网络处理器平台之设计与应用

网络处理器平台之设计与应用　　
　　
　　摘要
　　
　　因特网、企业网络等网络应用的带宽需求急剧上升，传输、检查、拆分、组合、搜寻、内容比对、转递等IP封包运算处理动作，以往可以靠软件程序在一般X86微处理器上完成，搭配以网卡做封包出入口。但是近年来这些封包的运算处理越来越复杂，将数据输入处理单元，完成后再将结果送往输出单元，慢速处理造成的时间延迟会严重影响到数据吞吐量，无法满足Line Rate Operation的需求。Intel 公司提供的网络处理器系列产品专门用来解决这样的问题，IXP-4XX属于较低端的系列，本文则集中探讨IXP-2XXX系列高端网络处理器，文中将以IXP-2400处理器在凌华科技cPCI-6240系列产品的设计为例做出说明。
　　
　　以下将先介绍IXP-2XXX处理器的功能特性，再探讨处理器的平台设计、应用开发，最后探讨它在网络安全领域的应用，以入侵检测系统为实例做出说明。
　　
　　Intel IXP-2XXX 网络处理器
　　
　　Intel XP-2XXX系列网络处理器大致包含：IXP-2400、IXP-2800及IXP-2850，请参考表一的性能差异。除此之外，Intel还考虑比照了IXP-42X系列的做法，高度整合MACs等功能模块，建造优异的性价比产品，使这一系列处理器的应用更普及化。

　　全系列IXP-2XXX网络处理器都可拆分为『控制管道』(Control Plane)及『数据管道』(Data Plane)两大部分。参考图一 IXP-2400网络处理器，它内建一颗600MHz 32-bit XScale来负责Control Plane的处理工作，XScale执行相当底层的控制工作，包括信息传送，还有跟系统内其它处理器的沟通。Data Plane则由内建的八颗微处理引擎(Micro-Engine Version 2, MEv2)来做平行处理，MEv2是XScale精简下来的 (Reduced) 可程序处理器，使用者可用Micro-Code汇编语言或是高端Micro-C语言撰写应用程序，透过指令告诉这八颗MEv2怎样处理封包运算，以达到应用目的。

　　

　　图一是IXP-2400示意图外观，它有两个信道的QDR SRAM接口，存放重要的数据结构，比如：Route Tables， Free Buffer Pools，Flow State Tables，Queue Descriptors等等重要的信息，其中一个信道还可以接一颗协处理器，做TCP/IP封包比对时的内存搜寻引擎，加速决定封包的协议属性跟流向(Flow)。DDR DRAM则用来储存封包以及大量的State tables，另外C-bus接口可以连接第二颗处理器，这是采用一进一出架构的双处理器设计时用的。
　　
　　另两个重要接口，一个是64-bit/66MHz PCI 2.2接口，作为Control Plane连通的Bus，可以透过此接口外挂控制处理器，像是PrPMC控制卡；另一个是Flash界面，是存取RedBoot的通道，Redboot相当于X86系统的BIOS；媒体及切换接口(Media and Switch Fabric Interface, MSF)是网络封包进出处理器的主要途径，视应用可以规划为SPI-3、CSIX或是UTOPIA Level2接口。
　　
　　图二是IXP-2400内部示意图，内部的SHaC 是一个多功能控制单元，内含Hash单元，可以建立48-bit,64-bit或是128-bit宽的 Hash indices，XScale与MEv2可存取Hash来帮助Table的搜寻，特别是要搜寻的Keys很大时；第二个单元是16KB的Scratch Pad memory，这是处理器内第三个内存资源，XScale与MEv2可共同存取，三种内存资源可以让海量存储器存取同时间平行发生；第三个单元是Control and Status Register (CSR)，起到9颗处理器（1 * XScale 8* MEv2）之间沟通的作用。
　　
　　除此之外，还有 XScale 外围，包含中断控制器、Timers, UART、GPIO等单元。在处理器内部，XScale、MEv2、DRAM Controller、SRAM Controller、T/R-Buffer之间透过 Chassis Bus，将 Data Plane 的路径在处理器内部连通起来，这些控制单元可以共享 SRAM、DRAM 等内存资源做数据交换。

　　网络处理器的『平台设计』、『应用开发』
　　
　　(一) 平台规划、开发
　　
　　平台规划 设计IXP-2XXX平台首先要先为产品做准确的定位，定义平台最终应用、带宽需求、封包处理效能等级。若是想一半接到ATM网络，则MSF接口有一半要规划成Utopia Level 2接口，连接的ASIC像是Intel IXF-6012/6048 Cell/Packet Framer；若是要直接连IP网络，则MSF接口规划成SPI-3或是CSIX，连接像Intel IXF-1104 (Quad Giga-E MACs的ASIC)；或是接FIC(Fabric Interface Controller) 的ASIC。另外规划时要全面考虑：Control Plane的处理效能、是否外挂辅助处理器、开机影像文件下载速度；Data Plane则须考虑SRAM大小、DRAM资源使用、是否须加密功能 (IXP-2850有)、是否外挂网络搜寻加速器、是否外挂内容检查加速器等、要多少个网络接口。这些硬件规格要根据功能应用，做整体效能评估才行，在开案初期要审慎评估。
　　
　　平台开发 包括硬件、Redboot、系统支持套件(Board Supporting Package, BSP)，BSP内含组件驱动程序。其中硬件设计跟一般X86运算平台没什么两样，记得要预留软件除错端口，就像X86-CPU的 ITP Port一样；Redboot则相当于X86 BIOS，系统初始化、自我测试、Boot Loader都包在Redboot内；Redboot及BSP可以藉由Intel IXA SDK得到帮忙，建立以XScale为处理核心的操作系统平台，最后这三大要素即可建立一个完整的网络处理器平台。
　　
　　(二) 应用程序开发
　　
　　Intel 建立了IXA 软件可携式架构，让今天花力气辛辛苦苦在IXP-2400建立起来的软件，明天在下一代IXP-2XXX仍然适用，而这个软件架构可以简单用图三表示。
　　
　　应用程序的开发也可以藉由Intel IXA SDK得到帮忙，考虑到投资杠杆效应，Intel IXA软件程序架构采用模块化，SDK提供一些基本的microblocks，开发者再开发自有的microblocks，将这些microblocks视为基础组件(Building Blocks)，去组合实现实际的功能应用，让开发者的工作简单化，也缩短TTM时间。

　　
　　网络安全的需求
　　
　　据统计，2000年企业及政府部门遭受黑客(Hacker)攻击的比率高达85%，而网络安全的漏洞不是防止黑客入侵就解决了，其它像是遭窥探者窃取机密性数据，或是心怀不满的员工蓄意破坏系统内重要档案，警觉性不足的员工外泄重要密码、不小心由Email引入计算机病毒等，都是威胁网络安全的几个危险因素。

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