（计算机应用技术专业论文）wcdma系统中基于网络处理器的rem设计.pdf

摘要 摘要 网关作为最常见的网络设备之一，连接着多个差别很大的网络，同时处 理着网络间大量的数据流，其性能直接关系到网络用户的通信质量。传统的 网关主要基于专用集成电路解决方案( a s i c ) ，这种方案在带来高性能的同 时，却无法回避灵活性不足的问题。而网络应用中对网络设备的最重要的一 个要求就是网络设备必须能够适应新协议和新业务的需求，因此将网络处理 器( n e t w o r kp r o c e s s o r ，n p ) 引入传统的网关就显得尤其重要。 在w c d m a 系统中，r n c ( 无线网络控制器) 与r n c 之间，r n c 与 c n ( 核心网) 之间以及r n c 与n o d e b ( 基站) 之间信令和数据的传输依赖 的是a t m 协议，而它们内部信令和数据的传输却采用的是i p 协议。为了将 c n ，r n c 和n o d c b 连接为一个完整的系统，需要设计一个集成路由功能的 多功能网关一路由引擎模块( r o u t i n ge n g i n em o d u l e ，r e m ) 。本文以 w c d m a 系统中基于网络处理器的r e m 的设计为例，充分展示n p 在现代 网关设计中的重要性。 本文首先简要介绍了：多功能网关设计的研究现状；网络处理器的发展 背景、体系结构、工作原理和发展趋势；第三代移动通信系统和w c d m a 基 础知识。接着介绍了w c d m a 中r e m 的使用位置和主要功能；通过对原有 的基于a s i c 的路由引擎模块的归纳和分析，指出原有路由引擎模块存在的 问题。为了解决上述问题，本文设计了一种基于网络处理器的旨在进一步挖 掘w c d m a 中r n c 优点的r e m 实现方案。对比原有基于a s i c 的设计方案， 该方案所做出的改进有：1 ) 采用支持2 5 g 全双工吞吐量的网络处理器，极 大提高数据包的处理速度；2 ) 增加了一个支持s p l 3 接口的协处理器，专门 处理音频和视频数据，更有效的进行协议转换，减小延迟；3 ) 基于可编程的 网络处理器，采用专用编程语言，使软件开发更容易。最后，对本文所设计 的路由引擎模块进行了性能和功能测试。测试结果显示，基于网络处理器的 路由引擎模块，在性能上和灵活性上都有相当的优越性。 关键词：网络处理器；r e m ；网关；w c d m a ；a t m ； a b s t r a c t a b s t r a c t a so n eo ft h em o s tc o m m o nn e t w o r ke q u i p m e n t s ，g a t e w a yi su s e df o r c o n n e c t i n gv a r i o u sn e t w o r k sa n dp r o c e s s i n ga m o u n t so fd a t af l o w sb e t w e e nt h e m t h ec o m m u n i c a t i o nq u a l i t i e si nt h en e t w o r k sa r cd i r e c t l yd e p e n d i n go nt h e g a t e w a y sp e r f o r m a n c e t r a d i t i o n a lg a t e w a y sa r eb a s e do nt h es o l u t i o n so fa s i c ， w h i c hb r i n g g r e a tp e r f o r m a n c ef o rg a t e w a y sb u tm e a n w h i l ed e c r e a s et h e i r f l e x i b i l i t i e s h o w e v e r ，f l e x i b i l i t yi so n eo ft h em o s ts i g n i f i c a n tr e q u i r e m e n t sf o r n e t w o r ks e t t i n g si nn e t w o r ka p p l i c a t i o n s t h u s ，t ob r i n gn p ( n e t w o r kp r o c e s s 0 0 i n t ot h et r a d i t i o n a lg a t e w a y si so fg r e a ti m p o r t a n c e i nt h ew c d m a s y s t e m ，s i g n a l l i n g sa n dd a t ab e t w e e nr n c a n dr n c ，t h o s e b e t w e e nr n ca n dc n ，a n dt h o s eb e t w e e nr n ca n dn o d e ba r et r a n s f e r r e db a s e d o na t mp r o t o c o l ，h o w e v e r , s i g n a l l i n g sa n dd a t ai nr n co rc no rn o d e ba r e t r a n s f e r r e dt h r 0 1 i g hi pp r o t o c 0 1 o b v i o u s l y , ag a t e w a yw i t hh i g hp e r f o r m a n c ea n d r o u t e rf u n c t i o n s ，r e m ( r o u t i n ge n g i n em o d u l e ) ，i sn e e d e df o rc o n n e c t i n gr n c ， c na n dn o d e bt of o r maw h o l ew c d m a s y s t e m t h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e st h e d e s i g no fr e m ，w h i c hi sb a s e do nn p , t os h o wt h ei m p o r t a n c eo fn pi nm o d e r n g a t e w a yd e s i g n s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h er e c e n tr e s e a r c hs t a t u so fm u t i f u n c t i o ng a t e w a y si s p r e s e n t e di nb r i e f ；a no v e r v i e wo fd e v e l o p m e n tu n d e r g r o u n d ，a r c h i t e c t u r ea n d d e v e l o p m e n tt r e n do fn pi sp r o p o s e d ；s o m eb a s i ct h e o r i e s a b o u t3 ga n d w c d m aa r ed i s c u s s e d ； t h e n ，t h ep o s i t i o n sa n dm a i nf u n c t i o n so fr e ma r ei n t r o d u c e d ；b a s e do nt h e c o n c l u s i o n sa n da n a l y s i sa b o u tt h ef o r m a lr e mw h i c hi sd e s i g n e dw i t ha s i c ， t h i sd i s s e r t a t i o np o i n t so u tt h ep r o b l e m sa n dd e f e c t si nt h a tr e m ； i no r d e rt od e a lw i t ht h o s ep r o b l e m sa n dd e f e c t s ，t h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e sa n o v e ls o l u t i o no fr e mw h i c hi sb 鹞e do nn p w h a tt h es o l u t i o nd o e sa r ea s f o l l o w s ：( 1 ) an pw i t hc o m p l e t ed u a lt h r o u g h p u to f2 5 gi si m p o r t e d ，( 2 ) a s p e c i f i cc o p r o c e s s o rf o rv i d e oa n da u d i od a t a i s i n t r o d u c e d ，( 3 ) w i t h t h e a b s l l t a c t p r o g r a m m a b l en p , t h ed e v e l o p m e n to ft h es o f t w a r eo fr e mb e c o m e sm u c h e a s i e r l a s tb u tn o tl e a s t ，f u n c t i o na n dp e r f o r m a n c et e s ta r ep e r f o r m e dw i t ht h e r e mb a s e do nn p t h er e s u l t sa r eg i v e na n ds h o wt h ei n f l u e n t i a la d v a n t a g e so f u s i n gn p t od e s i g nr e m k e y w o r d s ：n e t w o r kp r o c e s s o r ；r e m ；g a t e w a y ；w c d m a ；a t m m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：傍乎弓 日期：沙6 年二月7 目 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：基墨导师签名：2 翌塑! 日期：a u 珞年月日 第一章引言 1 1 研究背景及意义 第1 章引言 在过去的十几年中，互联网呈现出爆炸性的发展。短短十几年，网络就 从一个个孤岛发展成为连接整个世界的互联网。在这个革命性的发展过程中， 对带宽的渴求贯彻了整个互联网的发展过程。一开始人们仅仅使用简单的电 子公告栏、新闻讨论组和网页浏览，而到了现在，人们开始大量使用音频、 视频和p 2 p 等业务来满足个人的上网需求。在这个对网络带宽要求急剧增加 的阶段，在微电子技术、光通讯技术和各种理论带来的革新下，网络本身开 始了高速的发展。在短短十几年间，网络技术和网络业务就层出不穷，涌现 出诸如差分服务( d i i f - s e r v i c e ) ，流量工程( t r a f f i c e n g i n e e r ) ，q o s ( q u a l i t y o fs e r v i c e ) 等新技术。 这一切新技术新业务的产生，都对网络中所使用的设备提出了更高的要 求。从带宽上看，网络设备带宽从初期的十兆发展到现在的千兆甚至更多。 从技术上看，网络设备必须不断适应新出现的技术革新。同时，网络设备还 必须具有人性化的管理功能和强大的灵活性，只有这样才能跟上互联网革命 的步伐。 互联网革命性的发展是有其规律，而这种规律是我们研究者所必须关注 和研究的。根据互联网发展的整个过程，我们可以归纳出互联网越来越呈现 出的以下趋势【1 】： 1 更高的带宽：o c 4 8 已经推广到接入端，o c 1 9 2 已经用于骨干网络 中，o c 7 6 8 正在发展之中； 2 更强的功能：网络设备必须具有很高的性能，它除了单纯的数据转发 外，还必须执行复杂的分组处理，来适应各种业务的需要： 3 更好的灵活性：网络必须足够灵活，在少量调整甚至不调整的状态下 电子科技大学硕士学位论文 适应各种新协议、新应用的出现，来达到高效灵活的目标。 我们可以看到，这种趋势要求网络设备追随着网络的革新而不断革新， 当传统网络设备无法很好适应网络革新的时候，就必然要求一种新事物的出 现。在9 0 年代末，作为新兴事物的网络处理器n p ( n e t w o r kp r o c e s s o r ) 应 运而生了。从诞生的那天它起就备受世人的瞩目。它结合了高性能和高灵活 性的特点，特别适合用于网络设备中高效快速的处理数据分组。目前网络处 理器的主要应用是在路由器、网关等产品中。 传统的网关其主要特点是：功能单一，集成度不高，不符合现在网络对 网络设各的功能要求。作为单功能网关替代品的多功能网关最近开始发展起 来，但由于其核心基于a s i c 硬件的特性，限制了它的灵活性。当前的网络 处理器主要还处在发展初期，虽然已经开始大量生产，但还未大规模投入产 业应用，但是它的灵活性注定了它在网络设备和移动产品上的美好前景。 1 2 研究现状与趋势 n p 是一种9 0 年代兴起的网络新技术，它有着很好的前景。目前不少 公司都将其作为下一代网络解决方案的核心，各大公司均已推出了自己的产 品。这些产品主要是较底层的网络设备如交换机、路由器( 普通路由器、m p l s 路由器、安全路由器等) ，将来会有更高层次的应用设备出现。在各个公司的 产品中，a g e r e p a y l o a d p l u s 系列和i n t e l 的i x p 2 4 x x 系列在市场中占据了不 小的份额。 网关作为网络设备的核心之一，伴随着互联网发展了几十年了。目前网 关主要是单功能的为主，但是也出现了很多多功能网关。这些网关大多数是 基于a s i c ，存在灵活性差等问题。未来的网络设备将以n p 作为核心，各 个设备厂商将围绕n p 的高效灵活性来构建新一代的网络。 1 3 本文主要的工作 本文的研究工作主要基于网络处理器a g e r e a p p 5 5 0 ，研究工作的重点是 2 第一章引言 多功能网关w c d m a 系统中r e m 在n p 上的实现。本文的研究背 景是网络处理器技术和网关的发展。在此背景基础上，引出本文的主要内容： w c d m a 系统中基于网络处理器的r e m 设计。 本文着重讨论了w c d m a 系统中r e m 在n p 上实现的关键技术和实现 细节，同时在分析r e m 的两个重要模块实现过程中，提出自己的算法和策 略，最后给出应用中的系统测试和结果分析。 本文所做的主要工作如下： 1 本人对网络处理器技术相关的背景和原理进行了叙述，通过查询大 量的资料，分析并给出了网络处理器的前景，同时还讨论了网络处 理器的技术发展趋势。 2 介绍w c d m a 系统及其中的r e m ，介绍r e m 使用位置和主要功能， 指出传统设计中存在的问题。 3 提出一种基于网络处理器的r e m 设计方案：以通用c p u ( m p c 8 2 4 5 ) 作为h o s tc p u ，它与网络处理器之间采用p c i 接口进行通信；采用 一种通用、可扩展的、高性能网络处理器( a p p 5 5 0 ) 和一个协处理 器( a p p l 0 0 ) 。协处理器与网络处理器共同负责处理a u 2 包( 主要 是音频或视频数据) 。网络处理器则独立完成a a l 2 以外的所有类型 ( 包括i p ，a a l 5 ，o a m 等) 的包的处理；h o s t 部分采用v x w o r k s o s 作为操作系统。 4 最后，本文在u t s t a r c o m3 g 平台上实现了对该r e m 的系统测试。 从功能测试和性能测试两个方面对基于网络处理器的路由引擎模块 进行了评估，并给出了相关的测试数据及其分析。 1 4 本文组织结构 第二章，对网络处理器的发展背景、体系结构、工作原理、发展趋势进 行了简要的介绍，同时还介绍了本文将用于设计r e m 的网络处理器。 第三章，主要任务是介绍w c d m a 中的r e m 与对基于a s i c 的路由引 擎模块设计的回顾。围绕这个任务，这一章用很短的篇幅简要介绍了第三代 移动通信系统的体系架构；介绍了w c d m a 中r e m 的使用位置和主要功能； 归纳了当前路由引擎模块设计所面临的基本问题，指出r e m 传统设计中存 3 电子科技大学硕士学位论文 在的问题。 第四章，介绍基于网络处理器的r e m 设计。分别介绍了该路由引擎模 块的软件和硬件设计结构。 第五章，介绍基于网络处理器的r e m 主要功能的实现。首先简单介绍 网络处理器模块主要功能的实现，然后介绍h o s t 模块主要功能的实现方法。 第六章，围绕本文所提出设计方案的功能和性能测试所展开。首先介绍 了测试环境，然后首先进行功能测试，验证基于n p 的r e m 的功能，最后给 出性能测试方案，并给出测试结果。测试数据从两个方面( 反应时间，吞吐 量) 显示出本文所提出的设计方案在性能上的突出优越性。 第七章，对全文做出了总结，并指出了下一步工作的努力方向。 1 5 本章小结 本章在查找、搜集和阅读大量相关资料的基础上，介绍了本文的研究背 景，指明了本文的研究意义，概括了研究课题的主要内容和本文的组织结构。 4 第二章网络处理器简介 第2 章网络处理器简介 我们所熟悉的通信网的基本结构一般是由传统的电路交换系统和基于 分组的交换系统构成，整个网络都是由一系列小的网络、传输和终端设备组 成，网络之间互通性差、可管理性不强，网络业务不灵活。随着电子商务、 多媒体业务和v o i p 等业务的出现对带宽的要求越来越高，同时，对网络业务 流量的控制能力和网络安全也提出了更高的要求。 为适应这些网络需求，当今网络正在向n g n ( n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ) 的方向发展，下一代网络是可以提供包括话音，数据和多媒体等各种业务的 综合开放性网络构架，采用开放的网络构架体系、业务驱动的网络、基于统 一协议的基于分组的网络。这就要求各设备、芯片制造商开发生产出适应性 更强、功能更强大的相关设备以满足网络发展的需求。而具有可编程性、强 大处理能力的网络处理器n p ( n e t w o r kp r o c e s s o r ) 正是适合成为这些设备的核 心功能单元f 1 】。 2 1n p 的发展背景 网络技术的发展要求新一代的网络设备必须能够支持各种最新的业务。 例如：视频业务，音频业务，点对点业务等。同时网络设备还必须对目前多 种形式的网络，如a t m ，p s t n ，d d n ，x 2 5 等进行统一的管理。除此之外，网 络设备还必须具备对其数据业务提供q o s 、业务整形、流量工程以及计费的 能力。在此基础上，为了网络的高效和便捷管理，网络设备必须向终端用户 提供友好的管理界面，使得终端用户能够对自己的服务进行定制和变更；同 时网络设备还必须对管理者提供专业的管理界面，使得管理者能够一目了然 得对整个网络的运行状态以及各种服务状态有个认识，此外，还必须便于管 理者根据不同情况对设备进行各种业务设置和调整。这些要求对传统的网络 设备提出了巨大的挑战。 传统的网络设备经过短短二三十年的发展，已经有了巨大进步1 2 1 1 1 1 。在 早期，网络设备是基于共享总线方式，全部的网络服务是通过软件实现的， 硬件只是负责简单的传送，在早期业务流量不大的情况下。这种基于软件的 方式显示出了极大的灵活性。任何新协议和新业务，只需要变更运行在网络 5 电子科技大学硕士学位论文 设备的软件就可以很好达到新协议和新业务的支持，因此受到网络运营商的 极大欢迎。随着网络的发展，基于总线的网络设备无法对激增的网络数据量 进行高效的处理。为此，网络设计厂家使用了带通用c p u 的接口卡对主 c p u 来进行数据分流，同时还采用交换式总线结构来取代数据处理瓶颈的共 享总线结构。这种基于交换式的网络设备，将数据处理路径分为两种【3 】：“快 速数据通道”和“慢速数据通道”。需要主c p u 来处理的控制包、异常包从 慢速数据通道走。其他的包从快速数据通道走，这些包无需主c p u 来干预， 由接口卡上的通用c p u 高效处理后直接转发出去。 基于交换总线的高效网络设备尽管效率很高，但是接口卡上通用c p u 的速度无法跟上不断增长的数据量，为了能够更高效的处理分流到智能卡上 的数据流量，网络设备厂商采用了目前最常见的专用集成电路a s i c 解决方 案。 2 2n p 的体系结构与工作原理 网络处理器( n p ) 是一种可编程器件，通常由若干微码处理器和硬件协 处理器组成，可实现业务灵活性和高性能的有机结合【1 】【2 】。 n p 允许路由器、交换机等网络设备的制造商在网络产品部署完毕之后， 仍然可以改变其性能，这种区别于传统a s i c 芯片的可编程性，曾经对后者 形成强大的竞争，但从目前的发展来看，n p 在其诞生的高端领域里并未撼 动a s i c 的主导地位，倒是在低端接入领域渐成气候。随着网络元器件在应 用电子领域的不断渗透，n p 技术将逐渐成为一种较为普及的技术，这也得 益于其高度的灵活性和优异的性价比。网络设备如路由器和交换机的体系结 构的发展基本上经历了基于通用处理器的体系结构和基于a s i c 、ri s c 的体 系结构两个阶段【1 】。 基于网络处理器的体系结构是在以上两种体系结构的基础上，综合了双方 优点推出的一种新型的体系结构。网络处理器是一种可编程a s i c ，不但可为系 统提供类似a s i c 的处理速度，而且可以提供类似通用处理器的灵活性。网络处 理器主要被用于处理线速( w i r e s p e e d ) 数据【2 】，进行协议分析和数据分类，位 于物理接口处理器和交换架构之间。 为了增强网络处理能力和缓解链路带宽爆炸之间的差距，并兼顾处理所需 要的足够高的可编程性和灵活性，网络处理器本身必须具备下面几个方面的功 6 第二章网络处理器简介 能f 2 1 ： 1 拥有网络分组并行处理能力 2 具有高效的处理速度，能够达到分组的实时处理 3 拥有一定数目的网络专用协处理器 4 具有高度的可编程性和可扩展性 5 能够快速投向市场，尽量减小再开发周期 6 网络处理器的硬件结构及基本处理技术 网络处理器分为a d - 层次：底层、i p 层和应用层。底层( 1 0 wl e v e l ) ，比如以 太网中的c r c 校验和表查找( t a b l e l o o k u p ) 等：i p 层( i p l e v e l ) ，如 i p 路f h d r rn a t 等：应用层( a p p l i c a t i o n l e v e l ) ，如m d 5 ，s s l ，u r l 交换等。 为了迎合这些要求，网络处理器将网络处理任务划分到控制层和数据层两 个层面，控制层面专门负责非实时性的管理和策略控制等，数据层面承载高速 易变的数据实时处理。总体上，网络处理器主要采用以下硬件处理技术 3 ： ( 1 ) 流水线和并行处理技术 网络处理器内部一般都是多内核( m u l t i c o r e ) 的结构。这些内核一般可以 分为两种：一种是具有一般运算能力和指令存储能力的处理单元p e s ( p r o c e s s i n ge l e m e n t s ) ：另一种是能够完成特定处理任务的功能模块f u s ( f u n c t i o nu n i t s ) ，如c r c 校验单元等。在现有的商业网络处理器中，这两种单 元一般采用流水线和并行处理两种组织机制，其中流水线组织机制是每个内核 被设计成具有特定处理功能的模块，这些模块以流水线方式组织在一起完成分 组的处理。代表的网络处理器主要有c i s c o 的p x f ，m o t o r o l a 的c 5 d c p 等。并 行处理机制是每个处理单元p e 都可以完成相似的任务，多个处理单元彼此问可 并行执行，代表的网络处理器主要有a g e r e 的p a y l o a d p l u s ，i n t e l 的i x p 2 4 0 0 ，以 及i b m 的p o w e r n p 等。 ( 2 ) 优化的内存管理和d m a 单元 在一般的多处理器系统中，内存操作往往是系统开销的一大瓶颈。而一般 的网络处理器设备通常要对分组进行存储和复制等处理，需要执行大量的存储 器操作。为了优化存储操作引入经过优化的存储器接口和一些d m a 单元，以 7 电子科技大学硕士学位论文 提高存储器的操作效率。比如在i n t e l 公司的i x p 2 4 0 0 中，提供了s r a m 的空 闲堆栈以及相应的处理指令。 ( 3 ) 优化的运算逻辑单元a u j 不同于一般的处理器，网络处理器提供了一些用于网络处理的专用指令， 比如位( 字) 扩展压缩指令。同时，大部分网络处理器采用了r i s c 技术，可以做到 任何a l u 运算能在一个时钟周期内完成。 ( 4 ) 网络专用的协处理器( c o p r o c e s s o r s ) 现在大部分网络处理器为一些特定的网络操作提供专用的硬件协处理，比 如专用的路由表查找引擎硬件分类引擎缓冲和队列管理引擎。这些协处理器有 些集成在网络处理器片内，有些则安排在片外。 ( 5 ) 硬件多线程技术 为了进一步提高处理器的利用率，网络处理器通常引入硬件多线程技术， 并且线程间的切换开销为0 。比如a g e r ea p p 5 5 0 的每一个微引擎中拥有4 个线程，每个线程拥有独立的程序计数器p c ：比如在i b mo w e r n p 中就采用这 样的结构。 2 3n p 的发展现状与趋势 很显然，网络处理器的发展并不是一帆风顺的，和很多技术一样，它也 经过了不少波折才发展到了今天。随着技术的发展，网络处理器也得随着技 术趋势不断的改进。 2 3 1n p 的市场概况 网络处理器( n p ) 市场开始的时候显得前途似锦【4 】，但随后却发展并不顺 利。在9 0 年代末期，有3 0 多家网络处理器供应商。当时许多入估计，网 络处理器市场将在几年内达到7 0 亿美元。但是，直到2 0 0 1 年，这个市场 才增长至7 0 0 0 万美元的规模【4 】。但是经过几年的艰苦奋斗，n p 市场目前 已经重新焕发生机。 同时，近几年的n p 市场份额发生了一些根本性的变化，见图2 - 1 。其 中最引人注目的变化是，英特尔的市场份额在2 0 0 3 年上半年由第四位升至 第一位。而在同一时间，摩托罗拉和杰尔系统有限公司( a g e r e ) 的市场份额也 8 第二章两络处理器简介 在增加。两家公司都拥有辅助性的芯片产品，所以其市场份额预计都会稳健 上升。据i n s t a t m d r2 0 0 3 年底的一份报告显示，英特尔在网络处理器市场 已占有2 2 的份额，名列第一。第二名是i b m ，份额为2 1 ，第三名为摩 托罗拉，2 0 。接下来是a m c c ，1 8 ；杰尔，9 。 图2 - 1n p 的市场发展趋势 整体上看，经过几年的沉寂，网络处理器市场终于在一步步地走向它的 目标。特别是从2 0 0 4 年开始，对网络处理器的需求明显地增加。据图2 1 显示，2 0 0 4 年上半年网络处理器市场的销售额已超过6 0 0 0 万美元，2 0 0 4 全 年的销售额将比2 0 0 3 年全年的8 5 0 0 万美元增长4 0 。 2 3 2 市场发展趋势 网络处理器不但在传统的多业务交换、d s l a m 接入设备和企业路由器 交换机市场取得长足进步，而且它在3 g 2 5 g 无线网络控制器( r n c ) 和 核心路由器等市场也开始受到厂家的青睐将来，网络处理器不会仅仅局限于 作为核心交换和路由设备中a s i c 的取代品，它将向更广泛的应用领域扩 展。多服务接入网和企业网将是网络处理器的主要应用领域，而来自消费电 子市场的需求将会延伸网络处理器的内涵，为其带来新的活力。 这些市场需求要求网络处理器具有更高的灵活性以适应多种不同的应 用，从技术趋势上来看，网络处理器将向三个方向发展：在硬件上与其它微 9 电子科技大学硕士学位论文 引擎集成，提供更多功能降低成本；软件上能重复使用；具有一整套开发工 具、真实的模拟环境。 与此同时，突破了专有应用概念的网络处理器需要更高的互通性，来自 不同厂商的网络处理器与搜索引擎、分类处理器、流量处理器等协处理器要 能更简单地无缝连接，而不用像以往那样通过胶粘逻辑电路和f p g a 来连 接，业界为此正在制定相关的标准，未来这些标准将会更加完善，从而促进 网络处理器的在更广泛的领域普及。 2 3 3 技术发展趋势 针对以上应用多样化的趋势和厂商对成本越来越敏感的态势，网络处理 器技术将向以下几个方向发展【2 】： 1 集成度更高，将硬件部件与功能强大的其它多微引擎集成以处理更 高线速的数据。 2 软件能重复使用，使厂商快速地提供多种服务。 3 具备一整套工具、开发环境和模拟环境以加速用户开发周期和提高 质量。 首先，网络处理器正在与流量管理器、内容控制器等其它协处理器集成， 以达到更高的线速和可靠性。网络处理器上集成了处理功能和复杂的流量管 理功能后，还可能使线卡上不再需要f p g a 和a s i c ，从而降低每端口的费 用，并具有同时支持现有和未来标准的灵活性。网络处理器和流量管理器的 结构很相似，将两个芯片集成能大大降低整体成本。 运营商希望节省资本支出，同时也能节省运营费用。这意味着设备供应 商需要在单一的平台上提供更多的功能，以减少下一代网络架构中不同类型 设备的数量。刀片式服务器是未来开放式网络架构的基础。预期网络处理器 在刀片式服务器上得到广泛应用之后，就可以提供一些具体的服务，如内容 交换、加密和v p n 以及宽带聚合等。一个小型的刀片装置就可以提供多种 不同的服务，而不需要为每项服务准备一套设备。将来线卡上的网络处理器 可以支持众多不同的接口标准，并可在线卡上提供本地协议转换。英特尔认 为新一代网络处理器将支持更多的功能包括多协议处理和转换的能力以支持 如a t m 、以太网、无线、r p r ( r e s i l i e n t p a c k e t r i n g ，弹性分组环) 、x d s l 和 第二章网络处理器简介 线缆等广范围的接入服务。 除集成一些协处理器外，网络处理器会向集成多内核、存储控制器、 1 0 1 0 0 1 0 0 0 以太网m a c s ，p c i 和h y p e rt r a n s p o r tp o a s 等功能发展，这样 减小了用户对其它器件的需求，因而总体系统的可靠性也增强了。 其次，编写的软件是否能重复使用也是厂商最关心的问题之一。传统的 网络处理器需要开发人员采用专用微编码方式进行开发，而新一代的网络处 理器均采用了更简单的软件来开发，如用c 语言。采用c 语言，用户软件 投资将会得到保护，因为c 码开发的软件可以在其它产品系列中重复使用。 同时，模块化的软件架构、开放的标准平台很重要，它允许功能模块能方便 地被重使用。 除此之外，厂商还要让代码易于理解。网络处理器结构需要具备的一个 特点是易于编程和提供一个软件基础，支持用户开发任何应用。许多网络处 理器供应商试图通过在硅片上增加大量处理能力来达到足够的性能，但却未 能摆脱对软件工程师的依赖。这种做法虽然可以使处理器具有引人注目的性 能指标，但在编程方面却极其复杂。而在处理各种不同的访问类型时，上述 处理器的实际性能非常糟糕。工程师采用的是一种“接近完成”的模式。这 样，为该器件开发服务的软件工程师就不需关心处理器中用了多少个处理器 内核或硬件任务。这种方式除了大大简化编程工作以外，它还使软件在不同 的网络处理器之间进行转移。 第三，网络处理器供应商要能提供精确的模拟环境和功能强大的工具 集。对于厂商来说，节省成本、加速产品面市的关键在于能否在模拟仿真环 境中开发软件和系统结构。只有这样，客户才能够在生产出实际硬件之前就 对系统的性能、成本及功耗进行评估。此外，对系统级结构模型进行模拟也 能加速产品面市时间，如在目标硬件产生前开发软件结构和调试工具；在软 件环境中识别结构以降低成本，避免生产高成本硬件；允许客户写出实际代 码、测量真实性能、功耗和总线利用率以优化性能；提供包括网络处理器与 相联的搜索引擎或分类、内容检测处理器在内的参考硬件，使原设备厂商在 生产定制硬件之前就能获得实时软件开发系统。 2 4 a g e r e 网络处理器 a g e r e 网络处理解决方案由三个物理上分开的芯片组成【6 】【1 6 】：快速模 1 l 电子科技大学硕士学位论文 式处理器( f a s tp a t t e r np r o c e s s o r ，f p p ) ，路由交换处理器( r o u t i n gs w i t c h p r o c e s s o r ，r s p ) 和a g e r e 系统接口( a g e r es y s t e mi n t e r f a c e ，a s i ) 。a s i 用于异常处理、全局管理和改善性能。图2 - 2 ( 1 6 】显示了p a y l o a d p l u s 系统及 其与交换矩阵的接口，注意，主要的数据流水线是从物理接口( p h y s i c a l i n t e r f a c e ，p h y ) 到f p p 再到r s p ，最后又回到交换矩阵中。 图2 - 2a g e r ep a y l o a d p l u sn p a g e r e 的p a y l o a d p l u s t m 网络处理器家族提供了多种支持各种性能( 从 6 0 0 m b p s 到1 0 g b p s ) 的产品，覆盖各种各样的网络通信服务和协议，如i p ， e t h e r n e t ，a t m ，m p l s ，p o s ，i p oa 等。 2 4 1a p p 5 5 0 a p p 5 5 0 是a g e r e 网络处理器家族成员之一，拥有一套公共的体系结构，能 提供平台解决方案。a p p 5 0 0 家族所有成员的硬件具有可兼容性：如果希望在 一块电路板上实现不同性能的应用，只需要更换网络处理器芯片就可以。同时， 所有设备都是软件可兼容的，不用担心驱动程序或者b s p 版本不兼容的问题 【5 】。 a p p 5 5 0 主要实现功能包括：分类，流量管理，调度和在单个高性能包 中对协议数据单元( p d u ) 进行修改。此外，a p p 5 5 0 特有的协处理器提供 了额外的处理功能，比如编码和压缩。a p p 5 5 0 具有可编程和可配置的特性， 因而可以支持多种应用。例如，a p p 5 5 0 支持多种存储器配置，允许设计者 对有特殊需求的应用进行内存匹配。 a p p 5 5 0 包括以下几个主要模块【6 】，如图2 3 ： 1 输入接口( i n p u ti n t e r f a c e ) 一接收3 2 山i t 可配置的数据输入口和3 2 - b i t 第二章网络处理器简介 s p i 3 协处理器输入口的输入数据，并将数据发送到分类器p d u 缓冲 ( c l a s s i f i e rp d ub u f f e r ) 和模式处理引擎( p a t t e r np r o c e s s i n ge n g i n e ) 中。 2 p d u 装配器一接收来自输入接口的b l o c k s ，并在调度p d u 缓冲( s c h e d u l e r p d ub u f f e r ) 中将他们组装成p d u s 。最快支持1 3 6 kp d u s 的组装。 3 模式处理引擎( p a t t e r np r o c e s s i n ge n g i n e ) 一利用可编程数据模式树匹配 接收到的数据，并决定对p d u 的处理。 4 。缓冲管理器( b u f f e rm a n a g e r ) 一对缓冲进行可编程管理。 5 流量调度器( t r a f f i cs c h e d u l e r ) 一按分配好的速度，对p d u 进行传输调度。 6 流量塑形器( t r a f f i cs h a p e r ) 一动态调度通信流，支持不用的流速。 7 流编辑器( s t r e a me d i t o r ) 一修改p d u 数据，计算c r c 。 8 输出接口( o u t p u ti n t e r f a c e ) 一接收来自流编辑器的数据，并将数据传 输到一个3 2 b i t 可配置接口或协处理器接口。 9 p e r i p h e r a l c o n n e c t i o n i n t e r f a c e ( r c i ) 一网络处理器到h o s t 的高速接口，网络 处理器通过此接口从h o s t 处理器中取得初始化和配置信息。 电子科技大学硕士学位论文 2 4 2a p p l 0 0 图2 3a p p 5 5 0 模块和数据流 a p p l 0 0 是网络处理器a p p 5 5 0 的协处理器，主要负责音频或视频数据的处 理。a p p l 0 0 通过数据通道端口，对a a l 2 协议包进行处理。需要进行处理的 a a l 2 数据流首先被发送到a p p l 0 0 ，经处理后，数据又被送回a p p 5 5 0 5 3 0 进行 路由和其他额外的处理，如图2 4 。 a p p 5 5 0 5 3 0 和a p p l 0 0 的结合，给设计者带来了极大的方便，它使得可编 程的高速语音数据的处理变得极为容易。 图2 4a p p l 0 0 典型应用 a p p l 0 0 主要支持以下接e l 【8 】： 1 输入和输出数据通道中的3 2 位的p o s p h y 接口。 2 6 4 位同步s r a m 接口：其作用是保存状态和统计信息。 3 8 位异步总线配置接口：用于配置a p p l 0 0 ，主要从h o s t 处理器上，通 过a p p 5 5 0 5 3 0 ，发配置信息至u a p p l 0 0 上。 a p p l 0 0 包括两个主要模块：一个a a i 2 解析器和一个a a l 2 组装器。 他们的主要功能是： 1 a a l 2 解析：将一个a a l 2 信元分解为多个c p s 包 2 a a l 2 组装：将多个c p s 包组装为一个a a l 2 信元 3 c p s 包交换：从一个a a l 2 流到另一个a a l 2 流 1 4 第二章网络处理器简介 4 c p s 和a a l 2 u 信元的头部错误控制位( h e c ) 的生成。 所有非a a l 2 或c p s 的协议数据单元( p d u ) 经过旁路队列( b y p a s s q u e u e ) ，透明的通过a p p l o o 【8 】，如图2 5 。 2 5 本章小结 图2 - 5 a p p l 0 0 数据流 本章简要介绍了网络处理器的发展背景、体系结构和工作原理、发展现 状与发展趋势，以及将用于设计本文提到的r e m 的网络处理器。其中着重 介绍了和本文紧密相关的杰尔公司的网络处理器a p p 5 5 0 和a p p l 0 0 ，为后面 基于网络处理器的r e m 的提出做了铺垫。 在下一章中，在介绍r e m 之前，我们将首先简要介绍w c d m a 的相关 知识。 电子科技大学硕士学位论文 第3 章w c d m a 系统及其r e m 本章主要任务是介绍w c d m a 系统及其r e m 的使用位置和主要功能。 同时回顾了传统的r e m 设计方案，并提出了其存在的问题。 本章的结构安排为：( 1 ) 第一、二小节介绍了第三代移动通信系统与 w c d m a 系统；( 2 ) 第三小节介绍了w c d m a 系统中r e m 的位置和功能； ( 3 ) 第四小节针对a s i c ，归纳了传统r e m 设计所面临的基本问题，并对 比n p 和a s i c ，指出n p 的优越性；( 4 ) 第五小节对本章进行了小结。 3 1 第三代移动通信系统 现代的移动通信发展至今主要走过了两代，而第三代现在正处于紧张的研 制阶段，部分厂家已经推出实验产品。从2 0 世纪7 0 年代的模拟制式的第一代通 信系统，到后来的数字蜂窝式的第二代移动通信系统，一直到我们将要讨论的 第三代移动通信系统( 3 g ) ，不过是短短几十年时间。 第三代移动通信系统最早由国际电信联盟( i t u ) 于1 9 8 5 年提出当时称为 未来公众陆地移动通信系统( f p l m t s ，f u t u r ep u b l i cl a n d m