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使用网络处理器来设计通信系统,所设计的系统结构,和设计时所采用的设计方法,与传统的方法相比都很不相同。影响最大的是设计工作的重点,设计人员的注意力将从硬件线路和通信协议的细节的考虑中,转向软件、服务以及最终用户的技术要求方面。也就是说,设计将是以软件为中心,以通信服务为中心,和以最终用户的技术要求为注意的集中点。设计公司将一改过去集中注意于硬件设计的传统,转而将注意力集中于用户所需要的服务方面,并考虑如何使用软件来实现用户所需要的服务。 这些变化与进展在相当大程度上应该归功于网络处理单元(NPU,networkprocessingunit)的推动。在这种情况下,系统设计人员如果对于网络处理
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用网络处理器建立通信系统用网络处理器建立通信系统
使用网络处理器来设计通信系统,所设计的系统结构,和设计时所采用的设计方法,与传统的方法相比都很不相同。影响最
大的是设计工作的重点,设计人员的注意力将从硬件线路和通信协议的细节的考虑中,转向软件、服务以及最终用户的技术要
求方面。也就是说,设计将是以软件为中心,以通信服务为中心,和以最终用户的技术要求为注意的集中点。设计公司将一改
过去集中注意于硬件设计的传统,转而将注意力集中于用户所需要的服务方面,并考虑如何使用软件来实现用户所需要的服
务。
这些变化与进展在相当大程度上应该归功于网络处理单元(NPU, network processing unit)的推动。在这种情况下,系统
设计人员如果对于网络处理器能够运用自如,那么就可以充分了解网络处理器的作用,并且能够感觉到,与使用网络处理器随
之而来的潜在自由空间。系统设计人员也才有可能最大限度地发挥网络处理器的潜能。
附图是系统原理图,它显示出网络处理器在系统设计中所处的重要位置。NPU一般位于物理层(MAC或帧调节器)线路和
交换结构之间。在图中并串行/串并行转换器(SERDES)在NPU和交换结构造之间起接口作用。
NPU的运行速度有待提高的运行速度有待提高
表1给出了在不同的数据传输速率条件下,网络处理器处理一个40字节的分组(最小的通信分组)所需要的时间。例如,在
数据传输速率为1G位/秒时,网络处理器可以有360 ns 的时间来处理此分组。在这段时间内,NPU必须对分组进行检查,语法
分析,以及必要的编辑和查表(有时对于分组的内容需要按照不同的策略采取不同的处理措施,有的继续向前传送,有的要送
去排队,有的需要作标记;一般说来,对于一个分组可能要进行2到3种数据库的查表处理)。对于即使是比较低的传输速率
1G位/秒,网络处理器也只有360 ns 来完成上述作业;如果传输速率为100G位/秒,对于每个分组就只有3.6 ns 的时间来进行
处理了。
从目前情况来看,价格适中的SRAM,存取时间为10 nsec,有望提高到5 nsec。如果将一个10 nsec的SRAM用于1G/秒的
数据流,在留给处理分组的360 nsec 时间窗口内,只能对存储器进行36次的存取。如果用于10 G位/秒的数据流,存取次数将
减少到只能进行3次了;即使是采用5 nsec的SRAM,也只能进行7次存取。
从表1所给出的数据可以看出,为了有效地提高数据处理速率,只能将处理步骤分段,并采用流水线的方式来进行处理,或
者采用多个处理机来并行处理(即多个处理机同时对不同分组进行处理)。这种解决办法,对于策略查表存储器,和内容寻址
存储器(CAM)都适用。例如,对于40 G位/秒的数据流,采用10 nsec 的存储器,在允许的时间内一次存取也进行不了。这
时,设计人员必须采用许多并行的存储器陈列。
网络处理器可以按照它们对于数据处理的速率来进行分类。在表1的中间部分列出了对于一定的数据速率,需要采用的网络
处理器种类和数量。例如,对于2.5 G位/秒的数据流,需要使用3个1G位/秒的处理器来进行处理。而对于100 G位/秒的数据
流,则需要144个这样的处理器。对于这样的数据流,也许改为采用12个OC-192处理器,或两个OC-768处理器更合适一些。
表表1 对网络处理器处理速率的要求(以每分组对网络处理器处理速率的要求(以每分组40字节为例)字节为例)
传输速率(G
位/秒)
可以用来处理分组的时
间(nsec/分组)
所需处理器的种类及数量 SRAM存取次数(nsec)
1G位/秒 OC-48 OC-192 OC-768 10 5 2
1 360 1 - - - 36 72 180
2.5 144 3 1 - - 14 28 72
10 36 12 4 1 - 3 7 18
40 9 48 16 4 1 0 1 4
100 3.6 144 48 12 2 0 0 1
200 1.8 288 96 24 4 0 0 0
除了实际处理分组需要时间以外,将分组从网络一方转移进来,和将数据转移到交换结构一方去也去要花费时间。表2给出
的分摊时间是总时间的25%。以上数字对于MAC接口是很符合实际的假设,但是对于交换结构接口,由于分段(segmentation)
的效率一般只有50%,因此在计算时需要留下100%的速度余度,才能跟得上通信线路的速度。
表表2 对于网络媒体对于网络媒体/交换结构接口的要求交换结构接口的要求
媒体访问控制和交换结构的接口
25%的分摊
22位 64位 128位
SDR DDR SDR DDR SDR DDR
1G位/秒 39MHz 20MHz - - - -
2.5位/秒 98MHz 49MHz 49MHz 24MHz - -
10位/秒
391MHz 195MHz 195MHz 98MHz 98MHz 49MHz
40位/秒 1563MHz 781MHz 781MHz 391MHz 391MHz 195MHz
100位/秒 3906MHz 1953MHz 1953MHz 977MHz 977MHz 488MHz
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