网络处理器软件开发模型的研究

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摘要：网络处理器的高速处理和灵活的可编程性，使它成为当今网络中数据处理的有效解决方案。本文深入探讨网络处理器的软件开发模型。首先，介绍Intel IXP2400网络处理器硬件结构和软件开发平台，然后给出基于网络处理器的路由转发系统的设计实例，阐述网络处理器开发的关键环节，最后提出网络处理器软件开发所面临的主要问题和挑战。

    关键词：网络处理器 软件开发模型 微引擎 微模块 核心组件

引言

随着当今网络规模和性能迅速增长，Internet主干网络流量的指数性增长及新业务接连的出现，这就要求网络设备具有线速和智能的处理能力。网络处理器NP（Network Processor）便是一种新兴、有效的统一解决方案。它适用于各层网络处理，具有ASIC高速处理性能和可编程特性，既能保证系统灵活性，又能完成线速处理数据包所要求的高性能硬件功能。目前，网络处理器已经涌现出了一些成功的应用范例。这些应用主要包括：基于网络处理器的路由交换设备、智能安全设备和入侵检测设备等。比如，北京联想使用IBM的PowerNP构成了电信级的防火墙设备。与此同时，围绕着网络处理器应用展开的相关研究也得到了飞速发展，一些企业和科研机构也给予了足够重视。例如，Intel专门投资支持全球100所大学进行网络处理器及其相关应用的研究。

由于网络处理器特殊的体系结构，它的软件编程模型与传统网络应用/嵌入式应用开发有较大不同，更为复杂。本文将以Intel IXP2400网络处理器为例，对网络处理器软件开发模型进行较为详细地探讨。

1 网络处理器硬件架构

在一般程序设计中，可以不考虑操作系统和编译程序、线程调度的细节、寄存器的数量和容量，而在网络处理器的程序设计中，忽略这些因素就不能编写出优化的程序。在对网络处理器，尤其是微引擎编程之前，需要仔细了解网络处理器的系统结构和硬件平台。下面以Intel的IXP2400为例来说明。

IXP2400网络处理器是Intel在2002年推出的第二代互联网交换架构（IXA）网络处理器。其中，IXP2400是面向中高端应用的网络处理器，可用于实现OC-48的网络路由交换设备。
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    Intel的IXP2400网络处理器结构允分体现了SoC(System on Chip)的思想。如图1所示，它的内部主要包括8个完全可编程的4线程微引擎（Mev2）和1个XScale核。此外，还有用于连接外部MAC设备的MSF单元、连接各种存储器和总线的接口单元等。这些单元通过内部的高速数据总线和控制总线彼些协作。

XScale核（core）是ARM系列处理器的一种，它在IXP2400中起控制和管理作用。具体包括：对系统初始化；提供系统的时钟；建立并管理路由表；提供一个对应于IXP2400各寄存器、存储器和外部存储器的地址映射表等。XScale核在系统启动时，从BootROM开始执行引导程序，对整个IXP2400系统进行初始化。

IXP2400中的每一个微引擎其它就是一个32位RISC处理器，可以由4个并行硬件线程共享。数据包的接收、处理和发送等任务，均由微引擎中的各线程并行执行微引擎指令存储区中的微代码程序来完成。网络处理器数据的高速转发正是因为充分利用了硬件的并行性，来弥补线速转发中的内存访问的延迟。

IXP2400嵌在开发板的中心，周围通过数据线连接着各种设备，如SRAM，SDRAM等。SDRMA主要用来存放需要处理和转发的数据包等，也作为XScale核的内存；SRAM主要存放对数据包包头进行处理所需的重要信息和数据包的队列描述等内容。通过IXP2400的数据单元是一个64字节的MAC包（MPKT），在每收到一个包的时候，MAC将一个数据分成若干个MPKT，MPKT就是网络处理器处理数据的单位。

综上所述，IXP2400拥有网络处理的一般特点，从系统角度看，IXP2400属于一个并行式的多算是器共享总线的计算机系统。对于网络处理器的程序设计和一般计算机的程序设计有很大不同。

2 网络处理器软件开发模型

网络设备性能和可编程能力最终由运行在网络处理器平台上的软件决定，其中，选择何种编程模式是关键。评价网络处理器编程模式有两个基本准则：一个是编程模式所能涉及的层，即哪些功能能够编程以及编程能达到的层；另一个重要方面就是处理器衬淫的编程模型。由于网络处理器平台服务于软件功能需要，所以编程方法的关键是在不牺牲设备性能的前提下，使用成熟技术和现有软件模式，保证产品的可靠性，加快开发速度。

基于运行在核心处理器和协处理器的不同硬件之上，网络处理器可分成数据平面与控制平台。

数据平面主要运行在微引擎处理之上，是实现输入端口和输出端口间高速转发数据包的处理功能，具有线速执行特点，并充分利用数据包的无关性，采取并行处理方式。控制平面一般运行在网络处理器核上，处理路由表更新、管理数据平面任务与状态、完成高层的QoS控制等。这些操作的性能要求低于数据层面，因此通常采用高性能通用处理器硬件平台。为了有效支持网络处理功能，控制平面与数据平面之间存在复杂的信息交互与依赖关系。
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    IXP2400的软件开发也分为内核程序和微代码两部分。XScale内核的开发通常可以使用基于ARM平台嵌入式操作系统开发工具链，如WindRiver公司的Tornado或基于GNU的Linux工具链等；另一部分是对微引擎的编程，这部分使用Intel公司提供的Developer Workbench开发环境，主要使用微代码来进行编程。Developer Workbench提供了完善的编译、链接、仿真和调试功能。为了方便开发人员开发，消除平面之间通信等一些细节，Intel提供了它的网络处理器开发模型，称为IXA可移植框架（portability framework）如图2所示。

Intel IXA可移植框架中最重要的组成部分就是在微引擎上和XScale核上开发的代码模型。基于不同硬件上开发的代码模块分别为微模块（microblock）和核心组件（core component）。每一个模块都代表了一个进行包处理的代码单元。这里实际上引入了构件的思想，开发人员将各种模块以一定的顺序组织在一起，组成一个特定的应用。下面分别对框架中的各个层次进行讨论。

（1）微模块

数据平面的微引擎在逻辑上分成一个或多个微模块（microblock）。每一个微模块都是一个宏或者一个微引擎或由Intel提供的一些底层库写成的函数。微模块之间彼此独立，这些就提高了代码的可重用性，同时也简化了微引擎手代码的编写。微引擎与Intel XScale核共享一部分内存，大部分网络包的处理都通过微引擎来进行，一些例外的包将传递给Intel XScale核心组件来处理。微模块从功能上一般包括与一些高层协议相关包的处理微模块和与硬件紧密相关的微模块。前者包括IPv4转发、网桥、网络地址转换（NAT）等；后者包括包的接收和发送模块及分组队列管理模块等。

（2）核心组件

核心组件（Core Component）运行在XScale核上，实现了相关微模块的配置、管理和例外处理等工作。一个核心组件可能管理着多于一个微模块。具体来讲，核心组件主要完成以下一些功能：配置微模块（通过引入变量的静态配置和控制模块的动态配置）；初始化维护一些可能被其它应用程序修改的数据结构；提供了一个例外处理和控制消息处理机制来处理微模块发送过来的包和消息。

（3）微引擎数据平面优化库

微引擎数据平面优化库（optimized microengine data plane library）包括一些底层的微引擎宏指令和用微引擎的特殊C语言写的函数库，用来编写微模块和一些微引擎的代码。这些为是经过Intel优化的，非常高效，代码的占用小，同时也是非常底层的。库主要包含三信方面：对处理器硬件单元的操作，比如对微引擎内部的本地内存（local memory）、临界区（critical sections）操作等；协议头的解析函数，如IPv4、IPv6协议等；哈希单元的查找，CRC等。

（4）微模块基本设施库

微模块基本设施库（microblocks infrastructure library）提供了访问暂存包描述符的API，Dispatch Loop的实现是通过它来完成的。一个Dispatch Loop将运行在一个微引擎内部线程之间的多个微模块组成一个microblock组。关键的地方是，Dispatch Loop提供了一种多个微模块之间高效共享包的描述符、包头信息等重要数据结构的方式，实现了多个微模块间的数据传递。Dispatch Loop也提供了向其它Dispatch Loop也提供了向其它Dispatch Loop和XScale核之间发送和接收包的接口。

（5）资源管理库

资源管理库（resource management library）是XScale核的一个软件组件，它向内核提供了微引擎的API，比如硬件的资源管理接口，大大简化了硬件初始化的任务，配置和资源的共享；微模块与核心组件之间的通信API，开发者屏蔽了微引擎与XScale核之间通道的一些细节。

（6）核心组件基本设施库

核心组件基本设施库（core components infrastructurelibrary）为XScale核心组件设计和构造提供了一些底层的API，同时也提供了组件之间传递包和消息的机制。其于核心组件基本设施库的一个核心组件一般都要包含以下函数：1个初始化函数；1个结束函数；1个或多个包的处理名句柄；1个或多个消息处理句柄。

（7）操作系统服务层

操作系统服务层（operating system services layer）对运行在XScale核上的代码提供了一个抽象层。开发人员编写的XScale核心运行代码包括资源管理库。应该利用这一层，而不是直接去利用操作系统提供的API，从而提高系统的可移植性。OSSL主要提供了以下几类接口：线程管理、同步原语、互斥操作、定时器、内存管理和消息日志。

（8）控制平面平台开发工具包

控制平面的PDK（Platform Development Kit）为XScale核心组件与运行控制平面的软件之间提供了接口。它所提供的API编程接口现在是符合国际网络处理器论坛（NPF）提出的标准的，各种控制平面的网络协议栈和用它可以很方便的集成进来。

3 网络处理器应用实例

利用Intel IXA可移植框架来实现Intel IXP2400的一个简单路由转发系统。数据分组在IXP2400中的流动过程如下：以太网MAC器件接收数据，放入MSD单元的接收缓存当中，向微引擎发出信号，表示数据已经收到，微引擎将接收缓存中数据传输到SDRAM，微引擎通过对MSF总线单元的访问命令将前几个字节（分组头）传送到传输寄存器中，微引擎对分组的以太网头进行修改，而将数据分组写入发送队列，然后通知MSF单元将数据分组传送给适当的MAC器件。图3所示为典型路由器应用系统中的数据流。

在图3所示的处理转发结构中，每一个模块代表一个微模块。发送和接收模块和MSF硬件紧密相关。处理器芯片的MSF总线接口单元中有一对BUFFER，即输入BUFFER和输出BUFFER，分别用作接收和发送的缓冲区。开发者通过用这些相应的硬件寄存器，硬件设备可自动进行相应的转发处理。

图3

   

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