第三部分第三代网络系统.ppt

第三部分 网络处理器技术 主要内容 第三代网络系统与网络处理器 网络处理器体系结构 网络处理器的扩放 网络处理器举例 网络处理器的设计权衡 1.1 第二代网络系统回顾 第二代网络系统对第一代网络系统的扩展： 将包的分类和转发功能下放到NIC上 引入了快速数据通路的概念 优点：可以支持更多的网络连接 缺点：仍依赖通用CPU处理例外的包，当集合包速很高时，CPU仍然是瓶项。 1.2 第三代网络系统 出现于上世纪90年代后期 在每个网络接口上使用定制的硬件处理例外的包及高层协议（至第四层），即执行数据面（data plane）上的所有任务： 第一、二层功能：市售的物理层芯片组 第三层基本功能、包分类及转发：ASIC硬件 第四层协议及例外包：嵌入式处理器 流量管制、监视和统计： ASIC硬件 标准CPU负责执行控制面（control plane）上的任务。 第三代网络系统的概念组织 嵌入式处理器 为什么采用嵌入式处理器而不是ASIC？ 处理任务不涉及快路径，不需要太快的速度 第四层协议庞大而复杂，采用软件实现比较合适 为什么选用RISC而不是CISC处理器？ CISC处理器的大指令集对于协议处理没有增强作用 RISC的指令集比较简单，CPU可运行在较高的频率 RISC芯片的硬件接口比较简单，硬件设计较容易 RISC处理器通常比较便宜，且功耗较小 第三代网络系统的问题 由于执行一个复杂的任务需要许多条指令，当集合速率很高时，RISC处理器仍然是瓶颈。 上世纪90年代中期，工业界普遍认为能够处理因特网骨干连接的唯一可行技术是专用芯片。 使用ASIC代替RISC处理器的缺点： 开发周期长：设计复杂，芯片设计者不了解协议处理，修改费时 成本高：开发周期长，生产成本高，修改代价高，产品寿命短 仿真困难：对协议栈进行大量仿真不可行 可重用性低：在不同的产品、不同版本的产品中几乎不能重用或重用很有限 需要专业人员 RISC VS. ASIC是一个两难的抉择。 1.3 第四代网络系统 目标： 结合第一代网络系统的灵活性与第三代网络系统的高速度。 在因特网早期，第一代网络系统能够很好地适应新的协议标准和网络功能。 IP协议的相对稳定及以太网成为企业网主流技术减小了对网络产品灵活性的要求。 为什么仍然需要灵活性： 新的IP特性（如QoS，MPLS，多播，移动IP）要求网络产品支持新的应用 网络接口的类型在增加 1.4 网络处理器的概念 网络处理器的设计目标： 结合ASIC的高速度和嵌入式处理器的灵活性， 网络处理器的定义： 网络处理器是一种专门针对网络处理而优化的可编程芯片，它结合了RISC处理器的低成本和高灵活性以及ASIC硬件的高速度。 网络处理器应具有的特点： 较低的成本 简单的硬件接口 内存访问能力 可编程能力 可扩展到高速度 网络处理器的基本设计思想 通过可编程性获得灵活性，通过灵活性降低成本： 类似于常规处理器，硬件保持不变，通过软件来控制包的处理。 硬件复用性好，可应用于任何一种协议处理。 方便系统设计、实现、修改和升级，缩短开发周期。 高性能设计的关键： 针对协议处理优化的指令集（通用性 VS 速度） 利用多处理器体系结构获得可扩展性（并行 VS 流水线） 网络处理器的位置 目前 比传统CPU贵，比ASIC慢 比传统CPU快，比ASIC便宜 网络处理器 VS. ASIC 用ASIC开发的系统 开发成本高（一百万美元） 生产成本低 用网络处理器开发的系统 开发成本低 生产成本高 使用网络处理器的动机主要是经济方面的： 开发成本比ASIC低 处理速度比传统CPU高 1.5 网络处理器的一般设计问题 网络处理器的设计取决于： 要执行的操作 在网络系统中的作用 研究目标： 一个通用、优化的硬件设计，能够应用于系统体系结构中的任何地方和处理任何协议 设计的困难： 不仅要求功能全面，而且要求功能最小化 包处理功能 地址查找和包转发 差错检测和纠正 分片、分段和重组 解多路复用 包分类 排队和包丢弃 调度 安全：认证和保密 流量测量、整形和管制 定时器管理 问题 以上列出的任务包括所有的协议处理了吗？ 哪些功能的优化是最重要的？ 以上功能如何映射到一个典型的网络系统的硬件单元上？ 在一个典型的网络系统中，哪些硬件单元可以用网络处理器来替代？ 实现以上功能的最小通用指令集是什么？ 1.6 任务分组 为设计最小指令集，将协议处理任务划分成几个组，分别找出适合于每一组任务的指令集，然后将它们集成到一个最终的指令集中。 最常见的一种划分方法是将包处理任务分成两个组： 当包到达时执行的处理，称为ingress 当包离开时执行的处理，称为egress Ingress处理 差错检测和安全检验 分类或解多路复用 流量测量和管制 地址查找和包转发