隨著數(shù)據(jù)流量的增加，網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)率也迅速提高?？蛻粢笠猿掷m(xù)不變的線速提供復雜的業(yè)務和傳輸流管理功能，如虛擬專用網(wǎng)（ＶＰＮ）和實時音頻及視頻流這樣的業(yè)務需要對不同的傳輸流類型進行ＱｏＳ管理，這無疑將增加網(wǎng)絡處理器的負擔，本位介紹的網(wǎng)絡協(xié)處理器及網(wǎng)絡搜索引擎技術能夠解決上述問題。

　　傳統(tǒng)的網(wǎng)絡處理器解決方案，包括交換結構均在單芯片上實現(xiàn)?，F(xiàn)在這些獨立單元已拆分為多個處理器和協(xié)處理器，而眾多的開發(fā)商則專注于為特定功能部分提供解決方案，這些解決方案綜合考慮了處理速率、成本、可配置性及產(chǎn)品上市周期等因素。

　　網(wǎng)絡處理功能可通過采用速率較高，但可置配性較差、產(chǎn)品上市周期較長的專用ＡＳＩＣ實現(xiàn)，也可采用具有較短產(chǎn)品上市周期和較高靈活度的可編程網(wǎng)絡處理單元（ＮＰＵ）實現(xiàn)。還有一些設計工程師則綜合了這兩種技術，利用ＮＰＵ處理復雜的ＱｏＳ、安全和異常任務處理，利用ＡＳＩＣ處理高速數(shù)據(jù)通道。

　　當前網(wǎng)絡處理器面臨的挑戰(zhàn)

　?。危校仗幚硭俾侍岣叩乃俣鹊陀跀?shù)據(jù)率的增長，這已成為網(wǎng)絡處理當前面臨的主要難題。互聯(lián)網(wǎng)傳輸流的平均帶寬每６至９個月就將增加一倍，而ＮＰＵ則仍然遵循摩爾定律，即處理器性能每１８個月增長一倍。

　　在大都市和中心地區(qū)，隨著數(shù)據(jù)流復雜度的增加，網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)率也迅速提高。目前客戶要求以持續(xù)不變的線速提供復雜的業(yè)務和傳輸流管理功能，如虛擬專用網(wǎng)（ＶＰＮ）和實時音頻及視頻流這樣的業(yè)務需要對不同的傳輸流類型進行ＱｏＳ管理。這無疑將增加網(wǎng)絡處理器的負擔，因為這些復雜業(yè)務需要占用大量的系統(tǒng)資源。

　　當前網(wǎng)絡面臨的另一挑戰(zhàn)是：匯集點的總帶寬通常是出口點帶寬的２至１２倍。服務提供商不可能滿足這種要求，因此這種情況要求網(wǎng)絡處理能對傳輸流設定優(yōu)先級并確保ＱｏＳ。

　　解決這些挑戰(zhàn)的傳統(tǒng)方法

　　以前，數(shù)據(jù)包處理需借助運行于通用處理器上的軟件完成。當數(shù)據(jù)率的增加使得常規(guī)處理器解決方法不能滿足數(shù)據(jù)處理要求時，專用網(wǎng)絡處理器應運而生?，F(xiàn)在，網(wǎng)絡處理解決方案綜合了完全可編程的ＮＰＵ、專用協(xié)處理器和用于高速操作的ＡＳＩＣ。

　　傳統(tǒng)上可由ＮＰＵ處理的任務包括：

　　根據(jù)優(yōu)先級對每個數(shù)據(jù)包進行分類；

　　根據(jù)分類決定丟棄或發(fā)送哪些數(shù)據(jù)包；

　　將其它協(xié)議下的數(shù)據(jù)流轉化為ＩＰ數(shù)據(jù)流；

　　采集記費數(shù)據(jù)；

　　支持安全應用，如虛擬專網(wǎng)（ＶＰＮ）；

　　業(yè)務監(jiān)管、業(yè)務提供和用戶管理，以加強業(yè)務等級協(xié)定（ＳＬＡ）。

　　為了實現(xiàn)上述功能，ＮＰＵ必須對每個以線速通過的數(shù)據(jù)包進行檢查，并設定優(yōu)先級。采用“線速處理”意味著可在輸入數(shù)據(jù)包的一位進入系統(tǒng)之前，決定為出口隊列分配某數(shù)據(jù)包或丟棄某數(shù)據(jù)包。此外，數(shù)據(jù)包還必須能以物理鏈接允許的速率發(fā)送。

　　協(xié)處理器和網(wǎng)絡搜索引擎（ＮＳＥ）　的作用

　　可編程網(wǎng)絡處理器能實現(xiàn)完全可編程的解決方案，設計工程師在開發(fā)中有較大的靈活度，還能有效地按單個標準進行編碼。然而，ＮＰＵ的處理能力畢竟有限，尤其是處理復雜業(yè)務時可能難以應對，這時協(xié)處理器能有效地解決這些問題。

　　計算量大的處理將極大地增加網(wǎng)絡處理器負擔并降低數(shù)據(jù)吞吐量，如數(shù)據(jù)包分類、ＱｏＳ和處理ＯＣ－４８這些業(yè)務，網(wǎng)絡處理器即便不處理其它業(yè)務，都難以滿足對處理速度的要求。

　　專用協(xié)處理器執(zhí)行其專項功能的速率很快，但其可配置性比網(wǎng)絡處理器差。協(xié)處理器可在特定的任務中減輕ＮＰＵ的負載，從而使ＮＰＵ滿足系統(tǒng)的速率要求。大多數(shù)用戶在設計中會采用ＮＰＵ和協(xié)處理器混合結構，以滿足性能和靈活度的要求。

　　網(wǎng)絡處理結構的特征

　　在傳統(tǒng)的集中數(shù)據(jù)包轉發(fā)結構中，大多數(shù)處理是通過ＮＰＵ、ＦＰＧＡ和ＡＳＩＣ的組合用軟件來實現(xiàn)的。系統(tǒng)中的用戶卡主要用作數(shù)據(jù)包轉發(fā)單元，而大量的處理工作則通常在交換結構中完成。由于交換結構處理能力必須與通過該結構的數(shù)據(jù)速率相適應，該解決方案無法滿足更高處理速率的要求。

　　在一些更新的結構，如分布式數(shù)據(jù)包處理中，每個用戶卡均實現(xiàn)路由器功能，而交換結構經(jīng)過優(yōu)化，有利于數(shù)據(jù)包在用戶卡中無阻塞傳輸。由于交換結構將不再成為瓶頸，這樣的結構更易于擴展。

　　隨著網(wǎng)絡底層結構復雜度和速率的增加，快速靈活的網(wǎng)絡搜索功能正成為系統(tǒng)成功設計的必要條件。新一代產(chǎn)品要求增加業(yè)務處理的“智能化”，即根據(jù)數(shù)據(jù)包的第３和第４層，或更深層提供的信息進行決策。

　　網(wǎng)絡搜索引擎

　　分類引擎需要采用ＮＳＥ或三進制內(nèi)容尋址存儲器（ＴＣＡＭ）。ＮＳＥ有助于設計工程師突破轉發(fā)查詢表信息及其它復雜分類決策的瓶頸。ＮＳＥ可存儲０、１和Ｘ三種狀態(tài)，而不像傳統(tǒng)的二進制內(nèi)容尋址存儲器?。ǎ茫粒停┲荒艽鎯Γ昂停眱煞N狀態(tài)。

　　評價ＮＳＥ性能必須考慮搜索深度、記錄數(shù)目和可用時間三個因素。搜索深度與應用和業(yè)務的數(shù)目成正比；搜索的記錄數(shù)目則隨網(wǎng)絡延伸擴展呈指數(shù)增加，隨著網(wǎng)絡速率的提高，每次搜索的時間也將相應減少。

　　分類引擎

　　根據(jù)預先規(guī)定的準則對數(shù)據(jù)包進行分類的功能對于提供復雜的增值業(yè)務，如安全、ＱｏＳ、負載均衡及傳輸流統(tǒng)計尤為重要，分類引擎可減輕ＮＰＵ分類數(shù)據(jù)包的負擔。其工作過程如下：

　?。危校諒臄?shù)據(jù)通道中獲取需要分類的數(shù)據(jù)包并將其存儲在緩沖器中；

　　分類引擎從緩沖器中獲取數(shù)據(jù)包并加以分類，然后將該數(shù)據(jù)包及相關數(shù)據(jù)返回緩沖器，并通知ＮＰＵ操作已完成；

　?。危校諒木彌_器中獲得該數(shù)據(jù)包和分類數(shù)據(jù)，并進行相應的處理。

　　安全處理器

　　很多網(wǎng)絡要求安全可靠的通信應用，如ＶＰＮ和電子商務。由于安全處理將極大地增加網(wǎng)絡處理器的負擔，因此，很多網(wǎng)絡都在網(wǎng)絡處理器附近增加安全協(xié)處理器，以減輕安全處理負擔，使網(wǎng)絡處理器能專注于實現(xiàn)ＱｏＳ和其它必需的功能。

　　在單塊插板上由多個加密處理器組成的加密組件也可用來執(zhí)行安全處理任務。該插板可與常規(guī)線路板安裝在同一機架中，并為系統(tǒng)提供安全處理功能。

　　帶有協(xié)處理器的系統(tǒng)結構

　　使用協(xié)處理器的結構（如上述結構）均可采用旁側模式（ｌｏｏｋ－ａｓｉｄｅ），即協(xié)處理器在ＮＰＵ附近，而不在數(shù)據(jù)通道中。這有利于數(shù)據(jù)包協(xié)同處理跟網(wǎng)絡處理器的操作以增加總的數(shù)據(jù)流量，而且后備模式不接收所有經(jīng)過ＮＰＵ的數(shù)據(jù)包的全部凈荷。后備模式的不足之處在于，它使設計更為復雜并增加系統(tǒng)的延時。

　　流線結構（ｓｔｅａｍｉｎｇ）中，數(shù)據(jù)通道中既包含ＮＰＵ，又包含協(xié)處理器。由于每個數(shù)據(jù)包都將通過協(xié)處理器，因此協(xié)處理器將對這些數(shù)據(jù)包進行處理并直接發(fā)送到ＮＰＵ，而不會產(chǎn)生任何延遲。流線結構要求協(xié)處理器必須以線速連續(xù)處理數(shù)據(jù)包，否則協(xié)處理器將不能完全處理這些數(shù)據(jù)而導致包丟失。

　　采用網(wǎng)絡處理器和協(xié)處理器的ＭＰＬＳ應用示例

　　多協(xié)議標簽交換（ＭＰＬＳ）是ＩＰ網(wǎng)絡的一種優(yōu)化的交換技術，可與ＡＴＭ、幀中繼等協(xié)同使用。在ＭＰＬＳ中，ＩＰ數(shù)據(jù)包一旦進入ＭＰＬＳ部分，將加入Ｌａｙｅｒ?。猜酚蓸撕?，然后根據(jù)標簽進行轉發(fā)。ＭＰＬＳ的目的是要互聯(lián)網(wǎng)提供較小的等待時間和較高的帶寬，并對通信流量進行有效的控制，并使骨干網(wǎng)可擴展。

　　為了能在路由器內(nèi)完全實現(xiàn)ＭＰＬＳ功能，需要三個不同的查詢表來滿足三種可能的處理。由于每個記錄都有自己用來路由匯集的掩碼，標簽交換路由器（ＬＳＲ）決策表可能很大而且搜索算法復雜。由于在每個點到點之間會定義ＬＳＲ來實現(xiàn)ＭＰＬＳ部分的ＱｏＳ和服務等級（ＣｏＳ），ＭＰＬＳ路由表也會有很大數(shù)量的記錄。

　　查詢表要求ＭＰＬＳ路由可采用網(wǎng)絡處理器單獨實現(xiàn)，如圖１所示；也可采用網(wǎng)絡協(xié)處理器實現(xiàn)，如圖２所示。

　　圖２給出了一個通過網(wǎng)絡搜索引擎與網(wǎng)絡處理器結合或與標準ＲＩＳＣ微控制器結合實現(xiàn)的高性價比解決方案，網(wǎng)絡搜索引擎控制器可以是定制的ＡＳＩＣ或Ｃｙｐｒｅｓｓ專用搜索引擎控制器。

　　網(wǎng)絡搜索引擎可通過適當配置，保證設計所需的多個路由表。由于可以動態(tài)修改配置，因此相同的設計既適用于ＭＰＬＳ邊緣路由器，又適用于ＭＰＬＳ網(wǎng)絡中的路由器。

　　采用網(wǎng)絡協(xié)處理器實現(xiàn)搜索引擎的好處在于協(xié)處理器具有較低的時鐘速率、較低的ＲＡＭ需求以及較短的產(chǎn)品上市周期。網(wǎng)絡搜索引擎完成路由表查詢，因此可以使用較低的時鐘速率。路由表存儲在網(wǎng)絡搜索引擎中，其效率明顯優(yōu)于相關的ＳＳＲＡＭ技術，因而可以采用較小的ＳＳＲＡＭ模塊。網(wǎng)絡搜索引擎不需要開發(fā)復雜的軟件算法，從而縮短了產(chǎn)品上市周期。

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