网络处理器芯片的国产化之路.docx
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网络处理器芯片的国产化之路
网络处理器芯片的国产化之路
网络处理器芯片的国产化之路
2015/1/209:
25:
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关键词：
处理器芯片处理能力商用网络
网络处理器芯片主要用于构建网络通信基础设施平台，对于位于网络通信终端节点的用户来说，通常是透明而不可见的。
因此，与通用CPU以及嵌入式CPU等大众电子消费密切相关的通用处理器芯片相比，网络处理器（NetworkProcessor）芯片一直以来很少能够获得广泛的关注。
实际上，网络处理器广泛应用于包括路由器、交换机等各类网络核心设备中，它特定应用于网络通信领域的各种任务，例如报文处理、协议分析、路由查找、防火墙以及QoS等。
网络处理器芯片对于网络通信基础设施的重要性，阿尔卡特朗讯公司的BasilAlwan有一句话形容得很贴切，“网络处理器是网络设备最根本的基因，它定义了路由器平台的能力、可扩展性以及面向未来演化的可能性[1]”。
国内外研制情况
经过多年的发展，网络处理器正逐渐替代网络通信设备中固定功能的ASIC芯片，已成为构建网络通信系统的战略性核心器件。
商用网络处理器市场在不断增长，而市场上网络处理器芯片产品则基本上来自国外厂商。
传统网络处理器按核心处理单元的不同可以分为两类，即基于微核的网络处理器（NPU）以及基于通用CPU核的网络处理器（GNP），主要区别如表1所示。
国产化技术途径
在把握了网络处理器芯片研制挑战以及发展趋势的基础上，我们认为基于国产通用多核CPU+可编程网络处理引擎（NPE）的架构是网络处理器芯片国产化一条现实可行的技术途径。
实际上，网络处理器研制与高性能CPU及通用操作系统研制有很多共性技术，例如高性能RISC核设计、片上网络、低延时高带宽的存储器接口、操作系统和编译系统等。
以飞腾、龙芯为代表的国产通用多核CPU以及以麒麟为代表的国产操作系统在国家核高基等项目支持下已取得巨大突破，其相关成果已经在国家信息系统建设中发挥重要作用。
因此，有效利用国产高性能CPU和操作系统的研究成果，并对其网络处理能力进行充分挖潜，是缩短国产网络处理器芯片研制周期，降低研制成本和风险的有效途径。
然而，通用多核CPU主要面向通用计算领域设计，适用于计算密集型的应用。
而网络处理器则主要面向网络处理领域设计，适用于访存密集型应用。
如何提高通用CPU的访存计算比（MCR）是决定能否利用通用CPU进行网络处理的关键。
针对这一问题，国防科技大学课题组对网络处理器实现模型和途径进行了深入研究和探索，提出应摆脱传统以多核软件为核心的实现模型，由可编程硬件（即NPE）定义网络报文的处理路径，并对性能敏感的功能进行硬化卸载，从而有效降低通用多核CPU软件的处理压力，实现系统性能提升。
这种“硬件定义”的处理模型允许在不改变现有通用多核CPU内部架构、不对其内部实现进行特定优化的前提下，缩短网络处理器研制周期，降低研制成本，从而有效加速网络处理器芯片的国产化进程。
总结
网络处理器芯片作为构建网络通信基础设施的核心器件，其国产化必须综合考虑芯片的设计复杂度和研制难度，准确把握技术发展趋势。
我们认为，国产通用多核CPU与可编程网络处理引擎（NPE）相结合的体系结构是解决网络处理器“中国芯”的问题的一条希望之路。
参考文献：
[1]阿尔卡特朗讯FP3网络处理器[R/OL]，http:
//www.alcatel-
[2]MarvellXelerated网络处理器[R/OL]，
[3]EZchipNP-5网络处理器[R/OL]，
[4]BroadcomXLP900网络处理器[R/OL]，
[5]CaviumOcteonIII网络处理器[R/OL]，
[6]TianTian,AlexanderBelousov.Intel下一代通信平台数据平面解决方案，2012.12.
OFweek电子工程网讯谁是新一代网络的“网红”？
答案无疑是5G。
在不久前结束的2016MWC上海，5G成为其中最耀眼的标签，无论是国际大T，还是电信设备提供商，抑或是芯片或测试厂商，都祭出了最新的5G大招。
随着“互联网+”和“宽带中国”等国家战略的推进，传统互联网到移动互联网再到“万物互联”的演进，11acwave1&2WLAN的部署以及5G的呼之欲出，新一代网络不断走向汇聚融合，带来的是不仅是对速率、成本及效率的提升，还将触发对网络架构的重构，置身其中的网络处理器和交换器芯片能否担此重任？
新一代网络期待原力觉醒
5G的“美好”可用1000x的容量提升、1000亿+的连接支持、10GB/s的最高速度、1ms以下延迟等关键数值来体现。
在2016MWC上海众多厂商纷纷展示5G相关业务，如无人驾驶汽车、虚拟现实场景等，均验证了5G在低时延、超高密度、超大容量等方面的优异性能。
在各方积极备战的助力下，5G已然渐行渐近。
为了满足5G网络能够随时随地接入网络的要求，对于5G网络构建的重要指标是具有更好的灵活性以及拓展性，因而SDN（软件定义网络）和NFV（网络功能虚拟化）将在5G核心网中大行其道，核心网与接入网融合、网络功能重组等也将深入应用。
而这只是驱动网络模型和技术“升华”的一个新引擎，在数据中心、企业网、园区网、中小企业网等层面，随着业务和需求的变化，网络的改良升级亦是大势所趋。
如数据中心作为面向应用的综合业务平台和未来云计算的核心基础架构，需求日益攀升，其网络设备以每年40%以上的速度增长，新一代数据中心对网络设备的交换架构提出了更全面、更苛刻的要求，包括支持统一交换架构、大容量及可扩展性、转发性能、精细化服务质量控制（QoS）等。
园区网亦是变化不断。
随着业务的不断丰富，云计算的快速发展，用户移动化的场景也越来越多，BYOD逐渐成为潮流，对园区网提出了诸多新需求，如要求园区网能够具备端到端的网络质量保障能力，具备实时、灵活地区分和保障特定业务的能力，能够灵活地适配业务需求等。
在企业网层面，伴随着的是大量企业关键业务IT化，企业客户对IT的投资更加活跃，大规模服务器集群、虚拟化、大数据等技术的成熟等，均对企业网提出了更高的业务要求。
可以说，融合汇聚的新一代网络已然呼之欲出，各种通信和网络业务将被高度融合，多种业务强调开放的API接口以及灵活的配置和客户化能力，传统的网络架构已然“难合时宜”。
业界不约而同地引入SDN、NFV、云等新技术，打造简洁、集约、敏捷、开放的新型网络，实现多种网络实施和业务的虚拟化，也将再次释放网络的“原力”。
在网络重构指引下的新一代网络已“在路上”。
无线和有线的融合进程加快
融合汇聚的网络引发多重新挑战
新一代网络融合的发展，提升了对于部署横跨整个网络的可延展与灵活运算解决方案的网络基础建设需求。
“寻根溯源”，一窥新一代网络走向融合和汇聚的新命题，才能有的放矢地应对传统的网络架构以及服务转型的挑战。
首当其冲的是无线和有线的融合进程加快。
Marvell产品行销负责人RazaEltejaein介绍说，有线网络与无线网络融合加快，有线带宽从1GbE到2.5GbE一直到10bE，无线方面从802.11N一直到11AC，之后是11AX，这一趋势需要性能更高的网络处理器来应对。
此外，2.5GbE已受到广泛应用，如何让企业依然使用1GbE的基础架构，在无须架构升级的情况下享有更大的2.5GbE或以上带宽成为新挑战。
随着物联网应用不断深入，家庭和工业应用中联网设备数量海量增加，网络所承载的业务也已从单纯的数据通信，向语音、图像、视频等多媒体扩展，对带宽的要求大幅提升，对服务器及路由器的要求亦因此提高。
”RazaEltejaein进一步指出，“在这一过程中，运营商及服务供应商亦希望提供差异化和高附加值的服务，这对网络运行可靠性提出了越来越高的要求。
”
可感知、可重构、可演进已是新一代网络的演进方向。
“因而越来越多的软件技术成为必然，用基于SDN/NFV技术的虚拟化网络设备取代传统的专用网络设备，可提供更加灵活高效的网络设备，为网络变革提供了‘引擎’。
”RazaEltejaein分析说。
随着物联网的垂直应用越来越广泛，安全问题也日益严重，面临着网络环境的不确定性、感知层面临的主要威胁、传输层和应用层的安全隐患等，提供一套强大的安全体系成为业界关注焦点。
而所有已部署和新部署的基础设施平台，无论是在现场或云端，其安全问题都应该从系统的角度全面解决。
高扩展性、网络设备的自身虚拟化能力、多业务支持和网络融合等，所有这些问题均需要各个击破。
而为了达到这一高企的目标，显然需要从“基础”——网络处理器和交换机芯片突破，实现性能更高、带宽更大而且扩充性更强的芯片，并具备加速功能、安全引擎和线载引擎才能一一化解
网络处理器和交换器芯片全面升级应对
“网络设备的可扩展性、虚拟化能力、多业务支持和网络融合等需求，使得网络处理器在集成度、扩展性与支持SDN等方面，均需全面升级。
“Marvell公司副总裁，连接、存储和基础网络（CSI）事业部总经理MichaelZimmerman表示。
在网络生态系统长期的设计创新经验的Marvell对此专门推出了ARMADA7000以及8000，应对市场挑战。
ARMADA采用Marvell开创性的MoChi架构、并以业界首款ARMCortex-A72为基础的片上系统（SoC）系列，具有灵活的扩展性。
Marvell在Computex2016上展示的ARMADA7000/8000SoC
“从带宽来看，不仅可运行11AC，未来它甚至可运行11AX。
还支持1GbE、2.5GbE还有10GbE，以及SATA3和USB3.0。
它还集成多重10GE端口与包处理器，可为安全性及存储设备提供硬件加速引擎，并可灵活配置，支持CPU以及I/O全面虚拟化，全面支持软件定义网络SDN的需求。
此外，兼具整合功能，以及高度拓展性和软件兼容性，可将弹性功能以最优化的方式开发，可匹配各种IP网络、数据中心、企业、中小型企业等应用。
”RazaEltejaein总结表示。
在新一代网络所需的交换器层面，MichaelZimmerman认为，一方面带宽的要求更高，需要达到2.5GbE以上的连接能力，且无需架构升级；另一方面网管人员希望将整体网络连接当成为单一实体，支持物理层装置（PHYs）等技术，实现交换器跟实体侧联合的解决方案。
瞄准这一需求，Marvell的交换器芯片PresteraAldrin和Alleycat有备而来，提供交换器跟实体侧联合的解决方案。
据介绍，Aldrin支持高达10GbE的高带宽，可支持更宽、更大的背板连接。
Aldrin是业界首个可支持16甚至到24甚至32个以上10GbE接口。
而Alleycat是业界性能最高、密度最高、GbE能力最强的一个产品系列，使用NBASE-T交换器技术。
它有专门的40GbE堆叠，是业界首个支持40GbE堆叠的产品。
其中Alleycat3X是业界首个支持24个接口的2.5GbE交换器。
Marvell在Computex2016上展示的Aldrin24通道10GE多Gig园区网接入/汇聚交换器
尤其值得一是的是新款芯片Prestera98DX325x，搭配Marvell的88E2040quadNBASE-TPHYs，可高效支持有线和无线网络的融合，同时将1GbE提升至2.5GbE带宽。
此外，Marvell可通过98DX325x将SDN与交换器抽象层接口引进2.5GbE园区环境，提供完整软件协议栈Turnkey解决方案达成私有云部署。
新一代网络已然在路上，准备好换上新“颜值”的芯片了吗？
链接 高端路由器四种体系架构
一、通用CPU
优点：
功能易扩展，理论上可以实现任何网络功能。
缺点：
性能低
用途：
通用CPU一般仅用于网络设备的控制和管理。
二、ASIC芯片
优点：
可使用硬件方式实现性能极高的多种常用网络功能，单颗芯片就可以实现几百Mpps以上的处理能力。
缺点：
ASIC芯片一旦开发完毕就很难继续扩展其他应用，新功能的添加需要芯片研发公司花费较长开发周期。
用途：
ASIC芯片最合适应用于处理网络中的各种成熟传统功能。
三、FPGA芯片
优点：
这是可以反复编程、擦除、使用以及在外围电路不动的情况下用不同软件就可实现不同功能的一种门阵列芯片，可以在一定程度上灵活地扩展业务处理类型。
缺点：
FPGA无法很好地同时处理多种协议，不能胜任复杂业务扩展。
用途：
一般仅应用于少量简单协议的扩展。
四、NP网处理器
优点：
NP保留了ASIC高性能处理数据的特性，同时，NP通过众多并行运转的微码处理器，能够通过微码编程进行复杂的多业务扩展。
缺点：
NP的性能和ASIC相比依然还存在一些差距。
用途：
NP网络处理器被应用于高端网络产品复杂的多业务扩展，但并不适用于网络传统功能的实现。
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