武月娜　趙貴根

用戶對網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)豐富和性能增長同步發(fā)展的需求，使得多核處理器成為了眾多網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)安全應(yīng)用開發(fā)商的新寵。但同時，多核處理器在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中也存在問題，尤其是目前我們還無法實現(xiàn)將控制平面與數(shù)據(jù)平面分離，而這一分離的好壞將決定多核應(yīng)用交付時的性價比。在這種情況下，或許FPGA／ASIC與多核整合會成為一種趨勢。

隨著多核處理器的興起，眾多網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)安全應(yīng)用開發(fā)商也把目光從x86架構(gòu)轉(zhuǎn)向了專用或是典型的多核平臺上。網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用和安全產(chǎn)品開發(fā)商(以下簡稱應(yīng)用開發(fā)商)看好多核，和網(wǎng)絡(luò)處理器曾經(jīng)的風(fēng)靡一樣，是有著很強的用戶需求驅(qū)動的。原始需求來自于用戶對網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)豐富和性能增長同步發(fā)展的需求。網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)應(yīng)用最早只是進行簡單的IP網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，而今天則已經(jīng)逐步演進到了對應(yīng)用層的精細(xì)分析和控制，對網(wǎng)絡(luò)流量進行更深入的分析，對計算能力的要求也越來越高；與此同時，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需要處理的輸入數(shù)據(jù)也在不斷飛速增長。傳統(tǒng)x86架構(gòu)固然非常靈活，但卻不能有效解決對更高流量進行處理時計算能力不足的問題。

事實上，每當(dāng)一種新的、號稱可以對流量進行高性能靈活處理的專用芯片誕生，對應(yīng)用開發(fā)商來說都是一種刺激和鼓舞，尤其是這種專業(yè)芯片還可以為軟件開發(fā)者提供一種通用的編程能力，因此，多核處理器受到青睞也顯得合情合理。

三種架構(gòu)各有優(yōu)劣

據(jù)了解，應(yīng)用開發(fā)商需要通過專用芯片完成以下專業(yè)工作：模式匹配，在報文流量中找到特定比特、字節(jié)模式的能力，如字符串匹配、報文特征匹配等；快速查表，根據(jù)報文流量特定字段進行查表操作，如路由表、流分類表、會話表等；報文計算，如Checksum校驗、MD5校驗、加解密運算等；對報文進行比特位域操作；隊列調(diào)度和管理；報文保序等。

網(wǎng)絡(luò)處理器第一個在芯片級為應(yīng)用開發(fā)商提供了上述基礎(chǔ)能力，但經(jīng)過將近10年的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)處理器只贏得了少量的用戶，很多應(yīng)用開發(fā)商投入了很多研發(fā)力量但卻并沒有實現(xiàn)預(yù)期的大規(guī)模成功。究其根本原因，是因為從x86架構(gòu)遷移到網(wǎng)絡(luò)處理器的成本太高，一個對現(xiàn)有軟件架構(gòu)沖擊太大的硬件必然會給軟件開發(fā)商帶來沉重的開發(fā)成本和維護成本。因此，網(wǎng)絡(luò)處理器只在少數(shù)幾個大廠商的核心產(chǎn)品中得到了應(yīng)用。昂貴的開發(fā)成本造成網(wǎng)絡(luò)處理器缺乏大基數(shù)的用戶群，用戶群的萎縮直接帶來的是網(wǎng)絡(luò)處理器應(yīng)用的無疾而終。

用于網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備的多核處理器，內(nèi)部同樣也集成了上述專業(yè)工作中的一部分甚至全部功能。此外，多核處理器為應(yīng)用開發(fā)商提供了靈活度更高的報文處理計算能力，筆者研究OCTEON處理器時，也為基于Linux即可開發(fā)、用c代碼來編程并使用這些功能而感到激動，但激動過后也不得不站在工程的角度去思考一個很現(xiàn)實的問題：遷移到多核處理器，究竟需要花費多少成本?會不會陷入類似當(dāng)年網(wǎng)絡(luò)處理器的“泥潭”呢?

與網(wǎng)絡(luò)處理器相比，多核處理器為應(yīng)用開發(fā)商提供了“基于Linux”這個開發(fā)利器。我們都知道，在x86上開發(fā)出來的眾多網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用都是基于Linux以及上面豐富的開源應(yīng)用程序的，而x86上可以運行的Linux系統(tǒng)和程序幾乎可以不加修改地直接移植到MIPS(一種RISC處理器)上，也就是多核CPU上。天然被Linux支持的SMP架構(gòu)，則可以讓多個CPU核同時被利用起來，這樣的移植工作量風(fēng)險很小，投入也可控。

但同時，SMP架構(gòu)并不能為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用處理提供線性的擴張能力，也就是說，一個核處理100M，并不意味著兩個核可以處理200M、16個核可以處理1600M,SMP架構(gòu)極有可能只能讓16個核具備1000M的處理性能，這么多個核的能力被軟件架構(gòu)浪費掉了，直接后果就是應(yīng)用設(shè)備整機的造價成本居高不下。此外，很多多核處理器中提供的報文處理加速能力，需要有專用的軟件去“激活”，Linux沒有提供現(xiàn)成的激活代碼，應(yīng)用開發(fā)商如果要用好多核，還必須自己去寫代碼來激活這些功能。

也就是說，多核處理器為使用Linux的應(yīng)用開發(fā)商提供了一個很容易用起來的開發(fā)平臺，但如何用好這個平臺，則需要應(yīng)用開發(fā)商付出努力。我們知道，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用可以從邏輯上分為控制平面和數(shù)據(jù)平面，x86上的Linux是控制平面和數(shù)據(jù)平面合一的，多核的SMP用法，也是控制平面和數(shù)據(jù)平面合一的，但是要讓網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用把多核用好，就必須要將控制平面和數(shù)據(jù)平面分離開來，而且分離得好不好決定了多核應(yīng)用交付時的性價比。

這就讓我們不得不提第三種架構(gòu)x86+FPGA／ASIC，這種架構(gòu)從設(shè)計開始就帶有很鮮明的數(shù)據(jù)平面和控制平面分離的特征，因此這種架構(gòu)可以很好地實現(xiàn)高性能這個目標(biāo)。但很可惜，由于FPGA或ASIC技術(shù)需要很大的研發(fā)投入，這種架構(gòu)成為了少數(shù)大廠商的專屬架構(gòu)，也正因如此，人們往往無從分析和驗證這種架構(gòu)是否應(yīng)該以及怎樣與Linux這樣的開放系統(tǒng)結(jié)合起來。

FPGA／ASIC與多核整合或成趨勢

回顧網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用處理器的發(fā)展歷史，觀察CPU+FPGA／ASIC架構(gòu)的發(fā)展，跟蹤多核處理器架構(gòu)的發(fā)展趨勢，我們可以進行一個總結(jié)性的比較。

第一，三種架構(gòu)的目的都是希望為網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用提供高性能的報文處理能力，即提供一個高性能的數(shù)據(jù)平面引擎；盡管它們出現(xiàn)的時間階段不同，但基本能力是相同的。

第二，可以將網(wǎng)絡(luò)處理器理解成多核架構(gòu)的初級階段，網(wǎng)絡(luò)處理器并沒有構(gòu)建出一個足夠強大的開發(fā)者群體；而多核處理器則充分利用了Linux這個網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)者非常喜歡的開放平臺，為吸引開發(fā)者、構(gòu)建開發(fā)社區(qū)提供了很大的想象空間。

第三，與多核處理器相比，F(xiàn)PGA／ASIC在芯片級實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的數(shù)據(jù)平面，但由于FPGA／ASIC實現(xiàn)成本很高，必須要有專業(yè)的廠商進行專業(yè)化的商業(yè)支持，數(shù)據(jù)平面的引擎才能不斷向前發(fā)展以滿足不斷豐富的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求。而也正是這些專業(yè)廠商的出現(xiàn)，使得FPGA／ASIC從少數(shù)廠家的私有架構(gòu)逐步變成適合眾多網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)商進行二次開發(fā)的開放架構(gòu)。

第四，多核處理器雖然具備很多明顯優(yōu)勢，但要將多核處理器的潛力充分發(fā)揮出來，還必須解決傳統(tǒng)應(yīng)用軟件中數(shù)據(jù)平面和控制平面分離的問題。因此，只有在多核上也出現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化的、開放的數(shù)據(jù)平面引擎，并且這個引擎可以與傳統(tǒng)成熟軟件無縫平滑結(jié)合時，多核處理器才可能在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中蓬勃發(fā)展。

第五，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用對數(shù)據(jù)平面引擎的要求，除了高性能、標(biāo)準(zhǔn)化和開放之外，功能豐富、易擴展的需求也越來越強烈。那么，多核和FPGA／AISC可否結(jié)合起來應(yīng)用呢?FPGA／ASIC實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的會話層和網(wǎng)絡(luò)層處理，多核實現(xiàn)靈活豐富的應(yīng)用層業(yè)務(wù)擴展，是不是會成為未來的一種發(fā)展方向呢?在筆者看來，這很可能會成為未來的一大發(fā)展趨勢。

第六，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用廠商的專長和優(yōu)勢在于他們可以深刻理解用戶需求，以用戶需求為基礎(chǔ)挖掘很多新應(yīng)用。數(shù)據(jù)平面的實現(xiàn)，無論是芯片級的FPGA／ASIC，還是多核的數(shù)據(jù)平面引擎，都很接近于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的底層，一個標(biāo)準(zhǔn)、開放、專業(yè)、易擴展的數(shù)據(jù)平面引擎，必然會為網(wǎng)絡(luò)新應(yīng)用開發(fā)帶來巨大推力。當(dāng)然，專業(yè)的數(shù)據(jù)平面引擎的獲得，無論是用FPGA實現(xiàn)，還是用多核實現(xiàn)，或者是將二者結(jié)合起來實現(xiàn)，都需要有專業(yè)廠商的支持。