网络处理器概述

如果你问Intel和AMD宣布的1GHz以上的PC处理器会用到哪里，那就让我告诉你最热的领域是
网络和通信。5年以来，网络的传输速度每年翻一番，再快的处理器都不愁没地方用。

由于有了光纤，传输媒介的速度已不成问题。但是，信息包(packet，在ATM中称为信元，即
cell) 通过路由器和交换机时，对包处理的最低要求是确定每一个包的下一个目的地，在庞
大的路由表中找到它的IP(Internet Protocol)地址，然后转发出去，而这一切必须在下一个
包到达之前做完。障碍就出现在这里。

为了应付日益繁忙的信息流，网络的速度在几年前是155Mb/s（SONET的OC-3标准），而现在
已经到10Gb/s(OC-192)，2～3年内又会提高到40Gb/s(OC-768)。

当速度比较慢时，通用的处理器完全赶得上数据流，因此并不需要专门的网络处理器(netwo
rk processor)。后来，通用处理器不够快了，设计者就转向ASIC(专用集成电路)。

ASIC在完成规定的处理工作方面是非常卓越的，但它有两个缺点：一是开发的周期太长，复
杂的ASIC要18个月到2年时间。路由器或交换机要增加新的功能，制造商需要等待的时间太长
；第二，ASIC不是可编程的，要修改就必须经历一个设计和制造的周期，适应不了当今越来
越短的产品开发周期。

直到1999年，还很少有人知道一种专门处理包的处理器，即网络处理器。它同通用的处理器
的不同之处在于：网络处理器是为优化包处理而设计的，它将包以其到达的速度(即线速)送
到下一个节点;而通用处理器则要处理范围很大的各种指令。另外，如果需要新的功能或新的
标准，网络处理器可通过编程来实现，以满足各种各样的网络应用。

对于网络处理器的计算能力的需求，不单取决于数据速率，还同如何处理这些数据有关。其
中最简单的工作是根据包头部的信息确定将包送到哪里，按照ISO（国际标准组织）的OSI（
互连开放系统）的７层协议模型，以上所说的地址解析和路由属于第2层到第4层。

更复杂的处理，例如按用途的计费和负荷平衡等，要求处理器分析包负荷的内容，涉及同应
用程序有关的数据管理和处理。例如，按用途的计费需要收集用户的信息，以处理帐单和对
网络进行分析，处理器的工作包括监视登录以识别用户，检出登录信息，然后匹配用户的文
件和收费政策表，并在负荷中找出关键字，这就属于OSI的第５到第７层协议了。

网络处理器还刚刚在市场上露头，只有Intel的IXP1200和MMC(www.mmcnet.com)的用于1Gb/s
以太网的nP7120建立了生产线。另有两种用于OC-48（2.5Gb/s）的网络处理器,即Vitesse(w
ww.vitesse.com)的１Gb/s以太网处理器IQ2000和IBM的PowerNP NP4GS3，以及Agere System
s(www.agere.com)的Payload Plus在2000年第四季度投产，因此去年只有少量的网络处理器
产品在市场出售。

有三家公司正在设计和开发用于10Gb/s和全部7层协议的网络处理器，即Xstream Logic(www
.xstreamlogic.com)的动态多线程(DMS)处理器核，一家以色列的公司Ezchip(www.ezchip.c
om)的NP-1，和Lexra(www.lexra.com)公司的NetVortex。

Lexra公司既不生产也不销售以NetVortex为基础的片子，而是将NetVortex的知识产权出售给
客户，让他们把NetVortex同他们自己的电路集成到更大的网络处理系统中，以适应性能和价
格的目标。

NetVortex结构的基础是Lexra公司的LX8000包处理核，这是一种32-bit的MIPS3000精减指令
处理器(RISC)。16个LX8000可以通过高速总线相连接，形成一个多处理器系统，用这样的结
构组成的原型系统可在10Gb/s速率下执行全部的７层网络协议，有的用户甚至用到OC-768(4
0Gb/s)。

在10Gb/s速率下执行７层协议的处理可不是一件轻而易举的事，在这种情况下，64Byte的包
的处理时间只有12个时钟周期，这是很紧张的。

Ezchip公司把10Gb/s网络处理器的功能划分为四，对每一种功能优化设计了一种处理器核，
组成四级流水线。 NP-1一共有64个核，每一级流水线都有一些适当的处理器核。

NP-1的数据的宽度256～512bit，而不是通用处理器用的32或64bit。

然而，在OSI的高层处理包时，涉及持续地包存取和查找表搜索，所以即使有这样高度优化的
处理器结构，存储器访问仍然是一个瓶颈。对于10Gb/s的处理器，需要500Gb/s的存储带宽和
至少128MB的容量。因此Ezchip设计了高带宽的几兆字节片内动态RAM，和大容量的片外双倍
速DRAM。Ezchip还有一种专利的高速搜索方法，使得从存储器中取出数据的时间减少约2/3。

Ezchip原定于2001年2月推出它的NP-1，现已延迟到2001年6月，大量生产则要到2002年的上
半年。2000年11月，IBM和Ezchip宣布，IBM将要用其0.18mm的ASIC技术生产NP-1样机，在批
量生产时，改用0.12mm的铜互连技术。

同Ezchip建立一种新的结构的做法不同，Xstream采用类似MIPS的结构。MIPS是在八十年代早
期由斯坦福大学开发的处理器，它的指令集已相当普遍地用于现在的路由器、交换机之中，
人们已经熟悉了MIPS指令，而且有许多开发工具可供采用，Xstream采用MIPS着眼点就在于M
IPS指令已经为通信行业的设计者所普遍地接受这一点。

但是，与通用的微处理器不同，网络处理器要求在OC-192的速率下执行复杂的OSI七层协议。
为此Xstream开发了动态多线程（Dynamic Multi Streaming，DMS) 处理核和智能包管理单元
（intelligent Packet Management Unit，PMU）。

DMS使用户可以在一个时钟周期内安排8个线程，每个线程可以有４个指令。在这32个指令中
，DMS保证在一个时钟周期内有至少６个指令同时执行，即IPC(Instruction Per Clock)>6，
而PowerPC或Pentium的IPC仅稍大于1。PMU的工作则是把包存入存储器，或由存储器取出交给
处理器，以最大限度地减轻处理器的负担。

网络处理器正在得到一些大的半导体公司的注意，它们纷纷收购有专长的小企业。Vitesse在
去年并购了Sitera(www.sitera.com)，一家开发了Prisma网络处理器的小公司。Broadcom(w
ww.broadcom. Com)在2000年12月以20亿美元的巨资购买了从事网络处理器合成的公司SiByt
e（www.sibyte.com，其网络处理器产品为Mercurian SB-1250）。Lucent Microelectronic
s 先是在去年春购入了Agere(www.agere.com)，开发其Payload Plus，继之将其微电子业务
连同Payload Plus和在一起成立一个新公司，名字仍叫Agere Systems。

Motorola把C-Port 公司(www.cportcorp.com)的C-5处理器(由公司开发)其它通信和数字处理
技术第三方的软件以及开发工具合成为网络系统的设计平台。这样，网络设备的制造公司如
Cisco、Ericsson和Nortel就可以把Motorola的处理器同第三方的软件混合使用在它们的产品
中，而不是样样都由这些公司自己设计。

有人估计，网络处理器的产值将以每年60%的速度急速增长，到2004年达到29亿美元。到那时
，网络处理器将出现在几乎每一台网络设备之中。