第六章 Internet交换体系结构 Internet技术 胡越明.

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1 第六章 Internet交换体系结构 Internet技术 胡越明

2 Agenda 6.1 交换路由器系统结构 6.2 IXA和IXP网络处理器简介 6.3 网络处理器应用系统的构成

3 6.1交换路由器系统结构 路由器的构成 嵌入式CPU和网络接口等系统硬件 嵌入式操作系统以及各种协议软件 网络管理系统软件 路由器的用户界面

4 路由器的性能指标 总体数据传输速率Aggregate data rate 总体分组转发速率Aggregate packet rate
Total rate at which data can arrive or leave a network system Sum of data rate on all interfaces Bit per second (bps) 总体分组转发速率Aggregate packet rate Packet per second (pps) Packet size from 64 octets to 1518 octets Many processing operations require a fixed amount of time on a packet

5 路由器的分组处理功能 基本的处理 深度处理 路由表查找 分组的分类 检错和纠错 分组缓存管理和队列管理 分片和重组 发送队列调度和管制
流量检测、整形 组播处理 隧道处理 安全性处理

6 早期的路由器结构

7 早期的路由器结构 线卡 问题 解决方法 缺点 网络物理链路的连接点 主要完成网络层和数据链路层的功能 CPU必须处理每个数据包
每个数据包必须通过总线两次 总线与CPU都是瓶颈 解决方法 在每块线卡中增加处理器 用于路由查找 处理、转发大部分IP数据包 数据包至多通过共享总线一次 缺点 路由查找受到CPU速度的限制 共享总线影响了吞吐量

8 交换路由器 ——实现报文从输入端口到输出端口的无阻塞传输
switch fabric

9 交换路由器 线卡 交换结构 分组处理 向交换结构发送和接收分组 Banyan结构 Crossbar 并行访问共享内存
The physical connection within a switch between the input and output ports Banyan结构 Crossbar 并行访问共享内存

10 并行访问共享内存的路由器结构 分离数据通路与控制信息通路

11 端口冲突的现象 有多个输入端的分组需要转发到同一个输出端 建立队列使分组排队等待

12 排队方式 输入队列(IQ) 输出队列(OQ) 虚拟输出队列(VOQ) 输入与开关队列的组合(CICQ) 输入与输出队列的组合(CIOQ)

13 输入排队方式 每个输入端口包含一个分组缓存 输入队列的行前阻塞（HOL阻塞）
IQ switch has only 58.6% throughput due to head-of-line blocking. M. Karol, M. Hluchyj, and S. Morgan, "Input versus Output Queueing on a Space Division Packet Switch," IEEE Transactions on Communications, Vol. 35, No. 12, pp , December 1987.

14 输出队列方式 每个输出端口用一个分组缓存 输入端同时到达的数据包可同时送到相应的输出队列 The buffer memory speed must operate at N times link speed, difficult for Gigabit networks 虚拟输出队列（VOQ） Organize the input buffer in each input port into N parallel VOQs

15 VOQ

16 VOQ 一种分类的输入队列结构 可以达到输出队列方式的效果 需要有一个选择算法从这些输入队列中选择一个输出 输入接口处共有M*N个分组队列
解决发往同一输出接口的分组冲突问题 对来自不同输入接口送往同一输出接口的分组队列的调度

17 性能比较

18 输入与开关队列的组合(CICQ) CICQ Combined input and crossbar queue
Input buffer and Crossbar switch with output buffer 便于输出调度

19 输入与开关队列的组合(CICQ) 需要先进的集成电路技术 交叉开关的每个输入端有多个队列 输出接口可实现调度算法 开关电路+缓存电路
每个输入端队列的分组对应不同的输出端 输出接口可实现调度算法 严格优先级 加权轮回（WRR） DRR和层次化调度

20 输入与输出队列的组合（ CIOQ ） 适合于没有CICQ的场合 每个输入端和输出端都可以有多个队列 位于线卡中

21 CIOQ的路由器 Switch Fabric 分类 标记 ingress 查表 调度 调度 egress

22 CIOQ与QoS 输入队列的功能 输出队列的功能 分类 队列管理 调度 整形 根据转发表将分组放入不同输出端的队列
对队列长度进行计量 对超过业务流规范的分组进行管制或标记 调度 输出队列的功能 实现分组队列不同优先级 整形 对输出的业务流进行整形

23 路由器分组处理功能的划分 输出处理 输入处理 分组头修改 检错和纠错 分类和解复用 加入检错信息 流量计量和管制 地址查找 分片 安全认证
Decrement TTL 加入检错信息 分片 流量整形 输出安全处理 输入处理 检错和纠错 分类和解复用 流量计量和管制 地址查找 安全认证 分组头修改 队列管理 输入端的分组修改是加上给交换结构的信息，使分组送到相应的输出线卡。

24 虚拟输出队列的调度 ——DiffServ下的调度方式之一
每个输入端口有16个虚拟输出队列 区分16个QoS类 输入端口间采用WRR调度策略 输入端口内采用DRR调度策略

25 虚拟输出队列的调度 ——DiffServ下的调度方式之二
增加第三级调度 采用严格优先级(SP)策略 16个端口间采用WRR 端口的两个队列组之间采用SP 队列组中的8个队列之间采用DRR

26 线卡上的处理器 功能 实现方式 处理大部分分组 只有控制包和异常包需转发至主CPU 转发引擎 通用嵌入式CPU ASIC 网络处理器
微引擎/通道处理器/毫微处理器 实现方式 通用嵌入式CPU ASIC 网络处理器

27 线卡上的处理器 通用CPU ASIC 网络处理器(NP) 处理和转发IP数据包的CPU 性能较低 高速、固定功能 开发和制造周期较长
灵活性有限 难以实现复杂的功能 如NAT 网络处理器(NP) 一种专用于网络交换设备的处理器类型 较好的性能和灵活性 并行处理结构 陡峭的学习曲线

28 Why NP? Network data rates are increasing
Less packet interval time Protocols are becoming more dynamic and sophisticated L4 to L7 switch Protocols are being introduced more rapidly Multicast RTP for VoIP IPTV

29 Data rate example Technology 10Base-T 100Base-T 1000Base-T Data rate
10Mbps 100Mbps 1000Mbps Packet rate for small packets 19.5Kpps 195.3Kpps 1953Kpps Packet rate for large packets 0.8Kpps 8.2Kpps 82.3Kpps Time per small packets 51.2ms 5.12ms 0.51ms Time per large packets 1214.4ms 121.44ms 12.14ms

30 网络处理器 面向网络应用的处理器 单片的多处理器系统 标准功能用硬件实现 标准化 专用于进行分组的处理 以线速转发分组 可编程
若干个处理分组的高速智能处理器 标准功能用硬件实现 如加密/解密和散列 标准化 网络处理器论坛（NPF）

31 Advance Quality of Service
Product Life Cycles Sophisticated Algorithms Mean Longer (More Costly) Development & Less Payback L2 Switch Revenue Opportunity 802.1p & Q Revenue Opportunity IP Forwarding Revenue Opportunity Advance Quality of Service Rev Opp Firewall Design Time Selling Time

32 网络处理器的功能定位 应用层 传输层 网络层 链路层 物理层 功能不断增加，计算量大，是通用处理器的特长
功能相对稳定，由通用处理器或网络处理器内核完成 网络层 功能部分固定，由微引擎和内核共同完成 链路层 功能固定，处理简单，由微引擎或外围芯片完成 物理层 功能固定，缺乏通用性，主要由外围芯片完成

33 网络处理器的功能定位 控制平面 数据平面 管理平面 路由协议 分组头处理 设备配置 分组的接收、发送 异常处理 分组的分类、排队 数据封装
线卡管理 接口管理 流量管理 数据平面 分组头处理 分组的接收、发送 分组的分类、排队 数据封装 发送调度

34 网络处理器的主要功能 分组头处理 分组的接收、发送 分组的分类、排队 发送调度 CPU Embedded Proc.
I /O Processors Lower Levels Of Processor Hierarchy Lower levels need the most increase

35 网络处理器的功能 模式匹配 检索 计算 数据处理 队列管理 控制处理 对分组中的字段进行匹配 发现分组中的特征（满足的表达式）
根据关键字段查找表格中的数据项 计算 加密、解密、认证、散列、CRC校验 数据处理 分组的分片 TTL递减、打标签 队列管理 分组的缓存 与QoS相关的流量整形和流量工程策略 控制处理 异常分组的处理、表格更新、数据统计

36 网络处理器中采用的技术 Multiple processing engines per chip Multithreading
high-speed interconnections Special purpose or general purpose Multithreading Hardware thread scheduling Hardware signal, mutex, synchronization Processing engine pipelining Or thread pipelining Content-addressable memory Special acceleration hardware For encryption, hash, etc. Hierarchical memory structure Shared internal RAM Large register set

37 Why not use a general purpose processor?
I/O speed Less I/O capacity Computing speed Less parallelism General purpose processors are not as fast as network processors at data plane network processing Memory access speed Received data are rarely spatially or temporally associated with each other General purpose processor achieve their performance by using on-chip cache to hide memory latencies

38 6.2 IXA和IXP网络处理器简介 6.2.1 IXA简介 6.2.2 IXP2400网络处理器 6.2.3 IXP2800网络处理器
6.2.4 链路层器件

39 IXA简介 Internet eXchange Architecture Intel公司提出的网络系统体系结构 编程性强 支持NPF标准
可构成各种网络设备 支持NPF标准 CSIX（common switch interface consortium） 各种软件模块的实现规范

40 Original IXA

41 Intel网络处理器的特点 一个通用的嵌入式核心处理器 多个微引擎 专用加速硬件 具有片内存储层次结构 可扩展 处理较复杂的任务
包含控制平面和转发平面 确定路由、线路间负载平衡 多个微引擎 优化于分组处理的指令系统 线速处理较简单的任务 分组接收、分类、路由查找、队列管理、发送 专用加速硬件 支持堆栈操作、散列、加密/解密计算 具有片内存储层次结构 寄存器、微引擎本地存储器、便笺存储器、片内SRAM 可扩展 支持多个网络处理器的连接 支持微引擎数量的扩展

42 Internal Architecture
Hash Unit IX Bus Interface Scratch Pad SRAM Controller Microengine 0 Microengine 5 Microengine 1 Microengine 2 Microengine 3 Microengine 4 StrongARM Core (166 MHz) 16K B Instruction Cache 8 K B Data Cache 512 B Mini-Data Cache PCI SDRAM 64 Bit 32 Bit Internal Architecture

43 StrongARM PCI Unit SDRAM Unit SRAM Unit 32-bit Micro- engine 1 Micro-
Intel StrongARM SA-1 Core 16KB Icache 8KB Dcache UART GPIO PCI Unit 4 timers RTC 512B mini Dcache Write buffer SDRAM Unit Read buffer JTAG SRAM Unit 32-bit Micro- engine 1 Micro- engine 2 Micro- engine 3 Scratchpad Memory (4kbytes) 64-bit IX Bus interface Micro- engine 4 Micro- engine 5 Micro- engine 6 Hash Unit

44 Intel网络处理器产品系列 高档 中档 低档 面向核心路由器 IXP2800 (IXP2850) 面向边缘路由器 IXP2400
面向联网设备 IXP400 (IXP42x, IXP46x)

45

46 6.2.2 IXP2400网络处理器 XScale内核 8个微引擎 Scratchpad memory 共享的Hash单元
专用RISC处理器 8 threads per micro-engine 4KW control store, 640W local memory and more registers CRC, CAM Scratchpad memory 片内共享存储器 共享的Hash单元 2 QDR SRAM channels for up to 20 Gbps; Support for external classification engines Non overlapped address space UP to 1 Gbyte DDR SDRAM 64/66 PCI host CPU interface MSF interface supporting Utopia 1/2/3, SPI-3 (POS) and CSIX interfaces OC-48 data rates Configurable RBUF and TBUF size (64, 128, 256B)

47 IXP2400 CAP: CSR访问代理

48 StrongARM Characteristics
Reduced Instruction Set Computer (RISC) 32 bit arithmetic Vector floating point provided via a coprocessor Byte addressable memory Virtual memory support Built-in serial port Facilities for a kernelized operating system

49 StrongARM Characteristics
5 stage pipeline single cycle instruction execution 16KB 32way I-cache 16KB 32way write-back D-cache co-processor support JTAG support

50 StrongARM core pipeline organization

51 Summary of ARM architectures
Core Architecture ARM v1 ARM v2 ARM2as, ARM v2a ARM6, ARM600, ARM v3 ARM7, ARM700, ARM v3 ARM7TDMI, ARM710T, ARM720T, ARM740T v4T StrongARM, ARM8, ARM v4 ARM9TDMI, ARM920T, ARM940T v4T ARM9ES v5TE ARM10TDMI, ARM1020E v5TE

52 XScale core 采用超流水技术的RISC结构的32位微处理器 采用ARM V5的定点指令系统
7~8级指令流水线 采用ARM V5的定点指令系统 ARM V5在V4的基础上增加了浮点指令 在用户模式的应用程序中与StrongARM兼容 支持ARM的Thumb指令系统 ARM V5T 支持ARM 的DSP扩展 ARM V5TE 32 KB指令cache和32 KB数据cache

53 Role Of Microengines Ingress Egress
Packet receive from physical layer hardware Checksum verification Header processing and classification Packet buffering in memory Table lookup and forwarding Header modification Egress Checksum computation Queue management Transmit schedule Packet transmit to physical layer hardware

54 Microengine Execution Pipeline
The Microengines have a five stage execution pipeline P0 = Fetch instruction P1 = Decode instruction P2 = Read operands P3 = Perform ALU/shift operation P4 = Write results Developers Workbench Cursors show what is happening in each pipeline stage Colors of the arrows indicate: Instruction executing Microengine idle Microengine stalled Instruction aborted Stage 4 Stage 0

55 Microengine Enhancements
4/8 threads per microengine Multiplier unit Next-neighbor registers 640x32 local memory Pseudo-random number generator CRC calculator Four 32 bit timers and timer signaling 16 entry CAM Time-stamping unit

56 Microengine Enhancements (continued)
Support for generalized thread signaling Queue manipulation mechanism that eliminates the need for mutual exclusion ATM segmentation and reassembly hardware Byte alignment facilities Two ME clusters with independent buses 4K word instruction store 256 GPRs and 512 transfer Regs 32-bit multiplication unit

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58 SRAM Unit Features Read/ Write Bit test/set/clear 8 entry ReadLock CAM
Long Word Block of Long Words Bit test/set/clear 8 entry ReadLock CAM 8 entry Push/Pop queue

59 SRAM Unit Architecture
(1/2 Core clock) Flash ROM 512K(nom) to 8MB (max) Address Queue Service Arbiter Amba Translation Unit & Data FIFO SA Core SRAM Memory References Amba R/W Addr Queue SRAM Up to 8MB 16 Entry Read Queue Address Microengines Command Reference FIFOs 16 Entry Order/Write Queue 8 Entry Priority Queue 24 Entry Read Lock Fail Queue Microengine queues Slow Port For Peripherals Address 8 Entry CAM SRAM Unit Internal structure SRAM XFER Registers 32-bit data

60 SDRAM Unit Features Read/ Write Read-Modify-Write Chained Reference
Quad Word Block of Quad Words Read-Modify-Write Use indirect_ref optional token Can modify individual bytes of the Quadword Chained Reference Use chained_ref optional token SDRAM unit will service same thread till the chain is completed Used for in order to access non-contiguous blocks of memory

61 SDRAM Unit SDRAM Unit Internal structure SDRAM Up to Address 256 MB
Queue Service Arbiter SA Core Request Logic SA Core SDRAM Memory References SDRAM Up to 256 MB PCI Unit Request Logic PCI Memory References Address 16 Entry ODD Queue Microengines Command Reference FIFOs 16 Entry EVEN Queue 83 MHz (1/2 Core clock) 16 Entry ORDER Queue 16 Entry PRIORITY Queue Microengine queues 64-bit Data SDRAM Unit Internal structure Byte Aligner

62 Media or Switch Fabric (MSF) Interfaces
MSF configurable to – Utopia 1, 2, or 3 interface – CSIX-L1 fabric interface – System Packet Interface Level 3 or 4 (SPI-3 or SPI-4) SerDes Framer Interface (SFI) Note: The Optical Internetworking Forum (OIF) controls the SPI and SFI standards.

63 SPI System Packet Interface SPI-3 SPI-4 SPI-5
OC-48 system interface for physical and link layer devices 32位的接口，4Gbps 支持133MHz时钟频率 可以分割成4个8位的通道 SPI-4 OC-192 system interface for physical and link layer devices 支持400MHz时钟频率, 10Gbps SPI-5 OC-768 system interface for physical and link layer devices

64 CSIX Common Switch Interface Consortium 由厂商会员组成 制订网络处理器规范
CSIX L1 fabric interface Look-aside interface Stream interface

65 CSIX L1 fabric interface
C frame帧格式 Header optional extension header optional payload optional padding vertical parity trailer 32/64/96/128位并行连接线路 支持最大速率为32Gbps 支持板级连接 C frame的帧 单播帧 组播帧 广播帧 流控帧

66 C frame Header Extension header Payload Padding bits
2 bytes in length Payload length(8), frame type(4), ready bits for link level flow control Extension header Type-specific, determined by the frame type, 0-4 bytes e.g. destination fabric port for unicast frames Payload Maximum allowable length is 256 bytes Padding bits Ensure that the CFrame has an appropriate length Vertical parity field 16 bit field, use of the field is optional

67 IXP2800 X-scale core 16 version 2 micro-engines
700 Mhz 16 version 2 micro-engines 1.4 GHz uE Operation 20+ GOPs Media / Switch Fabric Interface Configured as CSIX-L2 or SPI-4 10Gbs Full Duplex Media Interface 50Gbs Packet Memory Bandwidth 30Million Packets Per Second L4 forwarding 60Million Enqueue/Dequeue Operations/Sec ~14W, 1357 BGA

68 IXP2800

69 IXP2800 Features con’t PCI Interface QDR Interface (w/Parity)
64 bit / 66 MHz Interface for Control QDR Interface (w/Parity) (4) 36 bit SRAM Channels (QDR or Co-Processor) Network Processor Forum Proposed Co-processor Standard Interface RDR Interface (w/ECC) (3) Independent Direct Rambus DRAM Interfaces Supports 4i Banks or 16 interleaved Banks Supports 16/32 Byte bursts Tuned for PC800 or PC1066 RDR

70 IXP2850 Version of 2800 with onboard encryption processor
symmetric-key ciphers Advanced Encryption Standard (AES) triple Data Encryption Standard (3DES) one-way hash function Secure Hash Algorithm (SHA-1) keyed message digest Hashed Message Authentication Code (HMAC) HMAC concatenates some private data into the message data before computing one-way hash A checksum accumulator

71

72 IXP23xx Intel’s first 90nm Network Processor
Microengines at 300, 600, or 900 MHz Intel XScale® core at 600, 900, or 1200 MHz Two DDR DRAM controllers QDR SRAM controller 128kB Internal SRAM 512kB Layer 2 Push Cache Integrated I/O from T1/E1 through Gigabit Ethernet Integrated Encryption Engines

73 Intel® IXP2350 GMII, TBI GMII, TBI (4) H/MVIP MII MII MEv2 MEv2 1 Rbuf
16 16 72 QDR SRAM Controller DDR DRAM Controller Intel® IXP2350 Microengines MEv2 MEv2 1 Rbuf SPI3 or Utopia 32 Tbuf 32 MEv2 3 MEv2 2 64 PCI v2.2 Bridge GMII, TBI Hash 64/48/128 Gigabit Ethernet 0 Message SRAM 128KB Scratch 16KB Gigabit Ethernet 1 GMII, TBI DDR DRAM Controller 40 (4) H/MVIP 16 T1/E1/J1 256 Ch HDLC Control Plane Processing 10/100 Ethernet 0 MII Expansion Bus Controller 512 KB L2 Cache Intel XScale® Core Crypto 16 10/100 Ethernet 1 MII Network Processing Engines 0 & 1

74 IXP400网络处理器系列 XScale内核 网络处理器引擎（NPE） PCI接口 MII/RMMI接口（802.3） UTOPIA-2接口
主频为266MHz、400MHz、533MHz、667MHz等 网络处理器引擎（NPE） 用于减轻典型L2网络功能负担 如以太网过滤、ATM SAR、HDLC PCI接口 32位的PCI v2.2 MII/RMMI接口（802.3） 集成在NP片内的以太网接口 UTOPIA-2接口 8位，33MHz主频 支持单个或多个物理接口配置 USB接口 包括USB2.0宿主控制器和USB v1.1设备控制器

75 IXP400网络处理器系列 高性能串行（HSS）接口 SDRAM接口 扩展总线接口 加密/认证模块 DSP支持
用于连接T1/E1或者SLIC/CODEC SLIC（Analog Subscriber Line Interfaces）是传统模拟电话线的接口标准 Codec如模数/数模转换、调制/解调、压缩/解压缩 6线，支持8.192MHz，8个HDLC通道 SDRAM接口 支持32MB到1GB存储器，可支持ECC 扩展总线接口 最多25位地址，可连接各种其他设备 可用于连接Flash存储卡或其他Boot ROM存储器 加密/认证模块 DES、3DES、AES128位和256位、SHA等 DSP支持 支持TI的DSP

76 IXP400网络处理器系列 器件 UTOPIA HSS MII 0 MII 1 AES/DES HDLC SHA-1/MD-5 IXP425
8 IXP422 IXP421 IXP420 IXC1100

77 IXP425网络处理器系列

78 IXP465网络处理器系列

79 Tolapai Single Die integrates IA CPU @ 600, 1066 and 1200MHz
DDR2 memory controller (MCH) PCI Express* Standard IA PC peripherals (ICH) 3x Gigabit Ethernet MACs 3x TDM high-speed serial interfaces for 12 T1/E1 or Slic/Codec connections Intel® QuickAssist Integrated Accelerator For high-performance security and IP telephony applications

80 Tolapai

81 Tolapai 148 Million transistors 1,088-ball FCBGA w/1.092 mm pitch
37.5 mm x 37.5 mm package Intel's first integrated IA processor, chipset and memory controller since 1994's 80386EX.

82 6.2.4 链路层器件 10端口千兆以太网MAC器件IXF1010 SPI-3成帧器件IXF6048
链路层器件 10端口千兆以太网MAC器件IXF1010 SPI-3成帧器件IXF6048 四端口千兆以太网MAC器件IXF1104

83 4端口千兆以太网MAC器件IXF1104

84

85 Intel网络处理器的特点 有一个主核 通用嵌入式处理器 处理器异常分组和网络协议 多个多线程的微引擎 高度可编程 便于实现新型分组处理功能

86 6.3 网络处理器应用系统的构成 硬件构成 软件构成 应用系统构成实例

87 IXP2400 Full-Duplex OC-48 System Implementation
R A M Host CPU (IOP or iA) DDR SDRAM Packet Memory QDR SRAM Queues & Tables Q D R Q D R T C A M Classification Accelerator IXP2400 Ingress Processor IXF6048 Framer OC-48 OC48 Switch Fabric Gasket OC48 OC48 IXP2400 Egress Processor 1x OC-48 or 4x OC-12 T C A M Classification Accelerator QDR SRAM Queues & Tables Q D R Q D R S D R A M DDR SDRAM Packet Memory

88 Gigabit Ethernet Backplane
Typical network edge architectures Ports DSLAM Line Card 12-port ADSL PHY Dual 10/100 Ethernet PHY Control Plane Processor 10/100 Console Dual 10/100 MAC Intel® IXP2350 Network Processor Network Processor Integrated Gigabit Ethernet MACs Intel® XScale Core 128 KB Integrated SRAM Integrated 10/100 MACs 128 Port Utopia L2 Interface Dual Gigabit MAC Dual Gigabit PHY Gigabit Ethernet Backplane FPGA 12-port ADSL PHY 12-port ADSL PHY Boot Flash DDR DRAM QDR SRAM

89 Gigabit Ethernet Backplane
Typical network edge architectures Node B Transport Card Encryption CoProcessor Control Plane Processor Dual 10/100 Ethernet PHY 10/100 Console Dual 10/100 MAC Octal T1/E1/J1 Framer/LIU 16 T1/E1/J1 HDLC Controller IMA Network Processor Intel® IXP2350 Network Processor Integraed Encryption Engine Integrated Gigabit Ethernet MACs Intel® XScale Core 128 KB On-Chip SRAM 256 Channel HDLC Controller Integrated 10/100 MACs Dual Gigabit MAC Dual Gigabit PHY Gigabit Ethernet Backplane Octal T1/E1/J1 Framer/LIU Boot Flash DDR DRAM QDR SRAM

90 Fabric Interface Chip (FIC) PPP/ ATM/ OTN / SONET/ SDH
10Gbps SONET Line Card SAR’ing Classification Metering Policing Initial Congestion Management Ingress Processor D R A M D R A M D R A M RDR Packet Memory QDR SRAM Queues & Tables Control Plane Processor Q D R Q D R Q D R Q D R PCI 64/66 IXP2800 Ingress Processor Fabric Interface Chip (FIC) Calypso CDR, DEMUX 10GbE OC-192c SPI I/F 10Gbs 15Gbs CSIX I/F Fabric Flow Ctl CDR, DEMUX 10Gbs 15Gbs IXP2800 Egress Processor Traffic Shaping Flexible Choices diff serve TM 4.1 … Egress Processor 10 GbE WAN / PPP/ ATM/ OTN / SONET/ SDH QDR SRAM Queues & Tables Q D R Q D R Q D R Q D R D R A M D R A M D R A M RDR Packet Memory

91 软件构成 NPF定义的网络处理器软件架构

92 NPF定义的网络处理器软件架构 转发平面 控制平面 负责以线速处理网络的流量 根据网络业务流作出分组处理的决定 控制和配置转发平面
转发、分类、过滤等 控制平面 控制和配置转发平面 执行各种信令和路由协议 为转发平面提供路由信息、转发信息、端口配置信息和QoS配置信息 分为应用层、服务层和功能层

93 控制平面软件 应用层 最高层次的抽象 路由协议、边界网关协议、路由信息的管理 服务层 实现与系统相关的抽象 功能层 实现与硬件单元相关的抽象

94 控制平面软件 两套API 控制平面平台开发包（CP_PDK） NPF应用API NPF管理API 为内核的控制平面软件提供标准化的接口
针对特定的协议类型 在操作系统之上运行 IPv4单播转发API、MPLS API、区分服务API 每个API分别由一个构件实现 NPF管理API 系统的配置和管理 数据转发平面的插件管理 名字空间的管理 控制平面平台开发包（CP_PDK） 为内核的控制平面软件提供标准化的接口 建立在内核构件基础上

95 应用系统构成实例 Internet交换路由器 见教材 2. 边缘汇聚路由器 3. 多业务服务平台

96 附录：其他网络处理器 2.5Gbps 10Gbps IBM公司的PowerNP 4GS3 Vitesse公司的IQ2000、IQ2200
Motorola公司的C-5 DCP Cisco Toaster 2 10Gbps Bay Microsystems公司的BrecismsP5000 Xstream Logic公司(后改名Clearwater Networks ) 动态多线程(DMS)处理器核 智能包管理单元(PMU) 采用类似MIPS的结构 Ezchip公司的NP-1 Lexra公司的NetVortex

97 PowerNP high-level architecture
UnderstandingNPs

98 PowerNP Embedded processor complex (EPC) Ingress EDS Egress EDS
计算资源 Ingress EDS 网络接口的分组接收、发送、调度 Egress EDS 交换结构接口的分组接收、发送、调度 Ingress SWI 实现内部分组回路 Egress SWI Ingress PPM 连接物理层设备 Egress PPM

99 PowerNP components Embedded processor complex (EPC) Data flow (DF)
包含1个嵌入式PowerPC 8 protocol processor units 每个协议处理器包含2个CLP 共16个picoprocessor 32个分组处理线程 采用加速硬件实现帧转发、过滤、CRC计算 Accepts data for processing from both ingress and egress DFs 4KB shared memory pool (1KB per thread) Data flow (DF) Data path for receiving and transmitting packets Coprocessor Provide hardware-assist function Table search, packet alteration, classification, pattern search

100 CLP Core language processor A 32 bit picoprocessor 1 cycle ALU ops
scaled-down RISC processor 1 cycle ALU ops 16 32bit or bit GPRs Supports 2 threads(32 threads in all) Run at 133MHz

101 PowerNP functional block diagram

102 Vitesse公司的IQ2200 4 200MHz scalar RISC processor cores
With co-processors for lookup, classification, packet order management, multicast support Optimized instruction for network operations QoS Engine for packet priorities and transfer Vsc2202-pb-r10-vppd-00306

103 Motorola C-port C-5 16 channel processors (CP) 5 co-processors
RISC core with 2 Serial Data Processors (SDP) RISC core Classification, traffic scheduling SDP talks to other CP, field parsing, CRC validation/calculation, framing header validation, extraction, insertion, deletion, 5 co-processors Executive processor: coordination with external host processors Fabric processor: for using multiple C-5’s in a fabric Table lookup unit: table lookup and update Queue management: manage packet queues Buffer management: memory management 1 general purpose processors UnderstandingNPs

104

105 Cisco Toaster 2 Consists of 2 PXF chips
Parallel express forwarding (PXF) architecture Contains 16 Express microcontroller (XMC) Single thread execution model Used in Cisco Edge Service Router (ESR)

106 Cisco Toaster 2 Express microcontroller (XMC)
Based on a vanilla 2-way issue RISC VLIW Arranged in 4 pipelines Results in a 4x8 systolic array

107 Lextra NetVortex Use 16 MIPS R3000 32-bit RISC core(LX8000)
Support for single cycle context switch among 8 contexts Add special instructions to speed up packet processing 1’s complement add, insert and extract bit fields LX480 used for control plan processor

108 Clearwater CNP810 SMT core 10 functional units (FU)
Use simultaneous multi-threading Peak throughput of 225Gbps Support SPI-3, SPI-4 150nm process 300MHz 12W UnderstandingNPs

109 EZ-chip Uses specialized processors for different tasks
Task optimized processors (TOPs) TOPparse TOPsearch TOPresolve TOPmodify Manufactured by IBM UnderstandingNPs

110 Questions Can we make network processors – Faster? – Easier to use?
– More powerful? – More general? – Cheaper? – All of the above?