卿金偉 王 駿

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

1.引言

網(wǎng)絡(luò)流量的指數(shù)級(jí)增長，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的處理越加復(fù)雜，特別是在跨區(qū)域大型企業(yè)、政府等部門對(duì)新業(yè)務(wù)的需求越來越大的情況下，現(xiàn)有城域網(wǎng)絡(luò)各方面的瓶頸越來越突出，而且隨著NGN、IPTV等基于IP的話音與視頻業(yè)務(wù)的發(fā)展，對(duì)城域網(wǎng)與接入網(wǎng)的功能與性能又提出了許多更高更新的要求：高帶寬、高可靠性、高QoS、低延時(shí)和靈活的擴(kuò)展性。網(wǎng)絡(luò)處理器（network processor，NP）作為新一代的高性能路由器的核心設(shè)備，在數(shù)據(jù)傳輸處理方面有許多特別的優(yōu)勢(shì)，它不但擁有ASIC處理器的高速高帶寬，而且具有非常強(qiáng)的靈活性，同時(shí)在流量管理、QoS、OAM等技術(shù)也有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

2.城域網(wǎng)技術(shù)概述

從橫向劃分，承載網(wǎng)通?？梢苑譃楣歉删W(wǎng)、城域網(wǎng)與接入網(wǎng)，城域網(wǎng)位于骨干網(wǎng)與接入網(wǎng)的交匯處，是通信網(wǎng)中最復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境，各種業(yè)務(wù)和各種協(xié)議都在此匯聚、分流和進(jìn)出骨干網(wǎng)。多種交換技術(shù)和業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)并存的局面是城域網(wǎng)建設(shè)所面對(duì)的最主要問題。而基于IP/MPLS技術(shù)建設(shè)多業(yè)務(wù)綜合承載網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被全球運(yùn)營商認(rèn)同。

在城域網(wǎng)絡(luò)中，骨干層通過出口路由器實(shí)現(xiàn)與兩張骨干網(wǎng)的連接完成高速的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，并充當(dāng)IP城域網(wǎng)出口設(shè)備。匯聚層作為IP城域網(wǎng)骨干區(qū)域向下的延伸，與骨干層構(gòu)成了核心路由區(qū)域，并充當(dāng)三層MPLSVPN（Multi-Propocol Label Sw itching VirtualPrivate Network）的P設(shè)備。匯聚層BAS（寬帶接入服務(wù)器）和路由器以上運(yùn)行三層網(wǎng)絡(luò)，以下視具體的情況運(yùn)行三層或二層網(wǎng)絡(luò)。接入層負(fù)責(zé)用戶接入，采用二層網(wǎng)絡(luò)。

3.NP-3網(wǎng)絡(luò)處理器概述

Ezchip公司的NP-3處理器，是一款高靈活性的網(wǎng)絡(luò)處理器。它提供10G線速的包處理能力及良好的帶寬控制能力。通過編程能實(shí)現(xiàn)如二層交換、Q-in-Q、PBT、T-MPLS、VPLS、MPLS、IPV4/IPV6等多種功能。同時(shí)該芯片集成了一個(gè)流量控制器，能提供較強(qiáng)的流量管理功能。

NP-3的數(shù)據(jù)處理流圖如圖1。

TOPparse解析和提取各種數(shù)據(jù)幀的幀頭、地址、端口、協(xié)議等作為查表的關(guān)鍵字。同時(shí)也可利用硬件或軟件解析報(bào)文，過濾非法的畸形報(bào)文、攻擊報(bào)文。

TOPsearch使用TOPparse提取出的關(guān)鍵字查找相關(guān)的路由表、會(huì)話表、策略表、統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)表等。

TOPresolve根據(jù)TOPsearchI查找表所得的結(jié)果進(jìn)行判斷和決策。同時(shí)可以通過高學(xué)（high learning）更新會(huì)話狀態(tài)信息等。

TOPserach II可選，在TOPresolve完成后，進(jìn)行比較簡(jiǎn)單的額外數(shù)據(jù)表查找。

TOPmodify對(duì)報(bào)文的內(nèi)容進(jìn)行修改并發(fā)送到不同的路徑上。

4.城域網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)分析及NP-3平臺(tái)下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)

4.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)分析

典型的城域網(wǎng)由服務(wù)商骨干網(wǎng)絡(luò)（service provider backbone network，SP-BN） 和多個(gè)服務(wù)商網(wǎng)絡(luò)（service provider network，SP-N）構(gòu)成，服務(wù)商網(wǎng)絡(luò)之間通過骨干網(wǎng)連接，用戶之間則通過服務(wù)商網(wǎng)絡(luò)連接到骨干網(wǎng)，如圖2所示，圖中SP-BN通過MPLS協(xié)議連接，而SP-N通過Q-in-Q（IEEE802.1ad）協(xié)議連接。本文將基于該網(wǎng)絡(luò)實(shí)例進(jìn)行研究討論。

在城域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中涉及的三類關(guān)鍵服務(wù)：

4.1.1 點(diǎn)到點(diǎn)二層VPN服務(wù)（VPWS）

兩個(gè)單獨(dú)的用戶站點(diǎn)之間可通過本服務(wù)實(shí)現(xiàn)二層連接，預(yù)先配置好一個(gè)統(tǒng)一的服務(wù)ID(service ID)，建立一條通過SP-N和SP-BN的鏈路。數(shù)據(jù)幀只需通過預(yù)先配置好的service ID進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，如圖2中的Client A與Client B之間的二層服務(wù)。

4.1.2 點(diǎn)到多點(diǎn)二層VPN服務(wù)（VPLS）

本服務(wù)提供了多個(gè)站點(diǎn)之間的二層連接，相當(dāng)于構(gòu)建了一個(gè)虛擬的局域網(wǎng)，數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)基于service ID和報(bào)文的目的MAC地址（destination MAC address，DA），如圖2中的Client A、Client B、Client C之間的二層服務(wù)。

4.1.3 點(diǎn)到多點(diǎn)路由服務(wù)（L3VPN）

本服務(wù)提供了多個(gè)站點(diǎn)之間的三層連接，同時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)本城域網(wǎng)絡(luò)與外網(wǎng)的連接。在各個(gè)用戶站點(diǎn)看來，SP-N就是一個(gè)虛擬的私有IP網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)基于service ID和目的IP地址（destination IPaddress，DIP），如圖2中的Client A、Client B、ClientC之間的三層服務(wù)

4.1.4 NP-3硬件支持

NP-3的TOPparse模塊能實(shí)現(xiàn)硬件快速分析和提取數(shù)據(jù)報(bào)文對(duì)應(yīng)OSI七層網(wǎng)絡(luò)模型的關(guān)鍵字段，包括MAC地址信息，VLAN標(biāo)記，以太幀類型，MPLS標(biāo)簽，IP地址，端口，HTTP，UTL等等。在本設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)是對(duì)含有多個(gè)VLAN標(biāo)記和MPLS標(biāo)簽的復(fù)雜城域網(wǎng)服務(wù)的快速處理，NP-3能實(shí)現(xiàn)至少4級(jí)標(biāo)簽棧的解析，對(duì)跨越多重網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜服務(wù)有強(qiáng)大的支持能力。

NP-3處理器上的關(guān)鍵數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)處理流程分析

NP-3處理器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)處理能力強(qiáng)，而對(duì)于控制協(xié)議的處理能力就較弱。在NP-3上，對(duì)數(shù)據(jù)幀的處理依賴于以下三個(gè)因素：端口的配置，數(shù)據(jù)幀的格式以及網(wǎng)絡(luò)所提供的服務(wù)。根據(jù)設(shè)備的位置，端口的配置又分為四種模式：C-tagged模式，聚合模式，Q-in-Q模式，MPLS模式。

首先確定有幾下幾類數(shù)據(jù)幀：標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀，Q-in-Q幀，MPLS封裝的IP幀，各幀的結(jié)構(gòu)如下。

(1)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀，有三種類型

DA SA 0X800 IF DATA DA SA 0X8100 C_TAG 0X800 IF DATA DA SA 0X8100 C_TAG1 0X8100 C_TAG2 0X800 IF DATA

(2)Q-in-Q幀有兩種類型

(3)MPLS封裝的IP幀，有兩種類型

P-DA PSA 0X8 847 Tunnel Label2 Tunnel Label1 VC label DA SA 0X81 00 C_T AG 0X80 0 IF DA TA P-DA P-S A 0X8 847 Tunnel Labe11 VC label DA Q-in-Q TPID S_T AG 0X8 100 C_T AG 0X80 0 IF DA TA SA

(4)TOPparse

TOPparse階段，分析報(bào)文內(nèi)容，確定報(bào)文類型：標(biāo)準(zhǔn)以太報(bào)文，Q-in-Q報(bào)文，還是MPLS報(bào)文。然后根據(jù)報(bào)文中的TAG數(shù)或標(biāo)簽數(shù)確定在TOPsearch I階段查表的KEY，不同的服務(wù)KEY的內(nèi)容不同，查的表也不同，KEY的構(gòu)成如圖3所示。

(5)TOPsearch I

在TOPsearch I階段，根據(jù)TOPparse確定的關(guān)鍵字KEY查表，最終確定服務(wù)的類型，根據(jù)不同的服務(wù)類型，又會(huì)進(jìn)行不同的查表處理，如圖4所示。

在NP-3上，所有的查表過程都是通過硬件實(shí)現(xiàn)，同時(shí)支持多級(jí)查表，能有效解決一般的CPU查表速度慢和簡(jiǎn)單的缺點(diǎn)。

(6)TOPresolve

在TOPresolve階段，分析查表結(jié)果進(jìn)行決策，根據(jù)不同的服務(wù)類型和設(shè)備的配置與其在網(wǎng)絡(luò)中的位置，確定對(duì)傳輸隧道的操作及在TOPmodify中代碼執(zhí)行的分支，若是要更新隧道，就要通過TOPresolve的高學(xué)功能，通過硬件的學(xué)習(xí)機(jī)制，完成表項(xiàng)的快速更新，如圖5所示。

NP-3的硬件快速學(xué)習(xí)功能，能使設(shè)備快速適應(yīng)新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，縮短設(shè)備的調(diào)整與恢復(fù)時(shí)間。

(7)TOPmodify：

TOPmodify階段的主要操作是根據(jù)不同情況修改報(bào)文，如圖6所示，插入新的隧道信息，去除已有的隧道信息，VLAN的刪除、增加、交換等。在完成報(bào)文的修改后，輸出至網(wǎng)絡(luò)。

4.3 編碼實(shí)現(xiàn)及仿真結(jié)果

根據(jù)上面的分析流程編寫微碼，在Ezchip公司特有的仿真平臺(tái)Ezmde上進(jìn)行仿真測(cè)試，利用Testcenter工具進(jìn)行抓包，試驗(yàn)結(jié)果顯示能達(dá)到10G的線速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)速率，并能很好地實(shí)現(xiàn)各類服務(wù)。綜上所述，NP-3處理器主要具有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)相對(duì)其它的網(wǎng)絡(luò)處理器產(chǎn)品，NP-3芯片成本比較低；

(2)NP-3對(duì)數(shù)據(jù)的處理性能比較高，特別是針對(duì)一般的CPU，它的高速低開銷硬件查表及學(xué)習(xí)功能大大提高了數(shù)據(jù)的處理速率；

(3)具有全面的硬件報(bào)文業(yè)務(wù)分析功能，簡(jiǎn)化了開發(fā)的難度，NP-3只需要少量的編碼就能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，有效縮短開發(fā)周期；

(4)相對(duì)ASIC芯片，NP-3有極強(qiáng)的靈活性，通過對(duì)硬件的編碼不需要任何新的硬件就能快速實(shí)現(xiàn)服務(wù)的升級(jí)以及增加新功能。

5.結(jié)束語

NP體系可通過微碼升級(jí)支持新業(yè)務(wù)，快速提供新功能，適應(yīng)能力強(qiáng)和擴(kuò)展能力較好，使其成為最主要的業(yè)務(wù)路由器架構(gòu)之一。正因?yàn)镹P具有擴(kuò)展性好、組網(wǎng)方式靈活，可提供電信級(jí)的可靠性、具有完備的OAM等特點(diǎn)，使其成為了路由器設(shè)備主要發(fā)展方向之一。同時(shí)由于使用NP組成的核心路由器在高速端口密度、端口性能可擴(kuò)展能力方面有比較大的局限性，這就要求設(shè)計(jì)者綜合各方面的情況進(jìn)行規(guī)劃，才能發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)處理器的最大效能。

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