简单认识网络处理器

网络处理器(network processor, np)或者网络处理器单元 (np unit,npu)可以处理各种网络通信任务,包括数据包的处理、协议分析、路由查找、声音和数据的汇聚、当作互联网防火墙、保证服务质量 (quality of service,q0s)等。np 集成电路产品广泛应用于互联网路由器(routers)、互联网交换机(switches)、网络监控与防护等多种设备中。这些设备位于互联网交换点(internet exchange point, ixp),用于处理数据通信,故有时也将 np 称作 ixp网络处理器。‍
由于网络数据处理的特殊需求,例如复杂的拥塞管理、队列调度、数据流分类和 qos 功能,需要实现极高的查找和转发性能等,通常的 cpu(例如 ×86)处理能力明显不足而且还受到 pci 总线速度的制约。而专门设计的 np,并通过软件算法与硬件结合可以解决上述问题,并在应用中可以跟随防火墙功能的快速发展,具有灵活的可编程性,编程模式简单。np 的特点和优势包括以下几个方面:多内核并行处理器对数据包处理能力的提升;专用硬件协处理器系统性能的提高;针对网络协议的处理特点而优化的专用精简指令集;分级存储器结构可以适应不同的应用场景;丰富的高速i/o 接口提供很强的硬件并行处理能力;多个np 互联的网络处理器簇的可扩展性,从而可支持大型、高速的网络处理任务。
使用比较广泛的 np 是intel 公司的ixp 系列产品。intel 于 2011 年将ixp2800 授权给 netronome 公司开发。netronome 公司根据 ×86 架构设计的网络处理器 agilio lx smartnic 产品,以及juniper networks 公司设计的路由器和网络交换机等,可以提供 10gbit/s、40gbit/s、100gbit/s 的数据速率。broadcom 公司的网络交换机芯片 “战斧(tomhawk)”可以控制32x100gbit/s 的数据速率。marvell 公司的网络交换机产品 prestera 系列可以支持 1.2tbit/s 数据包等。nokia公司于2015年收购了 alcatel-lucent,其7450 ess 系统提供 10gbit/s、40gbit/s、100gbit/s 的数据速率,交换机总能力为 2~4tbit/s。‍‍‍‍
根据云数据中心(data center)的数据吞吐量(throughput)要求,当代np设计需要具有软件定义网络 ( software defined networking, sdn),即计算机网络功能。cisco 公司的 nexux 9500 网络交换平台可以构建多种组合网络网口,包括 512x 100gbit/s 的网口,该平台的背板带宽(backplane bandwidth)达到172.8tbit/s。华为公司的 ce12800 系列交换机的背板带宽达到 178tbit/s。ezchip公司(2016年被 mellanox 公司收购)的indigo nps 产品系列可以支持开放式系统互联(open system interconnect, osi)的7层技术协议。ezchip改用armv8架构,用 100 颗 a53众核( many cores)在28nm 工艺上制造,实现200gbit/s 的数据速率。‍‍‍
网络处理器芯片类型包括开关芯片、控制芯片等。与通用处理器 (cpu/mpu等)相比,np 通常要求高性能、高数据速率、结合软件技术、提供加密处理和云数据服务等,其研发周期长,架构设计复杂。


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