的分組（最小的通信分組）所需要的時(shí)間。例如,，在數(shù)據(jù)傳輸速率為1G位/秒時(shí),，網(wǎng)絡(luò)處理器可以有360 ns 的時(shí)間來(lái)處理此分組。在這段時(shí)間內(nèi),，NPU必須對(duì)分組進(jìn)行檢查,，語(yǔ)法分析，以及必要的編輯和查表（有時(shí)對(duì)于分組的內(nèi)容需要按照不同的策略采取不同的處理措施，有的繼續(xù)向前傳送,，有的要送去排隊(duì),，有的需要作標(biāo)記；一般說(shuō)來(lái),，對(duì)于一個(gè)分組可能要進(jìn)行2到3種數(shù)據(jù)庫(kù)的查表處理）,。對(duì)于即使是比較低的傳輸速率1G位/秒，網(wǎng)絡(luò)處理器也只有360 ns 來(lái)完成上述作業(yè),；如果傳輸速率為100G位/秒,，對(duì)于每個(gè)分組就只有3.6 ns 的時(shí)間來(lái)進(jìn)行處理了。

    從目前情況來(lái)看,，價(jià)格適中的SRAM,，存取時(shí)間為10 nsec，有望提高到5 nsec,。如果將一個(gè)10 nsec的SRAM用于1G/秒的數(shù)據(jù)流,，在留給處理分組的360 nsec 時(shí)間窗口內(nèi)，只能對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行36次的存取,。如果用于10 G位/秒的數(shù)據(jù)流,，存取次數(shù)將減少到只能進(jìn)行3次了；即使是采用5 nsec的SRAM,，也只能進(jìn)行7次存取,。

    從表1所給出的數(shù)據(jù)可以看出，為了有效地提高數(shù)據(jù)處理速率,，只能將處理步驟分段,，并采用流水線的方式來(lái)進(jìn)行處理，或者采用多個(gè)處理機(jī)來(lái)并行處理（即多個(gè)處理機(jī)同時(shí)對(duì)不同分組進(jìn)行處理）,。這種解決辦法,，對(duì)于策略查表存儲(chǔ)器，和內(nèi)容尋址存儲(chǔ)器（CAM）都適用,。例如,，對(duì)于40 G位/秒的數(shù)據(jù)流，采用10 nsec 的存儲(chǔ)器,，在允許的時(shí)間內(nèi)一次存取也進(jìn)行不了,。這時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須采用許多并行的存儲(chǔ)器陳列,。

    網(wǎng)絡(luò)處理器可以按照它們對(duì)于數(shù)據(jù)處理的速率來(lái)進(jìn)行分類,。在表1的中間部分列出了對(duì)于一定的數(shù)據(jù)速率，需要采用的網(wǎng)絡(luò)處理器種類和數(shù)量,。例如,，對(duì)于2.5 G位/秒的數(shù)據(jù)流,，需要使用3個(gè)1G位/秒的處理器來(lái)進(jìn)行處理。而對(duì)于100 G位/秒的數(shù)據(jù)流,，則需要144個(gè)這樣的處理器,。對(duì)于這樣的數(shù)據(jù)流，也許改為采用12個(gè)OC-192處理器,，或兩個(gè)OC-768處理器更合適一些,。

表1 對(duì)網(wǎng)絡(luò)處理器處理速率的要求（以每分組40字節(jié)為例）

    除了實(shí)際處理分組需要時(shí)間以外，將分組從網(wǎng)絡(luò)一方轉(zhuǎn)移進(jìn)來(lái),，和將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到交換結(jié)構(gòu)一方去也去要花費(fèi)時(shí)間。表2給出的分?jǐn)倳r(shí)間是總時(shí)間的25%,。以上數(shù)字對(duì)于MAC接口是很符合實(shí)際的假設(shè),，但是對(duì)于交換結(jié)構(gòu)接口，由于分段(segmentation)的效率一般只有50%,，因此在計(jì)算時(shí)需要留下100%的速度余度,，才能跟得上通信線路的速度。

表2 對(duì)于網(wǎng)絡(luò)媒體/交換結(jié)構(gòu)接口的要求

    從表2可以看出,，對(duì)于10G位/秒的傳輸速率,，如果采用32位單數(shù)據(jù)速率（SDR）總線，則總線必須工作在391MHz,。而對(duì)于40G位/秒的傳輸速率,，假定采用64位SDR總線，總線必須工作在781MHz,。表3總結(jié)了對(duì)分組緩沖存儲(chǔ)器的要求,。分組緩沖存儲(chǔ)器至少必須具有3倍用通信線路的速度的傳輸速率（300%的速度余度）。表3中分門(mén)別類地給出了這一要求,。例如,，對(duì)于10G位/秒的傳輸速率，如果采用的是64位的雙倍數(shù)據(jù)速率（DDR）緩沖存儲(chǔ)器,，則需要工作在313MHz以上的頻率,。

表3 對(duì)分組緩沖存儲(chǔ)器的要求

網(wǎng)絡(luò)處理單元（NPU）的結(jié)構(gòu)問(wèn)題

    網(wǎng)絡(luò)處理器和中央處理單元（CPU）不同。網(wǎng)絡(luò)處理器需要對(duì)它所需要進(jìn)行處理自行抽象提取,。它必須能夠識(shí)別字段（field）,，分組(packet)，和數(shù)據(jù)流(flow),。它必須對(duì)于它所需要進(jìn)行的處理功能,，例如：語(yǔ)法分析，編輯,，搜尋,，和調(diào)度等,，具有特殊的運(yùn)算能力。

    在程序編制模型方面,，網(wǎng)絡(luò)處理器和CPU并沒(méi)有根本的不同：它也是一個(gè)可以儲(chǔ)存程序的微編碼機(jī),。但是在數(shù)據(jù)的模型方面則有很大的區(qū)別。NPU處理的是一種恒定的連續(xù)數(shù)據(jù)流（一種數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)）,，因此不需要將數(shù)據(jù)從一個(gè)大容量存儲(chǔ)器中移進(jìn)移出,。如上所述，網(wǎng)絡(luò)處理器為了滿足一定的數(shù)據(jù)速率,，絕對(duì)地需要并行處理,，或流水線（pipelined）結(jié)構(gòu)，或者兩種方式同時(shí)都需要采用,。

    另一個(gè)問(wèn)題是網(wǎng)絡(luò)處理器的可編程性能,。一個(gè)極端是使它具有最大的可編程性，因而使它具有最大的靈活性,，也可以在最大程度上適應(yīng)未來(lái)的發(fā)展變化（即使它可以通過(guò)新開(kāi)發(fā)的軟件使系統(tǒng)改變或升級(jí),，而不是當(dāng)要求改變系統(tǒng)時(shí)就更新硬件）。這種方式的缺點(diǎn)是,，為了完成一項(xiàng)作業(yè)需要執(zhí)行許多個(gè)指令,，因而可能導(dǎo)致缺乏凈空（headroom）。

    另一種折衷方式,，稱為“適當(dāng)程度的可編程性”,。這種方式提供一定程度的可編程性以適應(yīng)變化的需要，或者說(shuō)使處理器具有一定的靈活性,。但是它不能適應(yīng)完全的重新編程的需要,。和RISC型的CPU類似（RISC采用簡(jiǎn)約的有效指令集，以提高CPU速度）,；而NPU則通過(guò)提供適當(dāng)?shù)目删幊绦?，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠犧牲某些靈活性，去提高運(yùn)行速度,，換取更多的性能凈空,。

    對(duì)于運(yùn)行在載體網(wǎng)絡(luò)核心的交換機(jī)和路由器，速度的要求高于一切,。這些在網(wǎng)際間工作的裝置,，不需要進(jìn)行復(fù)雜的分組處理功能，只是要求將分組以最大的線速度向前傳送,。與此相反,，在企業(yè)網(wǎng)的邊沿，線速度明顯地比較低,，而交換機(jī)對(duì)分組的處理能力卻要求相當(dāng)?shù)母?。例如,，?duì)于多協(xié)議標(biāo)記交換機(jī)，它處于網(wǎng)絡(luò)的邊沿,，需要對(duì)某些數(shù)據(jù)流進(jìn)行識(shí)別并相應(yīng)地對(duì)某些分組予以標(biāo)記,。

    交換機(jī)的設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)這些不同的要求，以及交換機(jī)所處的位置,，為預(yù)計(jì)在企業(yè)網(wǎng)邊沿使用的交換機(jī)選擇可以充分編程的NPU,。而對(duì)于將應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)核心部位的交換機(jī)，則應(yīng)該選擇編程能力有限,，但是具有較高速度的NPU,。

網(wǎng)絡(luò)處理器的實(shí)現(xiàn)方式

    網(wǎng)絡(luò)處理器的實(shí)現(xiàn)方式大體上可以分為三種。一種是采用專用的ASIC或FPGA（后者往往功能不夠完整,，或者性能不夠理想）,。這種方式就是依靠“硬件”的方式，它具有最高的性能,，但是靈活性也最差（因?yàn)樵O(shè)計(jì)決策是熔制在硅的體內(nèi)）。此外,，ASIC的開(kāi)發(fā)過(guò)程比較長(zhǎng),，一次性的、不可重復(fù)使用的投入的費(fèi)用也比較高,。

    另一種方式是將許多個(gè)RISC CPU做在一塊芯片上,，采用對(duì)稱多重處理的運(yùn)行方式（使用微編碼將通用CPU轉(zhuǎn)變成為專用的網(wǎng)絡(luò)處理器）。這種實(shí)現(xiàn)方式,，由于NPU的一切行為幾乎都是通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)的,，因此靈活性最高。這種方式所需要的開(kāi)發(fā)時(shí)間比較短,，它展現(xiàn)在設(shè)計(jì)人員面前的形象是設(shè)計(jì)人員十分熟悉的編程模型,。然而，隨著軟件復(fù)雜性的增加,，這種方式的費(fèi)用也在增長(zhǎng),。由于嚴(yán)重地依賴軟件，這種方式實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng),，與采用專用ASIC實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)相比性能較差,，所消耗的功率也較多。

    介乎上述二者之間的一種實(shí)現(xiàn)方式是流水線方式,，它采用一些具有不同功能的專用處理器,，組成“裝配線”型式的數(shù)據(jù)流構(gòu)造。采用流水線方式實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng),，性能接近用ASIC實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng),，而在編程的靈活性方面又和多處理器實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)相差不多,。

衡量NPU技術(shù)水平的尺度

    設(shè)計(jì)人員十分關(guān)心的一個(gè)問(wèn)題是技術(shù)水平。衡量技術(shù)水平,，可以從幾個(gè)不同的層次加以分析,。

    * 在芯片層次，人們關(guān)心的問(wèn)題是：在一個(gè)芯片上究竟可以容納多大的處理能力,？根據(jù)當(dāng)前的技術(shù)水準(zhǔn),，在一個(gè)芯片上可以做成10G位/秒的NPU。

    * 在線路卡（line-card）層次,，問(wèn)題在于：一張線路卡可以安置多少塊芯片,？同樣重要的是：使用一個(gè)小型交換結(jié)構(gòu)或一個(gè)共用的總線，究竟可以將多少塊芯片放在一個(gè)線路卡上,，正常地并行運(yùn)行,？現(xiàn)在看來(lái)，可以在一張卡上安置足夠的處理能力,，使之達(dá)到100G位/秒的傳輸要求,。

    * 在機(jī)架或機(jī)箱層次，問(wèn)題在于,，一個(gè)機(jī)架或機(jī)箱,，通過(guò)一個(gè)交換結(jié)構(gòu)可以容納多少?gòu)埦€路卡進(jìn)行信息傳遞？現(xiàn)在看來(lái)一個(gè)機(jī)架實(shí)現(xiàn)數(shù)太拉（1012）位的傳輸能力是可能的,。

    * 在機(jī)房層次,，問(wèn)題在于，究竟多大規(guī)模的機(jī)架簇群可以連接在一起仍然能夠進(jìn)行有效的通信,？目前在這個(gè)層次上,，還沒(méi)有把握說(shuō)清楚，但是一些新建的機(jī)房已經(jīng)把目標(biāo)瞄準(zhǔn)在數(shù)拍它（1015）帶寬的水平,。

    評(píng)價(jià)一個(gè)NPU不能只看單個(gè)NPU的工作能力,，還要看它的互操作性。一個(gè)10G位/秒的NPU,，并不一定比一個(gè)9G位/秒的NPU優(yōu)越,。它還決定于互操作性：如果9G位/秒的NPU，能夠十分容易地和其它的NPU連接在一起,，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)得多的交換能力,，那么選用它，不失為明智的選擇,。

    設(shè)計(jì)人員如何才能發(fā)揮多處理器的優(yōu)勢(shì),？不論是并行結(jié)構(gòu)或者是串行結(jié)構(gòu)，都可以采用,；也可以采用混合結(jié)構(gòu),，即串-并排列的結(jié)構(gòu),。重要的問(wèn)題在于需要考慮：負(fù)荷的平衡（注意不使任何一個(gè)NPU超載）；作業(yè)的劃分,；保持分組流的順序不亂,；維持服務(wù)質(zhì)量；以及對(duì)NPU之間通信業(yè)務(wù)量的控制,。

衡量NPU性能的指標(biāo)

    如何正確地評(píng)估不同的NPU,？關(guān)鍵的指標(biāo)之一是：處理分組的速度（即每秒處理多少百萬(wàn)個(gè)分組或稱為Mpps）。另一個(gè)指標(biāo)是：在一定的分組傳遞速率下,，處理每個(gè)分組時(shí),，允許進(jìn)行的查表次數(shù)（一般每處理一個(gè)分組允許進(jìn)行2次查表）。當(dāng)然在進(jìn)行處理時(shí)可以利用的存儲(chǔ)器的規(guī)模也是一項(xiàng)重要指標(biāo),。此外,，及時(shí)不斷的提高速度也是十分重要的。許多處理策略也需要進(jìn)行周期性的更新,。有些NPU具有能以很高的速度向前傳送的性能,，但是更新處理策略，或更改某些參數(shù)時(shí),，卻需要耗用數(shù)毫秒,，甚至數(shù)秒的時(shí)間才能完成。比較理想的NPU,，更新策略，更改參數(shù)的時(shí)間最好在數(shù)微秒的時(shí)間范圍內(nèi),；這一點(diǎn)對(duì)于用在路由頻繁跳變的場(chǎng)合特別重要,。

    “凈空”也是需要的。凈空可以看作是在保持線傳送速度不降低的情況下,，可能增加的處理功能（或可能增加的處理復(fù)雜問(wèn)題的能力）,；處理復(fù)雜問(wèn)題的能力（即在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，用一個(gè)指令,，包括轉(zhuǎn)移這樣的控制指令,，可以完成多少處理功能）是另一重要的事項(xiàng)。

    設(shè)計(jì)人員應(yīng)該考慮的其它問(wèn)題還有：等待時(shí)間,，排隊(duì)和調(diào)度的效率,，分組存儲(chǔ)（以及分段）的效率，在硅體內(nèi)多重熔制的效率,，芯片的大小,，以及這些問(wèn)題對(duì)于總體系統(tǒng)的影響（包括對(duì)于消耗功率和成本的影響）等等。

發(fā)展趨勢(shì)

    隨著設(shè)計(jì)人員逐漸習(xí)慣于使用NPU進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì),，幾種時(shí)尚可能會(huì)流行,。下面列出今后幾年將會(huì)出現(xiàn)的趨向,。

    * 今日的系統(tǒng)設(shè)計(jì)越來(lái)越趨向于從眾多的制造商那里采購(gòu)ASIC和IC。這些芯片中有許多都是各廠商自家獨(dú)有的產(chǎn)品,，與它們相關(guān)聯(lián)的軟件也都是各廠商自行開(kāi)發(fā)的,。它們之間往往缺乏互操作性。預(yù)計(jì)今后幾年設(shè)計(jì)人員會(huì)越來(lái)越對(duì)商品化的IC感興趣,，并且NPU的發(fā)展毫無(wú)疑問(wèn)將會(huì)進(jìn)一步助長(zhǎng)這種傾向的發(fā)展,。在硬件方面的發(fā)展趨勢(shì)是越來(lái)越多地采用現(xiàn)成的商品IC，軟件也在朝這個(gè)方向發(fā)展,，例如一些專門(mén)的協(xié)議棧開(kāi)發(fā)商正在提供越來(lái)越多的商品軟件部件,。以這些ASIC和IC，以及商品軟件部件為基礎(chǔ)的增值服務(wù)業(yè)務(wù)也將會(huì)發(fā)展,，并且可能成為交換機(jī)供應(yīng)商引以為榮的特點(diǎn)和具有真正競(jìng)爭(zhēng)力的象征,。

    * 在市場(chǎng)范圍內(nèi)，操作系統(tǒng)的供應(yīng)商將會(huì)趨向聯(lián)合和統(tǒng)一,，設(shè)計(jì)人員采用標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)的可能性會(huì)越來(lái)越大,。

    * 從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，可能會(huì)出現(xiàn)一系列標(biāo)準(zhǔn)的硬件平臺(tái),，例如標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)架,，標(biāo)準(zhǔn)的背板等。設(shè)計(jì)人員可能會(huì)從許多廠商中選擇一種線卡,，買(mǎi)來(lái)插入標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架,。

    * 在軟件方面，可能會(huì)出現(xiàn)一些標(biāo)準(zhǔn)的軟件集（操作系統(tǒng),，協(xié)議軟件棧,，管理控制軟件等）。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將利用這些即插即用的部件組成系統(tǒng),，并且增加一些可以提供不同服務(wù)內(nèi)容的線卡,。
如果這些趨向成為現(xiàn)實(shí)，標(biāo)準(zhǔn)接口問(wèn)題將會(huì)成為十分重要的課題,。例如,，為了開(kāi)發(fā)一種以太網(wǎng)的線卡，設(shè)計(jì)人員可能會(huì)選擇一種物理層（PHY）芯片,、MAC芯片,、網(wǎng)絡(luò)處理器以及并串/串并轉(zhuǎn)換器等（參看附圖）來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)業(yè)務(wù),，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間,，這些芯片必須具有明確清晰的接口，應(yīng)該使設(shè)計(jì)人員不需要再花費(fèi)力氣提供連接的邏輯線路，就可以完成任務(wù),。

NPU時(shí)代

    網(wǎng)絡(luò)處理器將成為網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分,，但是目前它還不很成熟。它們將在以下幾個(gè)方面取得重大進(jìn)步：在它們能夠處理的分組的復(fù)雜程度和所具有的智能方面,；在可以下載的程序規(guī)模大小方面,；隨著線速度的增加在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)能夠處理的一個(gè)分組或多個(gè)分組的綜合能力方面。

    NPU 的性能正在按照統(tǒng)一的性能指標(biāo)穩(wěn)步提高,。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間以后,，使用網(wǎng)絡(luò)處理器來(lái)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)通信系統(tǒng)的方法學(xué)，估計(jì)將會(huì)和軟件的開(kāi)發(fā)一樣,，也會(huì)出現(xiàn)并取得發(fā)展進(jìn)步,。