（計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)論文）基于ixa架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)程序并行優(yōu)化研究.pdf

摘要 隨著因特網(wǎng)的飛速發(fā)展，對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的靈活性和性能的要求與日俱增。網(wǎng)絡(luò) 處理器作為一種新的應(yīng)用專用處理器涌現(xiàn)出來。網(wǎng)絡(luò)處理器一般采用特定的指令 集，多處理核，多線程來優(yōu)化對(duì)報(bào)文的處理。然而，也正是由于這種體系結(jié)構(gòu)的 復(fù)雜性，給網(wǎng)絡(luò)處理器編程帶來了很大的挑戰(zhàn)。 本文將通過介紹i n t e l 開發(fā)的一款基于i x a 的并行編譯器的設(shè)計(jì)以及性能分析 與改進(jìn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序并行優(yōu)化挖掘進(jìn)行研究。 學(xué)術(shù)界和工業(yè)界致力于對(duì)網(wǎng)絡(luò)處理器架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序二者各自的特性進(jìn) 行研究和分析，用以說明網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序本身的邏輯特性和網(wǎng)絡(luò)處理器的并行架構(gòu) 相得益彰。通過研究可以看出，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序本身的多個(gè)特性使其具有天然的可 并行邏輯，這為充分挖掘其并行性和開發(fā)基于網(wǎng)絡(luò)處理器的高質(zhì)量高性能的應(yīng)用 程序奠定了基礎(chǔ)。再者，網(wǎng)絡(luò)處理器專有的硬件架構(gòu)為應(yīng)用程序的并行執(zhí)行提供 了硬件基礎(chǔ)。 i x pc 編譯器是一款并行編譯器，基于充分挖掘串行邏輯的應(yīng)用程序的并行性 作為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。它將串行語義的程序并行化，并適當(dāng)?shù)挠成涞骄W(wǎng)絡(luò)處理器 的硬件架構(gòu)上。這一特性為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的開發(fā)者屏蔽了網(wǎng)絡(luò)處理器的硬件細(xì)節(jié)， 使其僅關(guān)注于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序本身的邏輯。這便利了網(wǎng)絡(luò)處理器之上的高質(zhì)量高性 能的網(wǎng)絡(luò)處理程序的開發(fā)，并使其具有良好的可移植性與可擴(kuò)充性。i x pc 編譯器 提供三種主要的映射方式，分別是多處理器多線程模式( m t p ：m u l t i p r o c e s s i n g m u l t i t h r e a d i n g ) ，流水線模式( c o n t e x tp i p e l i n i n g ) 和粘貼模式( p a s t i n g ) 。 其中最具有并行性挖掘研究代表性的是c t x 的任務(wù)劃分算法。本文在對(duì)該算法進(jìn)行 深入分析之后將選取適當(dāng)?shù)臏y(cè)試用例對(duì)m t p 與c t x 兩種映射方式進(jìn)行性能分析與比 較，以及對(duì)流水線任務(wù)劃分算法進(jìn)行性能分析。 通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，觀察至 i x pc 編譯器的流水線任務(wù)劃分算法存在著一 定的性能缺陷。這主要體現(xiàn)在該算法在i x p c 編譯器的實(shí)現(xiàn)中，權(quán)值的設(shè)置主要考 慮的是計(jì)算周期數(shù)和最小的活動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸集合。但是應(yīng)該注意到，在實(shí)際的應(yīng)用 程序中，要達(dá)到高性能的要求，1 0 延遲的隱藏是非常重要的，這也往往是系統(tǒng)瓶 頸的所在。而在i x pc 編譯器的實(shí)現(xiàn)中，i o 平衡的問題并沒有作為任務(wù)劃分算法中 權(quán)值設(shè)置的要素之一。為此本文提出了一個(gè)解決方案，即通過打破i o 操作之間的 依賴性將其分配到流水線的不同級(jí)上。這對(duì)i o 操作延遲的隱藏，臨界區(qū)域大小的 控制具有有效的性能提高，并最終基本保證了流水線的平衡性，提高了整個(gè)系統(tǒng) 的性能。 關(guān)鍵詞：i x a ，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，并行優(yōu)化，流水線任務(wù)劃分算法，i o 操作依賴性 i i a b s t r a c t a b s 仃a c t w i t ht h eb o o m i n ge x p a n d i n go ft h ei n t e m e t ，r e q u e s t sa r ei n c r e a s i n gr a p i d l yf o r h i g hr e l i a b i l i t ya n dg o o da d a p t a t i o no fn e t w o r ke q u i p m e n t s a san e w l y e m e r g e d s p e c i a lp r o c e s s o r ，n e t w o r kp r o c e s s o rc o m e si nb e i n gi nt i m e ，w h i c hg e n e r a l l yu t i l i z e s s p e c i a l i z e di n s t m c t i o ns e t ，m u l t i c o r ea n dm u l t i t h r e a d i n gt og e to p t i m i z e dp r o c e s s i n g p e r f o r m a n c eo f p a c k e t ，t h o u g hi nt h es a m et i m et h ec o m p l e x i t yo f i t sa r c h i t e c t u r eb r i n g s b i gc h a l l e n g e sf o rp r o g r a m m i n g ak i n do f p a r a l l e l i z i n gc o m p i l e rd e v e l o p e db yi n t e lb a s e do ni x ai si n t r o d u c e di n d e t a i lf o ri t sd e s i g na n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i st om a k er e s e a r c h i n gs t e po nt h e p e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o nf o rp a r a l l e l i z i n ge x e c u t i o n o f n e t w o r ka p p l i c a t i o n s i n v e s t i g a t i o na n da n a l y z i n gh a sb e e nm a d eb yt h es c i e n c ea n dt h ei n d u s t r yf o r a r c h i t e c t u r eo ft h en e t w o r kp r o c e s s o ra n dn e t w o r ka p p l i c a t i o n st ot e s t i f yt h eh i g h b e n e f i t st h a tc o u l db eb r o u g h tb yg o o dc o m b i n a t i o no ft h el o g i co fn e t w o r ka p p l i c a t i o n a n dt h ep a r a l l e li n f r a s t r u c t u r eo ft h en e t w o r kp r o c e s s o r ，w h i c hc o n f i r m st h a tt h el o g i c a l p a r a l l e l i z a t i o ni nn e t w o r ka p p l i c a t i o n sa n dt h ep a r a l l e l e dh a r d w a r es t r u c t u r eo fn e t w o r k p r o c e s s o ra r et h ep r o m i s i n gb a s i c sf o rp o t e n t i a le x c a v a t i n go fn e t w o r kh a r d w a r ea n d d e v e l o p i n go f h i 曲q u a l i t yn e t w o r ka p p l i c a t i o n s i x pc ，a sap a m l l e l i z i n gc o m p i l e r , i sd e s i g n e da i m i n ga tp a r a l l e lm a x i m i z a t i o ni n t h es e q u e n t i a l l ys e m a n t i ca p p l i c a t i o n sb yp a r a l l e l i z i n gt h e ma n dm a p p i n gt h e mt ot h e h a r d w a r eu n i t so ft h en e t w o r kp r o c e s s o r ，w h i c ha b s t r a c ta w a ym o s to ft h eh a r d w a r e d e t a i l sf o rp r o g r a m m e r st ol e tt h e mf o c u s i n g0 1 3 1 0 9 i c so ft h ep r o g r a m s ，f a c i l i t a t e st h e d e v e l o p m e n t o fh i g hp e r f o r m a n c en e t w o r k a p p l i c a t i o n se x e c u t i n g o nn e t w o r k p r o c e s s o r s ，a n dt h u sb r i n g sg o o dp o r t a b i l i t ya n de x p a n d a b i l i t yf o rt h ep r o g r a m s m u l t i p r o c e s s i n g m u l t i t h r e a d i n g ( m t p ) ，c o n t e x tp i p e l i n i n g ( c t x ) a n dp a s t i n ga r e t h r e eo ft h em a i nm a p p i n gf o r m so fi x pcc o m p l i e r a m o n gt h e s e ，t h ec o n t e x t p i p e l i n i n ga l g o r i t h mi nc t xi st h em o s ti m p o r t a n tt e c h n i q u ef o rm a x i m i z i n gt h e p a r a l l e l i z a t i o n ，w h i c hw i l lb ee x p l i c a t e dd e e p l yf o ri t sp r i n c i p l ea n dp e r f o r m a n c ea n d a l s ot h ep e r f o r m a n c ec o m p a r i s o n so fm t pa n dc t xa r ea n a l y z e d s o m es h o r t c o m i n g sa r eo b s e r v e di nt h ec o n t e x tp i p e l i n i n ga l g o r i t h mo fi x pc i i i a b s t r a c t c o m p i l e ra c c o r d i n gt o t h ea n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n td a t a c u r r e n t l y ，t h ep p si sc u t a c c o r d i n g t ot h eb a l a n c eo fc o m p u t e c y c l e sa n dt h em i n i m i z a t i o n o fl i v es e t t r a n s m i s s i o n h o w e v e r , t h ei ob a l a n c ei sn o tc o n s i d e r e d ，t h a ti s ，t h ec o n t e x tp i p e l i n i n g a l g o r i t h mi sn o ti n t e n t i o n a l l ya s s i g nt h ei oi n s t r u c t i o n si nab a l a n c e dw a yi n t ot h e u p s t r e a ms t a g ea n dt h ed o w n s t r e a ms t a g e t h i sl i m i t st h el a t e n c yh i d i n g ，i n c r e a s e st h e c r i t i c a ls e c t i o n ，a n df i n a l l yd e c r e a s e st h ep e r f o r m a n c e a ni m p r o v e m e n ts o l u t i o no nt h e a l g o r i t h mi sd e s i g n e dt ob r e a kt h ed e p e n d e n c eb e t w e e n1 0i n s t r u c t i o n so nc r i t i c a lp a t h ， t oc u tt h e mi n t od i f f e r e n ts t a g e sa n da l s ot r yt ob a l a n c et h ei oi n s t r u c t i o n s ，w h i l e k e e p i n gt h eb a l a n c eo ft h ec o m p u t ec y c l e s a n dt h em i n i m i z a t i o no fl i v es e t t r a n s m i s s i o n k e y w o r d s ：i x a ，n e t w o r ka p p l i c a t i o n ，p a r a l l e lo p t i m i z a t i o n ，c o n t e x tp i p e l i n i n g a l g o r i t h m ，1 0i n s t r u c t i o nd e p e n d e n c e i v 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工 作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地 方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含 為獲得電子科技大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。 與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明 確的說明并表示謝意。 簽名： 苧日期：加，占年月日 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本學(xué)位論文作者完全了解電子科技大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文 的規(guī)定，有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁 盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)電子科技大學(xué)可以將學(xué)位論文 的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或 掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 簽名：二【紅導(dǎo)師簽名： 日期：沙， 第1 章緒論 第1 章緒論 i n t e r n e t 是人類歷史發(fā)展中的一個(gè)偉大的里程碑，它是未來信息高速公路的 雛形，人類正由此進(jìn)入一個(gè)前所未有的信息化社會(huì)。人們用各種名稱來稱呼 n t e r n e t ，如國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、因特網(wǎng)、交互網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)際網(wǎng)等等，它正在向全世界 各大洲延伸和擴(kuò)散，不斷增添吸收新的網(wǎng)絡(luò)成員，已經(jīng)成為世界上覆蓋面最廣、 規(guī)模最大、信息資源最豐富的計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)。組成i n t e r n e t 的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)包括 小規(guī)模的局域網(wǎng)( l a n ) 。城市規(guī)模的區(qū)域網(wǎng)( m a n ) ，以及大規(guī)模的廣域網(wǎng)( w a n ) 。 這些網(wǎng)絡(luò)通過普通電話線，高速率專用線路，衛(wèi)星，微波和光纜把不同國(guó)家的大 學(xué)、公司、科研部門以及軍事和政府組織連接起來。i n t e r n e t 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)采用得協(xié) 議是t c p i p 。 隨著當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和性能迅速增長(zhǎng)，i n t e r n e t 主干網(wǎng)絡(luò)流量的指數(shù)性增長(zhǎng)及 新業(yè)務(wù)接連的出現(xiàn)，這就要求網(wǎng)絡(luò)設(shè)備具有線速和智能的處理能力。網(wǎng)絡(luò)處理器 n p ( n e t w o r kp r o c e s s o r ) 便是一種新興、有效的統(tǒng)一解決方案。它適用于各層網(wǎng) 絡(luò)處理，具有a s i c 高速處理性能和可編程特性，既能保證系統(tǒng)靈活性，又能完成 線速處理數(shù)據(jù)包所要求的高性能硬件功能。目前，網(wǎng)絡(luò)處理器已經(jīng)涌現(xiàn)出了一些 成功的應(yīng)用范例。這些應(yīng)用主要包括：基于網(wǎng)絡(luò)處理器的路由交換設(shè)備、智能安 全設(shè)備和入侵檢測(cè)設(shè)備等。與此同時(shí)，圍繞著網(wǎng)絡(luò)處理器應(yīng)用展開的相關(guān)研究也 得到了飛速發(fā)展，一些企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)也給予了足夠重視。 由于網(wǎng)絡(luò)處理器特殊的體系結(jié)構(gòu)，它的軟件編程模型與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用嵌入式 應(yīng)用開發(fā)有較大不同，更為復(fù)雜。本文將從網(wǎng)絡(luò)處理器的體系架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程 序的邏輯特性兩個(gè)方藹的研究入手，并介紹一款基于i n t e li x a 架構(gòu)的并行編譯器。 在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)介紹其任務(wù)劃分算法，性能分析以及相關(guān)的改進(jìn)工作。 1 1網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的發(fā)展 本節(jié)首先介紹了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中報(bào)文處理的發(fā)展，闡明了i n t e r n e t 的發(fā)展趨勢(shì)是 提供更高的帶寬、更廣泛的服務(wù)。隨之而來的是對(duì)報(bào)文處理的要求也從支持低速 率、低復(fù)雜度變?yōu)樾枰С指咚俾?、高?fù)雜度的處理。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)i n t e r n e t 中的網(wǎng) 絡(luò)節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)報(bào)文處理。它為了適應(yīng)這個(gè)變化，其體系結(jié)構(gòu)也經(jīng)過了三代的發(fā)展， 并最終出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)處理器。 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 2 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)與報(bào)文處理的發(fā)展 網(wǎng)絡(luò)為主機(jī)和用戶提供服務(wù)，服務(wù)決定了用戶如何使用網(wǎng)絡(luò)資源。隨著越來 越多用戶使用i n t e r n e t ，他們希望能有更多的使用網(wǎng)絡(luò)的方式。為了更好的支持 這些新的使用方式，要求i n t e r n e t 提供更多的與之相適應(yīng)的服務(wù)。 當(dāng)i n t e r n e t 還處于比較小和原始的階段時(shí)，主要使用者是研究人員。當(dāng)時(shí)網(wǎng) 絡(luò)提供的主要“服務(wù)”是在兩個(gè)特定的主機(jī)間點(diǎn)到點(diǎn)連接。通過這個(gè)連接，用戶 可以傳輸文件或者交互式的控制遠(yuǎn)程主機(jī)。i p 報(bào)文被路由器獨(dú)立轉(zhuǎn)發(fā)，路由器只 需要完成i p 報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)最小操作，b p t t l 域減1 ，并重新計(jì)算校驗(yàn)和，這被稱為ip i ”。 如果i p 報(bào)文包含選項(xiàng)( o p t i o n s ) ，這些報(bào)文就被視為“異常”( e x c e p t i o n s ) ， 需要路由器對(duì)報(bào)文做更多的處理。大量的報(bào)文僅需要做i 卜一的操作，所以這些報(bào) 文經(jīng)過的路徑往往被做了充分的優(yōu)化。這些被充分優(yōu)化的轉(zhuǎn)發(fā)路徑稱為快速通道 ( f a s tp a t h ) ，相應(yīng)的，沒有優(yōu)化的轉(zhuǎn)發(fā)路徑稱為慢速通道( s l o wp a t h ) 。 當(dāng)i n t e r n e t 從一個(gè)開放的研究網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)到商業(yè)、銀行業(yè)、電信業(yè)和個(gè)人通信的 基礎(chǔ)設(shè)施后，并且隨著其規(guī)模的急劇擴(kuò)大，需要開發(fā)和部署更多新的服務(wù)，并且 也需要路由器用新的方式來轉(zhuǎn)發(fā)和處理報(bào)文。這些服務(wù)包括： 防火墻：防火墻服務(wù)用來阻止網(wǎng)絡(luò)間報(bào)文流。阻止的方式從最簡(jiǎn)單的，比如 丟棄所有某一主機(jī)的報(bào)文流，到比較復(fù)雜的，比如對(duì)電子郵件進(jìn)行病毒掃描 等。路由器能快速過濾出不需要的報(bào)文的一個(gè)好處是可以防止“拒絕服務(wù)攻 擊”( d o s ) 。在防火墻應(yīng)用中，路由器需要對(duì)報(bào)文進(jìn)行模式掃描。 入侵檢測(cè)：入侵檢測(cè)服務(wù)通過監(jiān)視和分析報(bào)文流量中的模式和特點(diǎn)來判斷系 統(tǒng)是否正遭受攻擊。路由器可以提供報(bào)文流監(jiān)視和分析等功能。 內(nèi)容傳遞網(wǎng)絡(luò)( c d n ) ：i n t e r n e t 規(guī)模的逐漸變大使內(nèi)容提供商用一個(gè)w e b 服 務(wù)器為每個(gè)用戶提供服務(wù)這樣的方式變得很低效。c d n 在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中分布有 多個(gè)服務(wù)器鏡像，路由器將服務(wù)請(qǐng)求透明的重定向到最近的鏡像上。 網(wǎng)絡(luò)地址翻譯( n a t ) ：因?yàn)閕 p 可用地址的限制，n a t 被用來使多個(gè)內(nèi)部網(wǎng) 絡(luò)中的設(shè)備共用一個(gè)i n t e r n e t 地址。提供n a t 服務(wù)的路由器需要對(duì)從內(nèi)網(wǎng) 外出的報(bào)文修改源地址，對(duì)進(jìn)入內(nèi)網(wǎng)的報(bào)文修改目的地址。 商用服務(wù)器：為了支持并發(fā)訪閥和容錯(cuò)，i n t e r n e t 上的商用站點(diǎn)通常使用 一個(gè)具有負(fù)載均衡功能的前端路由器來動(dòng)態(tài)的將訪問分布到一組服務(wù)器上 ( 稱為服務(wù)器農(nóng)場(chǎng)) 。 2 第1 章緒論 覆蓋網(wǎng)絡(luò)、隧道：v p n 是覆蓋網(wǎng)絡(luò)( o v e r l a yn e t w o r k ) 的一個(gè)例子。當(dāng)?shù)?價(jià)格的i n t e r n e t 服務(wù)普及以后，公司開始用加密的隧道建立虛擬專用網(wǎng)絡(luò) ( v p n ) ，將其各個(gè)i n t e r n e t 上的主機(jī)連接在一起。在實(shí)現(xiàn)v p n 時(shí)，路由器 將整個(gè)i p 報(bào)文視為數(shù)據(jù)，先加密數(shù)據(jù)，然后將加密后的數(shù)據(jù)封裝在一個(gè)新 的報(bào)文中。這個(gè)“外部”報(bào)文通過i n t e r n e t 到達(dá)這個(gè)v p n 另一臺(tái)路由器， 它將報(bào)文解開取出數(shù)據(jù)并解密，然后再傳送到處于本地子網(wǎng)的真正目的主 機(jī)。 轉(zhuǎn)換編碼的媒體網(wǎng)關(guān)：如今連接到i n t e r n e t 的設(shè)備包括移動(dòng)電話、個(gè)人數(shù) 字助理( p d a ) 等設(shè)備，市場(chǎng)需要能有效為這些設(shè)備提供基于w e b 的內(nèi)容服 務(wù)。轉(zhuǎn)換編碼媒體網(wǎng)關(guān)將高帶寬、高分辨率的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成低帶寬、低分辨 率的數(shù)據(jù)流，從而使數(shù)據(jù)流調(diào)整到適應(yīng)終端設(shè)備的速率，這樣能有效的減少 延遲和增加傳輸帶寬的有效性。 服務(wù)質(zhì)量( q o s ) ：服務(wù)質(zhì)量為報(bào)文引入了優(yōu)先級(jí)。在傳統(tǒng)路由器中報(bào)文獨(dú) 立的以基于接口的先入先出( f i f o ) 和盡力而為( b e s te f f o r t ) 的方式處 理。但實(shí)際應(yīng)用中，有些報(bào)文的重要性比另一些報(bào)文要高，這就需要將報(bào)文 得到的服務(wù)區(qū)分開來。將服務(wù)區(qū)分開來還有利于提高i n t e r n e t 服務(wù)提供商 的收入。 這些服務(wù)的需求造成的結(jié)果是路由器：1 ) 需要做出更復(fù)雜的轉(zhuǎn)發(fā)決定，而不 僅僅是根據(jù)報(bào)文的目的地址來轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文；2 ) 需要對(duì)報(bào)文做更復(fù)雜的處理，而不僅 僅是i p - 一；3 ) 需要對(duì)服務(wù)做出區(qū)分，麗不僅僅是做盡力而為的轉(zhuǎn)發(fā)。在文獻(xiàn)【2 j 中， 作者將這些服務(wù)所需要的操作歸納為六類：模式匹配、查找、計(jì)算、數(shù)據(jù)操作、 隊(duì)列管理和控制處理。 1 - 3網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展與趨勢(shì) 隨著i n t e r n e t 帶寬的不斷增加和提供的服務(wù)越來越豐富，作為在網(wǎng)絡(luò)中為主 機(jī)提供服務(wù)的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)也在不斷的發(fā)展。在文獻(xiàn)p j 中，作 者總結(jié)了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的歷程： 第一代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)： 1 9 6 0 到1 9 7 0 年徊 i n t e r n e t 剛剛出現(xiàn)，同時(shí)代還出現(xiàn)了小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。出 于小型計(jì)算機(jī)具有價(jià)格便宜、體積小和i o 接口簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，i n t e r n e t 的丌發(fā)者 決定用小型計(jì)算機(jī)來開發(fā)路由器。當(dāng)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)速度相對(duì)于c p u 速度來澆低得多， 路由器也只需要做路由表的查找，而且當(dāng)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模也比較小，所以用傳統(tǒng)計(jì) 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 算機(jī)硬件開發(fā)的路由器足以勝任在i n t e r n e t 中轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文的任務(wù)。在這樣的硬件上 一般運(yùn)行報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)軟件，這可以是一個(gè)具備報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)功能的通用操作系統(tǒng)，所有 的協(xié)議處理任務(wù)都在主機(jī)c p u 上運(yùn)行。如今，一些低端的路由器仍然采用這樣的 結(jié)構(gòu)。般將這樣的硬件體系結(jié)構(gòu)稱為通用處理器( g e n e r a lp u r p o s ep r o c e s s o r ， g p p ) ，并且將在通用硬件上運(yùn)行專用的報(bào)文交換軟件構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)稱為軟件路 由器( s o f tr o u t e r ) 。軟件路由器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 - 1 所示： 網(wǎng)絡(luò)接口 通用a ，u 網(wǎng)絡(luò)接口 1分幀和地址確認(rèn)其他所有的 分幀和地址確認(rèn) 處理 圖1 1 ：第一代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 第一代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的特點(diǎn)是價(jià)格低，而且功能易于擴(kuò)展，但主要的缺點(diǎn)就是處 理速度慢。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常有幾個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬的顯著提高，聚合 帶寬的速度超過了c p u 的處理能力。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者意識(shí)到用傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)來 處理報(bào)文有兩個(gè)缺點(diǎn)：( 1 ) 網(wǎng)絡(luò)接口和網(wǎng)絡(luò)接口間的報(bào)文交換要通過c p u 控制在 總線上傳遞；( 2 ) 報(bào)文的處理都交給了c p u 。所以c p u 和總線構(gòu)成了瓶頸，于是 提出了第二代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。 第二代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)： 第二代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)有兩個(gè)重要的特點(diǎn)；( 1 ) 使用分散式的設(shè)計(jì)，在 網(wǎng)絡(luò)接口上具有報(bào)文分類和轉(zhuǎn)發(fā)的能力；( 2 ) 利用高速的互連機(jī)制，提供在網(wǎng)絡(luò) 接口間的快速通道( f a s tp a t h ) 。它比第一代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)具有更好的可 擴(kuò)展性。因?yàn)槊總€(gè)網(wǎng)絡(luò)接口都具有報(bào)文分類和轉(zhuǎn)發(fā)的能力，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口可以并 行的處理，而且網(wǎng)絡(luò)接口之間可以通過快速通道進(jìn)行報(bào)文的快速轉(zhuǎn)發(fā)，所以第二 代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以支持更多的網(wǎng)絡(luò)接口。第二代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如圖卜2 所示： 通用c p u 喇絡(luò)接口 控制和異常處理 網(wǎng)絡(luò)接口 1 ，2 層處理1 分類i 轉(zhuǎn)發(fā)f _ 磊囊磊磊i ：_ 轉(zhuǎn)發(fā)1 分類i h2 崖處理 幽i 一2 ：第二代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 4 第1 章緒論 在第二代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，通用c p u 用來管理和控制系統(tǒng)，提供網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的管理 界面。它運(yùn)行路由軟件進(jìn)行路由選擇和路由通告，它還要處理無法進(jìn)行分類的異 常報(bào)文以及各種錯(cuò)誤。網(wǎng)絡(luò)接口中的分類和轉(zhuǎn)發(fā)功能可以用應(yīng)用專用電路( a s i c ) 實(shí)現(xiàn)，也可以采用嵌入式的r i s e 處理器來實(shí)現(xiàn)?？焖偻ǖ酪话阒附粨Q結(jié)構(gòu)( s w i t c h f a b r i c s ) ，可以是交叉開關(guān)( c r o s sb a r ) 、多級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)或多端口內(nèi)存。 第三代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)： 在第二代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，雖然通用c p i j 只處理報(bào)文流量中的一部分報(bào)文，但隨 著聚合帶寬的增加，通用c p i 仍然構(gòu)成瓶頸，所以設(shè)計(jì)者們又設(shè)計(jì)了第三代網(wǎng)絡(luò) 系統(tǒng)。第三代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)繼續(xù)將報(bào)文處理工作從通用c p u 上分擔(dān)到網(wǎng)絡(luò)接口上，在 網(wǎng)絡(luò)接口上設(shè)計(jì)不同的硬件來處理協(xié)議的各個(gè)層次。第三代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 卜3 所示： 通用c p u 網(wǎng)絡(luò)接u 網(wǎng)絡(luò)接 4 崖處蟬 l e 他處哩 4 層處理 嵌入武處理器流毓* j l l ! 1 汝入式處理器 ( a s i c ) l 搿 3 層處理a s i c 3 ，：處理a s i c1 ，2 聯(lián) 快速通道處理 圖卜3 ：第一代網(wǎng)粥系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 在第三代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)l 、2 層用標(biāo)準(zhǔn)的商用芯片來處理，a s i c 用來進(jìn) 行基本的三層報(bào)文分類、處理以及在快速通道中轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文，a s i c 還用來在交換結(jié) 構(gòu)中進(jìn)行流量控制和管理。嵌入式的處理器被用來進(jìn)行第四層或者更高層的協(xié)議 處理，用嵌入式處理器可以使高層協(xié)議處理用軟件來實(shí)現(xiàn)，獲得一定的靈活性。 由于在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口中都設(shè)置了嵌入式處理器，況且需要高層處理的報(bào)文并不是 很多，所以速度是可以接受的。但隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬的進(jìn)一步提高，嵌入式的處理器 又構(gòu)成了瓶頸。到了9 0 年代中期，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者認(rèn)為只有專用的集成電路 ( a s i c ) 才可以處理i n t e r n e t 骨干網(wǎng)的流量，所以工業(yè)界生產(chǎn)的高速路由器都用 a s i c 來構(gòu)建。a s i c 提供了最高的速度，但是它也有很大的局限性，具體有以下 幾點(diǎn)：開發(fā)費(fèi)用高、開發(fā)周期長(zhǎng)、很難模擬、修改起來昂貴和耗時(shí)、可重用性差、 沒有一致的丌發(fā)框架、需要硬件專家開發(fā)。 電子科技大學(xué)碗士學(xué)位論文 這樣，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者面臨著一個(gè)兩難的境地，嵌入式處理器無法處理高 速網(wǎng)絡(luò)的報(bào)文，而a s i c 開發(fā)起來又是如此的困難。因此，網(wǎng)絡(luò)處理器應(yīng)運(yùn)而生。 從i n t e r n e t 服務(wù)和報(bào)文處理需求的發(fā)展以及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)自身體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展 過程中，可以預(yù)計(jì)在下一代網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有兩點(diǎn)趨勢(shì)【4 】： 為了支持日益增長(zhǎng)和不斷發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須具有靈活 性：過去幾年中，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要支持的應(yīng)用和服務(wù)的數(shù)量以及復(fù)雜性有了飛 速的發(fā)展。目前一年中向i e t f 提交的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的建議是過去十年的四倍。 這些應(yīng)用包括從對(duì)報(bào)文頭部處理的應(yīng)用，比如網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換( n a t ) 、協(xié)議 轉(zhuǎn)換( i p v 4 - v 6 網(wǎng)關(guān)) 和q o s ( m p l s ) ，到對(duì)報(bào)文內(nèi)容處理的協(xié)議，比如基 于內(nèi)容的負(fù)載均衡、x m l 防火墻和v p n 等。 為了在大量高帶寬鏈路盼環(huán)境下支持以上應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須以線速( 1 i n e s p e e d ) 處理報(bào)文：在過去十年中，網(wǎng)絡(luò)帶寬增長(zhǎng)的十分迅速，平均以每年 一倍的速度增長(zhǎng)。相對(duì)的，按照m o o r e 定律，處理器的性能每?jī)赡攴环?而存儲(chǔ)器訪問的延遲平均一年提高1 0 。鏈路帶寬、處理器性能和訪存延遲 在提高幅度上的差異使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以線速率處理報(bào)文成為了個(gè)挑戰(zhàn)。 1 4網(wǎng)絡(luò)處理器系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)處理器是一種應(yīng)用專用處理器( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n s t r u c t i o n p r o c e s s o r ，a s i p ) 。本節(jié)首先介紹網(wǎng)絡(luò)處理器的定義，然后根據(jù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的 特點(diǎn)，介紹了網(wǎng)絡(luò)處理器的體系結(jié)構(gòu)，說明了它如何針對(duì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的特點(diǎn)進(jìn) 行優(yōu)化，最后還介紹了網(wǎng)絡(luò)處理器的軟件結(jié)構(gòu)以及開發(fā)環(huán)境。 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者希望能有一種技術(shù)可以同時(shí)包括嵌入式處理器和a s i c 的 優(yōu)點(diǎn)而擯棄它們各自的弱點(diǎn)。所以網(wǎng)絡(luò)處理器至少有以下幾個(gè)特點(diǎn)： 相對(duì)較低的價(jià)格 統(tǒng)一的硬件界面 可以訪問內(nèi)存 可編程 能隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬的提高而進(jìn)行擴(kuò)展 在文獻(xiàn)【3 】中，作者對(duì)網(wǎng)絡(luò)處理下的定義是；羽絡(luò)處理器是一種專用的、可編程 的設(shè)備，它具有嵌入式r i s c 處理器的靈活性和低價(jià)格，同時(shí)具確c a s i c 的速度， 網(wǎng)絡(luò)處理器是設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基本構(gòu)造模塊。用網(wǎng)絡(luò)處理器來構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和用 嵌入式處理器以及a s i c 之閫的比較如圖卜4 ： 嵌入式處理器以及a s i c 之問的比較如圖卜4 ： 6 第l 章緒論 不斷提 高的性 能 不斷提高的成本 圖卜4 ：三種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的比較 1 4 1 網(wǎng)絡(luò)處理器并行特性 網(wǎng)絡(luò)處理器被視為應(yīng)用專用處理器，其中應(yīng)用指的是報(bào)文處理。網(wǎng)絡(luò)處理器 對(duì)報(bào)文處理的優(yōu)化體現(xiàn)在開發(fā)報(bào)文處理的并行性上。在文獻(xiàn)1 5 】中，作者指出報(bào)文處 理存在著三個(gè)層次的并行性： 報(bào)文級(jí)并行( p a c k e tl e v e lp a r a l l e l i s m ，簡(jiǎn)稱p l p ) ：大部分網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用都 是基于報(bào)文級(jí)( p a c k e tl e v e l ) 的，不同的報(bào)文一般經(jīng)過類似的處理。報(bào)文 間一般是獨(dú)立的，這樣報(bào)文可以由不同的處理單元并行服務(wù)。然而這種處理 也存在一定的局限性，即當(dāng)屬于同一個(gè)流( f 1 0 w ) 的報(bào)文經(jīng)過不同處理單元 并行處理后必須有一個(gè)報(bào)文的重組保序過程。雖然上層的t c p 等協(xié)議允許報(bào) 文亂序，但是為了減小在終端報(bào)文重組的時(shí)間一般還要保證報(bào)文的順序。 報(bào)文內(nèi)并行( i n t r ap a c k e tp a r a l l e l i s m ，簡(jiǎn)稱i p p ) ：在對(duì)報(bào)文內(nèi)部處理 的過程中，有些任務(wù)也是彼此獨(dú)立的。這種思路類似于微處理器設(shè)計(jì)中的線 程級(jí)并行( t h r e a dl e v e lp a r a l l e li s m ) 。例如，一個(gè)二層交換程序，源m a c 地 址的處理和目的m a c 地址的查找是完全獨(dú)立的，可以并行處理。同時(shí)還可引 入一些專用的硬件協(xié)處理器，以增力h i p p 的并行效果。另外，增加一些專用 的處理指令也是提高i p p 效果的有效手段。 指令級(jí)并行( i n s t r u c t i o n1 e v e lp a r a l l e l i s i l l ，簡(jiǎn)稱i l p ) ：在網(wǎng)絡(luò)處理 器內(nèi)部通過特殊的硬件結(jié)構(gòu)完成處理器指令的并行執(zhí)行，比如v l l w 和超標(biāo) 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 量技術(shù)。此外，有些處理器還使用了線程級(jí)并 t ( t h r e a dl e v e lp a r a l l e l i s m ) 技術(shù)。然而，經(jīng)模擬研究表明，在一般非特定的整數(shù)科學(xué)計(jì)算應(yīng)用中，i l p 是 非常有限的，因此現(xiàn)在大部分網(wǎng)絡(luò)處理器出于成本的考慮并沒有大量使用 i l p 技術(shù)。 1 4 2 網(wǎng)絡(luò)處理器體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 在文獻(xiàn)1 6 j 中，作者指出隨著硅技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)可以在片上系統(tǒng)( s o c ) 上集 成多個(gè)嵌入式的處理器核心。這種新的體系結(jié)構(gòu)在價(jià)格、性能核靈活性上都具有 很大的優(yōu)勢(shì)。在報(bào)文應(yīng)用中采用多處理核處理報(bào)文可以有效的開發(fā)報(bào)文級(jí)并行性。 另外，由于訪存延遲的的提高相對(duì)于網(wǎng)絡(luò)帶寬的提高來講大大落后，所以在網(wǎng)絡(luò) 處理器的多個(gè)處理核心中往往采用硬件多線程的方式來隱藏訪存延遲。 網(wǎng)絡(luò)處理器是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)處理器都是由傳統(tǒng)處理器、專用硬 件和多個(gè)部件的組合。在1 3 】中，作者就總結(jié)出網(wǎng)絡(luò)處理器的以下基本特征： 處理器層次：處理器層次指執(zhí)行報(bào)文各個(gè)層次處理的各種硬件。它們包括不 可編程的硬件和可編程的處理器。在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的處理器層次從最底層到最 高層有專用硬件到通用的處理器，它們需要協(xié)同工作。在網(wǎng)絡(luò)處理器中一般 具有：一個(gè)或多個(gè)嵌入式的r i s c 處理器用來進(jìn)行高層的協(xié)議處理以及對(duì)系 統(tǒng)作整體的控制；一個(gè)或多個(gè)協(xié)處理器，它們被優(yōu)化用于特殊的報(bào)文處理工 作；一個(gè)或多個(gè)i o 處理器，它們以線速對(duì)報(bào)文作輸入輸出處理。為了隱藏 訪存延遲，i o 處理器往往支持多個(gè)線程。在后文中，i o 處理器、報(bào)文處 理器、報(bào)文引擎和微引擎都具有相同意思。 存儲(chǔ)器層次：存儲(chǔ)器層次允許網(wǎng)絡(luò)處理器阻合理的價(jià)格達(dá)到較高的存取速 度。雖然網(wǎng)絡(luò)處理器支持多個(gè)層次的存儲(chǔ)器，但如何使用它們由程序員來決 定。 內(nèi)部傳輸機(jī)制：因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)處理器往往由多個(gè)獨(dú)立的處理單元構(gòu)成，所以它們 之間必須具有高速的傳輸機(jī)制。一般內(nèi)部傳輸機(jī)剩有：內(nèi)部總線、硬件f i f o 、 傳輸寄存器和片上共享內(nèi)存。 外部界面和通信機(jī)制：雖然網(wǎng)絡(luò)處理器中包含了很多處理資源，但是它仍然 需要和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的其他部件進(jìn)行連接。網(wǎng)絡(luò)處理器的外部連接包括：標(biāo)準(zhǔn) 總線、存儲(chǔ)器接口、直接i o 界面和交換結(jié)構(gòu)接口。其中光互連論壇( o i f ) 8 第1 章緒論 制定了直接i o 接口的標(biāo)準(zhǔn)，稱為s p i - 3 4 ，網(wǎng)絡(luò)處理器論壇( n p f ) 制定了 交換結(jié)構(gòu)的接口，稱為c s i x 。 專用硬件：網(wǎng)絡(luò)處理器中至少有兩種專用硬件。第一種是用來提供多個(gè)處理 單元間控制、同步和協(xié)調(diào)功能的硬件。第二種是被用來執(zhí)行某種報(bào)文處理任 務(wù)的硬件，它們通常是可配置的，執(zhí)行諸如c r c 檢驗(yàn)計(jì)算，h a s h 計(jì)算等任 務(wù)。 查詢和通知機(jī)制：網(wǎng)絡(luò)處理器必須支持對(duì)異步事件的處理，比如報(bào)文的到來， 定時(shí)器通知等。一般有兩種機(jī)制。查詢是處理器自己去檢查狀態(tài)位，然后決 定異步事件有沒有發(fā)生；通知機(jī)制相當(dāng)于中斷，可以有硬件中斷和軟件中斷。 并發(fā)執(zhí)行的支持：網(wǎng)絡(luò)處理器一個(gè)重要的特點(diǎn)就是可以支持多個(gè)層次上的并 發(fā)執(zhí)行。所謂并發(fā)執(zhí)行是指一個(gè)處理器上有多個(gè)執(zhí)行線程，如果一個(gè)因?yàn)榈?待外部事件而阻塞，可以切換到另一個(gè)線程去執(zhí)行。在網(wǎng)絡(luò)處理器中，嵌入 式處理器中的并發(fā)執(zhí)行由操作系統(tǒng)支持，i o 處理器中的并發(fā)執(zhí)行由硬件支 持。 硬件對(duì)編程的支持；網(wǎng)絡(luò)處理器的硬件往往對(duì)編程都有一定的支持，雖然各 個(gè)廠家的網(wǎng)絡(luò)處理器的實(shí)現(xiàn)不太相同，但基本分為兩類：異步事件服務(wù)程序； 可相互通信的線程。 硬件和軟件的分派機(jī)制：所謂分派機(jī)制是指怎樣將工作分配到各個(gè)弗行的硬 件上去執(zhí)行。軟件分派用于嵌入式的處理器中，硬件分派用于低層的i o 處 理器。 隱式或顯示并行：網(wǎng)絡(luò)處理器中的并行大致分為兩類：隱式并行和顯示并行。 隱式并行將程序的并行執(zhí)行交給硬件去決定，顯示并行將并行問題交給程序 員決定，程序員必須在程序中明確的使用并行構(gòu)造。 在【2 j 中，作者給出了多個(gè)商用的網(wǎng)絡(luò)處理器產(chǎn)品，比如a g e r e 的p l y l o a d p l u s 系列、a m c c 的n p 7 x x x 系列、i b m 的p o w e r n p 系列、i n t e l 的i x p 系列以及 m o t o r o l a 的c p o r t 系列。 以i n t e l 的i x p 2 4 0 0 為例，它包含了一個(gè)嵌入式處理器稱為x s c a l e 和8 個(gè) i o 處理器稱為微引擎( m i c r o e n g i n e ) ，每個(gè)微引擎支持多達(dá)8 個(gè)硬件線程。 i x p 2 4 0 0 支持從微引擎寄存器、本地內(nèi)存、s c r a t c hp a d 、s r a m 到d r a m 這樣一個(gè) 訪存延遲由快到慢，容量由小到大的存儲(chǔ)器層次。它的各個(gè)功能模塊之間通過多 條獨(dú)立高速總線相連。微引擎被組織成兩個(gè)組，每個(gè)組擁有獨(dú)立的命令總線和s r a m 總線。微引擎支持通用線程信號(hào)、下一鄰居寄存器等處理器間通信機(jī)制。1 x p 2 4 0 0 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 具有c a m 、c r c 計(jì)算器、h a s h 生成器、加密解密單元等多個(gè)協(xié)處理器支持計(jì)算密 集性的報(bào)文處理。m s f 支持多種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口比如u t o p i a 、s p i 一3 和s p i 一4 2 。 1 4 3 網(wǎng)絡(luò)處理器的軟件結(jié)構(gòu) 軟件組織需要映射到網(wǎng)絡(luò)處理器的處理器層次上以最優(yōu)化利用低層硬件。網(wǎng) 絡(luò)處理器中各個(gè)可編程處理器的一般使用方法為： 通用處理器：通常運(yùn)行一個(gè)通用操作系統(tǒng)。在操作系統(tǒng)之上運(yùn)行的軟件實(shí)現(xiàn) 最上層的功能，包括管理界面、系統(tǒng)控制和路由協(xié)議。通用處理器負(fù)責(zé)管理 平面和控制平面的工作。 嵌入式處理器：通常運(yùn)行一個(gè)嵌入式的操作系統(tǒng)。在操作系統(tǒng)之上運(yùn)行一套 支持網(wǎng)絡(luò)處理器的運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)，在運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)之上運(yùn)行的應(yīng)用程序支持報(bào)文 處理中間層的功能，包括高層協(xié)議處理、控$ l j i o 處理器、異常報(bào)文處理和 錯(cuò)誤處理。嵌入式處理器負(fù)責(zé)控制平面和數(shù)據(jù)平面慢速通道的工作。 i o 處理器：通常不運(yùn)行操作系統(tǒng)，直接面對(duì)硬件編程，運(yùn)行的應(yīng)用程序支 持基本報(bào)文處理，包括報(bào)文分類、報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)、報(bào)文輸入處理和報(bào)文輸出處理。 i o 處理器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)平面快速通道的工作。因?yàn)樽畹蛯拥膇 o 處理器為報(bào)文 的處理進(jìn)行了優(yōu)化，所以為了使報(bào)文處理的性能達(dá)到最大化，應(yīng)該盡量將報(bào) 文處理的工作放到最低層的i o 處理器中。在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)處理器中，典型的報(bào) 文流如圖1 - 5 所示： i通用處理器 1 + - 告一l l嵌入式處理器 1 一懶文一l il o 處理器 圖1 5 ：網(wǎng)絡(luò)處理器典趔報(bào)文流 1 0 第1 章緒論 在文獻(xiàn)【7 】，文獻(xiàn)【8 l ，文獻(xiàn)【9 】中，作者介紹t i n t e l 的為i x p 系列網(wǎng)絡(luò)處理器設(shè)計(jì) 的i x a 可移植編程架構(gòu)。i x a 可移植編程架構(gòu)的組成部分和結(jié)構(gòu)如圖卜6 所示。 數(shù)據(jù)平面支持庫：運(yùn)行在微引擎上。提供微引擎使用的常用功能的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)。 a p i 包括硬件資源訪問、緩存管理、通信、同步、定時(shí)器以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議操作。 微代碼模塊編程模型：運(yùn)行在微引擎上。幫助程序員以模塊化的方式開發(fā)微 引擎的程序，模塊化的基本構(gòu)造塊為微代碼模塊( m i e r o b l o c k ) 。一個(gè)微代 碼模塊是一個(gè)報(bào)文處理單元，多個(gè)微代碼模塊綁定構(gòu)成報(bào)文處理的快速通 道。微代碼模塊可以在各個(gè)應(yīng)用中重用，在i x p 2 x x x 系列處理器間移植。微 代碼模塊編程模型由微代碼模塊基礎(chǔ)架構(gòu)庫支持。 資源管理器( r e s o u r c em a n a g e r ，r m ) ：運(yùn)行在x s c a l e 上。為運(yùn)行在x s c a l e 上的程序提供底層a p i ，包括初始化和管理硬件、管理和微引擎共享的數(shù)據(jù) 結(jié)構(gòu)、發(fā)送和接收?qǐng)?bào)文、和微引擎之間傳遞報(bào)文、管理硬件隊(duì)列和環(huán)、啟動(dòng)、 停止、載入微引擎、管理報(bào)文緩存、利用p c i 通信。 操作系統(tǒng)服務(wù)庫( o s s l ) ：運(yùn)行在x s c a l e 上。提供操作系統(tǒng)的抽象，使x s c a l e 上的其他部分可以在不同操作系統(tǒng)上移植。 核心部分( c o r ec o m p o n e n t ，c c ) ：運(yùn)行在x s c a l e 上。和每個(gè)微代碼模塊 關(guān)聯(lián)，配置和管理微代碼模塊，通常還是報(bào)文處理的慢速通道。核心部分由 核心部分基礎(chǔ)架構(gòu)庫( c c i ) 支持。 控制平面p d k ：運(yùn)行在x s c a l e 上。允許核心部分通過工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的接口，b l ；女t i i e t f 的f o r c e s 和n p f 的標(biāo)準(zhǔn)，和控制平面的軟件進(jìn)行交互。 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 c 蝴l o ip i a n op r o t o c o ls l m c k e 一一一一一一一- - 卜一 1 c m t r o l i * k m e p d k c 。mc 。m p o n e n l s| 0 i m t p l g 甜b k m 8 n ，i c 蚋c 口呻。哺晰刪r u m u r eu i b m 蟬i l v r 0 8 s l r q m o u r c , i h m g e rl i b r a r y 一子一 q o b i o c ki i n , k ；a s l r u - , c h , r ul i b r n r y o 州m _ d o 甜a p l 黼 i j b l e a t e s 圖1 6 ：i x a 可移植編程架構(gòu)組成部分1 7 】 1 4 4 網(wǎng)絡(luò)處理器的開發(fā)環(huán)境 網(wǎng)絡(luò)處理器中不同類型的處理器往往擁有不同的開發(fā)環(huán)境。在通用處理器上 通常采用傳統(tǒng)的編程語言( 比如c 語言) 、編譯器( 比如g n u 的c 編譯器) 和嵌 入式的通用操作系統(tǒng)( 比如嵌入式l i n u x ) 。相反的，在微