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網絡全光化進程的加速以及網絡技術的演進擴展了傳統數據業務以外的多業務模式，諸如音視頻下載、P2P流媒體等業務對網絡的業務承載能力提出了新的挑戰。隨之而來的線速處理和可管理需求已使傳統網絡設備不堪重荷，因此新型網絡設備需要具備快速的業務升級能力和高性能的處理能力以提高網絡容量。目前，采用多內核和并行處理結構的網絡處理器(Network Processor)在中高端網絡設備中的使用已逐漸成為趨勢。但與計算和消費市場一樣，通信網絡市場的多核并行處理的開發也面臨著前所未有的挑戰，因此如何突破NP多核架構的開發瓶頸已成為業界關注的焦點。 多業務流催生新型多核網絡處理器 NP融合了CPU的靈活性和ASIC的高性能特點。NP擁有很強的硬件并行處理能力，其可通過多內核實現處理器級的并行處理，因此使用多核NP實現并行交換(PPS)能很好地提升網絡容量。高性能系統需求可以說是驅動多內核和快速處理技術需求的動力。新型多核NP被應用在控制平面、數據平面以及兩者結合的處理。目前主要的多核NP半導體廠商有MIPS架構陣營的Cavium、RMI、博通，以及PowerPC架構陣營飛思卡爾。 很多應用具有寬廣的性能范圍和能根據內核性能和數量進行縮放的解決方案。這些能力可以使系統廠商很容易實行跨平臺保存和重新利用遺留代碼并移植到未來的應用，因此增加性能和添加增值功能對網絡設備而言十分有必要。多核NP主要通過可縮放的方式卸載TCP性能，而新型多核NP的片上內容處理卸載可以對L4層以上的分組提供處理并能夠實現片上壓縮/解壓。為了幫助內核卸載，多數多核處理器的廠商都集成了特殊的硬件加速器進行那些可用硬件更高效實現的處理。由于新的多核處理器結合了硬件加速技術，多內核與多I/O可以共享同一數據報內的分組的所有部分，來自這些模塊的關于位置和數據可追蹤與可接入的信息實質上可以用來調試軟件。而通過平臺利用這些信息優化性能同樣變得重要�？梢暬球寗佣嗪颂幚砥鞯墓芾沓绦蚬δ苤С值牧硪粋�趨勢。 面對日益增長的P2P業務流，深層包檢測(DPI)技術被認為是對付網絡多業務所帶來的管理/控制挑戰的有效方法。模式匹配是實現DPI的基礎，而多核NP能對DPI的模式匹配提供有力的支持。實現DPI的模式匹配主要有TCAM(三態內容可訪問存儲器)模式匹配以及正則表示模式匹配。其中，TCAM是一種用于硬件加速查找的外接式存儲器，廣泛用于早期的高端路由器上。但其靈活性較差、功耗大。面對下一代網絡的高吞吐量需求LA-1接口已經逐漸不能滿足，目前主要TCAM生產廠商正為下一代TCAM制定新接口。正則表示式(regular expression)模式匹配由于具備高性能和高靈活性特點正逐漸成為DPI模式匹配的主流。 由于在DPI下交換協議、病毒定義和頻繁的更新需要模式數據庫，而為實現DPI性能需求，也對存儲器帶寬提出了需求。飛思卡爾半導體通過模式匹配引擎（PME）提供快速編譯和提升了模式更新，因為可以使用廉價的DDR2存儲模式使PME的吞吐量無需依賴于外部存儲器。PME使用NFA(非確定性無限自動機)解決DPI中的模式剖析問題。另外，在分組的狀態檢測過程中也可以使用狀態規則引擎(stateful rule engine)卸載更多的CPU帶寬。多核處理器不但需要低延時存儲器訪問以進行高性能的L2和L3路由判決，而且需要具有高性能正則表示式的查找加速以允許分組能夠被安全應用搜查到，也同樣需要安全加速以處理分組的壓縮/解壓。所有這些加速器和多個內核共享數據和狀態使得高帶寬互連變得尤其重要。而這個互連必須是完全緩存一致性的。據飛思卡爾半導體網絡和多媒體應用處理器部門的Jeffrey Ho介紹，飛思卡爾即將推出的多核平臺將會支持三級緩存體系以滿足那些同時需要共享前端緩存和本地后端緩存的應用。另外，由于用于L4層及以上的應用的模式匹配卸載需要靈活性和易于編程，在那些快速的業務更新里就無需外接昂貴的TCAM和RLDRAM了，PME引擎能圍繞匹配的狀態操作也無需進行軟件的交互。 總的來看，新型多核NP相對于傳統的微引擎/微碼NP有很多優勢。首先具有更好的編程性，例如能使用Linux、VxWorks或者BSD這些基于C/C++語言的標準嵌入式操作系統，以及多種標準開發環境；并能夠將控制、管理和數據平面軟件集成到單芯片里面。但高應用吞吐量才是高端NP首要關注的，低端NP提高集成度是為了達到降低成本的目的。而在應用中是否采用NP和ASIC/FPGA結合的方式則要視乎具體情況而定。目前，有廠商把控制和數據平面集成到單顆NP里面，但高端應用仍將它們進行分離處理。因為這更多的是取決于遺留代碼、軟件及具體方法而不是由NP的功能集成的支持度所決定的，所以在未來的高端設備設計當中NP和ASIC/FPGA將長期共存，這樣才能夠進行諸如背板事務的處理以及能為產品提供區別于競爭對手產品的附加值。 圖1：飛思卡爾即將推出的多核通信平臺將支持三級緩存 核NP在高層應用中面臨挑戰 傳統NP不支持標準操作系統和C/C++代碼。新型多核NP已經發展成為可以支持標準編程設計模塊、C/C++和Linux、VxWorks和BSD等操作系統的NP。多核架構因為可以通過不同的處理單元并行處理任務，因此可以為整個系統帶來好處。根據阿姆達爾定律，多核軟件性能將很大程度上依賴于順序執行的代碼數量。嵌入式系統復用了舊系統大量的遺留代碼，而其中大部分的代碼庫是為單核處理而編寫的。通常這些已寫好的軟件是單線程的，必須依賴代碼的順序執行。因此需要把代碼分割成很多小片，同時減少順序執行代碼的數量。在利用多核NP進行設計的時候，開發人員必須時刻提醒自己是在使用多核與硬件加速。 單處理核心的負載平衡可以由OS很容易的完成。但是對于多核來說，要視乎是不對稱多重處理（AMP）還是對稱多重處理（SMP）操作系統。AMP OS的負載平衡是靜止的并依賴于程序員來分割代碼。因此當工作量不一致時問題就出現了，而靜態平衡則意味著他們需要對代碼進行重分割以適應不同的環境。其他的問題還包括并行處理時內核間的優化、處理器的共享數據的優化、在多核環境下尋找重部署代碼庫的方法以及用軟件包集成通用產品和性能。 如何在多核之間分割代碼變成一項極為艱難的決定，無論是使用SMP、AMP還是兩者的結合形式。很多的單核應用必須將數據平面和/或控制平面功能從單核處理器分離到多核方案里。而了解分布軟件的選擇則變得重要。 一些工程師覺得多核NP在做交換時效果很好，但其在更高層應用的效果并不理想。對此，飛思卡爾的Jeffrey Ho認為當多核處理器超過4個內核的時候，互連性能的瓶頸必須得到優化，這樣才允許架構可以擴展到8內核甚至是16內核以上；同時，Jeffrey Ho指出多核NP現在的確是出現了編程問題的瓶頸，傳統NP和嵌入多核產品由于缺少編程能力以及基礎工具和驅動，因此源代碼庫對于L1和L2功能非常高效，但對于多核NP的高層應用則無法得到優化。此外，AMCC集成通信產品業務部副總裁兼總經理Daryn Lau則認為4個內核以上的NP是無法達到平衡的，而使用雙核NP則可分別對數據平面和控制平面進行高效的管理，因此雙核NP有望成為未來的主流。 為多核NP選擇合適的開發平臺和工具 具體說到嵌入式操作系統對于多核NP軟件的開發，常常是把Linux與風河的VxWorks相提并論。這兩種操作系統各有其適應性，在不同的情況下都會發揮各自的優勢。Linux的優勢之一是這種操作系統不僅在設備軟件領域得到應用，而且在許多服務器環境中得到大量應用，而網絡設備常常需要與高層管理軟件配合使用，因此在某些情況下，如果網絡設備本身和其上層的管理軟件都是由Linux編寫的，在集成性方面有可能會有一些便利性。 Linux的應用范圍將會很廣，但設備嵌入式軟件開發與PC或服務器軟件開發最大的不同之處之一就是與硬件的相關性，PC或者服務器基本上是在一個標準的硬件環境中運行，而設備軟件的運行環境有很大的差異，所以應該從產品研發和適用的環境去分析和判斷一個產品應該采用Linux還是VxWorks來作為開發和運行平臺。選擇了Linux的開發人員應該非常注意：到底要用多長的時間、人力和資源來維護和集成Linux平臺和工具，又可以用多長的時間、人力和資源來開發屬于自己的產品？因為Linux是開發源代碼的，可以自行從源代碼社區獲得所有的操作系統、開發工具和中間件，然后自己再把這些不同的部分集成起來，但這些工作一定會消耗大量的人力、時間和其他資源。從目前的狀況來看，大多數公司為了集中開發自身產品的獨特功能，目前還是選擇從開發工具提供商那里直接獲得集成、測試、驗證好的集成化Linux開發平臺套件。 風河中國區總經理韓青指出，在多核處理器開發中選擇什么樣的OS雖然重要，但是選擇什么樣的開發與調試工具更重要。多核開發人員總是都期望有一種工具，能夠把已經為單核處理器開發的軟件直接轉換成可以在多核環境中運行的軟件。雖然有些廠商也宣稱，只要把用戶原有的單核處理軟件直接運行在自己的多核處理器上就可以大幅度提升性能，但到目前為止，甚至在今后一段時期內，這種期望都是不現實的。從目前的技術手段來看，要充分利用多核處理技術帶來的好處，例如獲得更高的處理性能、更有效的電源利用率，或者縮小裝置的體積，最有效的方法仍然是“調試”，也就是通過不斷的試驗來“發現”和“優化”自己的算法。因此，擁有高效率的調試工具，是目前充分利用多核處理技術的最佳捷徑。 風河的Workbench是目前唯一能夠同時支持VxWorks、Linux和其他專用操作系統的跨平臺IDE，其可同時支持多任務、多線程、多進程、多CPU、多板調試等。而風河的JTAG解決方案使開發人員能夠同時停止或者啟動任何內核，在一個或者多個內核上設置斷點(包括條件斷點)。開發人員可以在諸如硬件Bring-Up、內核、中間件和其他應用功能調試的時候采用JTAG連接。另外，Workbench Eclipse還支持基于代理的調試方式幫助開發人員在適當的時機平滑地轉移到基于代理的調試，而這些調試工作都是圍繞著同一個應用進行的。 本文小結 數據、語音和視頻以及多功能的融合將驅動基礎設施市場，高網絡帶寬和更高業務質量需求最終也將推動網絡處理器的發展及其市場，但基于多核NP的開發面臨挑戰。本文介紹了網絡處理器是如何幫助滿足網絡業務的爆炸性需求，另外還闡述了有助于采用多核NP進行開發的觀點并介紹了相應的開發工具。 |
