（計(jì)算機(jī)軟件與理論專業(yè)論文）基于網(wǎng)絡(luò)處理器的bras驅(qū)動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn).pdf

c n 學(xué)科、專業(yè)：工科、計(jì)算機(jī)軟件與理論 研究方向：軟件技術(shù)及其在通信中的應(yīng)用 作者：二零零七級(jí)碩士研究生：盟指導(dǎo)教i j i l i ：簽翹信數(shù)拯 題目：基王圓終處理墨的堡基墨塑動(dòng)差毽撞盔嬰究皇塞堡 英文題目：r e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no ft h ek e yt e c h n o l o g ya b o u tt h ed r i v e r m o d u l eo fb r a sb a s e do nn e t w o r kp r o c e s s o r 主題詞：b r a s 體系結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)處理器，業(yè)務(wù)支持?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，路由表，訪問控 制列表，通訊模塊 k e y w o r d s ：b r a sa r c h i t e c t u r e ，n e t w o r kp r o c e s s o r s ，b u s i n e s ss u p p o r td a t a 嗎 s t r u c t u r e ，r o u t i n gt a b l e s ，a c l ，c o m m u n i c a t i o nm o d u l e 課題來源：1 、國(guó)家自然基金項(xiàng)目，6 0 9 7 3 1 4 0 2 、江蘇省自然基金項(xiàng)目，b k 2 0 0 9 4 2 5 3 、江蘇省高校自然基金項(xiàng)目，0 8 k j b 5 2 0 0 0 5 4 、江蘇省青藍(lán)工程學(xué)術(shù)帶頭人資助項(xiàng)目 5 、中興通訊基金項(xiàng)目 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 中文摘要 中文摘要 隨著i n t e m e t 及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模迅速增長(zhǎng)，新的應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，寬 帶接入服務(wù)已經(jīng)成為運(yùn)營(yíng)商急劇增長(zhǎng)的重要業(yè)務(wù)來源，寬帶接入服務(wù)器( b r a s ) 是目前 實(shí)現(xiàn)寬帶接入的主流設(shè)備。為滿足不斷增長(zhǎng)的用戶數(shù)量和更高的服務(wù)質(zhì)量，b r a s 相關(guān)技 術(shù)的研究成為各主流通信設(shè)備制造商研發(fā)機(jī)構(gòu)的重要課題。 為了實(shí)現(xiàn)線速轉(zhuǎn)發(fā)和提供硬件層面的可編程環(huán)境，b r a s 體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)展為基于網(wǎng) 絡(luò)處理器的分布式系統(tǒng)。為對(duì)用戶提供多種業(yè)務(wù)服務(wù)，b r a s 不僅要實(shí)現(xiàn)非協(xié)議報(bào)文的線 速轉(zhuǎn)發(fā)還要實(shí)現(xiàn)對(duì)協(xié)議報(bào)文的特殊業(yè)務(wù)處理。底層網(wǎng)絡(luò)處理器在實(shí)現(xiàn)對(duì)報(bào)文線速處理的同 時(shí)要實(shí)現(xiàn)越來越多的業(yè)務(wù)，如q o s ，a a a 等，因此b r a s 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中設(shè)計(jì)了處 理各種業(yè)務(wù)的上層業(yè)務(wù)模塊。為實(shí)現(xiàn)b r a s 體系中網(wǎng)絡(luò)處理器與上層業(yè)務(wù)處理模塊的交互， 需要設(shè)計(jì)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)處理器服務(wù)模塊，又稱驅(qū)動(dòng)模塊，以處理網(wǎng)絡(luò)處理器與上層業(yè)務(wù)模塊的 報(bào)文交互和微引擎轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文時(shí)需要的業(yè)務(wù)支持?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的維護(hù)。驅(qū)動(dòng)模塊在b r a s 中起著 承上啟下的作用，因此驅(qū)動(dòng)模塊的合理設(shè)計(jì)關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的效率、穩(wěn)定性以及可靠性。 文章首先介紹了基于網(wǎng)絡(luò)處理器的b r a s 基本原理與技術(shù)，并對(duì)基于i x p 2 8 0 0 網(wǎng)絡(luò)處 理器的b r a s 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了總體分析，隨后分析了b r a s 驅(qū)動(dòng)模塊在系統(tǒng)中的功能，設(shè) 計(jì)的原理，并探索了實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)模塊功能的關(guān)鍵技術(shù)。第四章對(duì)b r a s 驅(qū)動(dòng)業(yè)務(wù)支持?jǐn)?shù)據(jù)結(jié) 構(gòu)的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了研究，主要采用了h a s h 、t r i e 和r f c 算法實(shí)現(xiàn)不同的業(yè)務(wù)支持?jǐn)?shù) 據(jù)結(jié)構(gòu)，其中大部分業(yè)務(wù)表項(xiàng)通過采用h a s h 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行存儲(chǔ)和查詢，采用基于t r i e 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的算法實(shí)現(xiàn)路由表的存儲(chǔ)和管理，訪問控制列表( a c l ) 的實(shí)現(xiàn)則是使用r f c 算法。 文章詳細(xì)給出了使用上述算法數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的原理，操作流程以及實(shí) 驗(yàn)驗(yàn)證過程。在驅(qū)動(dòng)通訊模塊設(shè)計(jì)部分，文章分別從b r a s 驅(qū)動(dòng)主i x p 2 8 0 0 上送協(xié)議報(bào)文、 上層協(xié)議下發(fā)給主i x p 2 8 0 0 和從i x p 2 8 0 0 的協(xié)議報(bào)文以及從i x p 2 8 0 0 上送報(bào)文( n oa r p ) 三個(gè)報(bào)文流向分別給出了實(shí)現(xiàn)原理和流程，并在最后通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證和分析。 通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，文章所采用的相關(guān)技術(shù)較好地實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)功 能，為b r a s 系統(tǒng)在業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)支持和模塊間報(bào)文傳送設(shè)計(jì)了穩(wěn)定且高效的實(shí)現(xiàn)機(jī)制。 關(guān)鍵字：b r a s 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)處理器，業(yè)務(wù)支持?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，路由表，訪問控制列 表，通訊模塊 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 a b s t r a c t b r o a d b a n dr e m o t ea c c e s ss e r v e r ( b r a s ) i st h em a i nb r o a d b a n da c c e s se q u i p m e n t c u r r e n t l y , a n di no r d e r t om e e tt h eg r o w i n gn u m b e ro fu s e r sa n dh i g h e rd e m a n do fs e r v i c eq u a l i t y , b r a s r e l a t e dt e c h n o l o g yr e s e a r c hb e c a m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tr & ds u b j e c tf o rt h e i n s t i t u t i o n so ft h et e l e c o m m u n i c a t i o n se q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r s i no r d e rt oa c h i e v ew i r e s p e e df o r w a r d i n ga n dh a r d w a r el e v e lp r o g r a m m a b l ee n v i r o n m e n t ， an e wg e n e r a t i o no fb r a sa r c h i t e c t u r e ，嬲an e t w o r kp r o c e s s o r - b a s e dd i s t r i b u t e ds y s t e m s ，h a s b e e nd e v e l o p e d b r a sn o to n l yn e e dt of o r w a r dt h en o n p r o t o c o lp a c k e tw i t hw i r e s p e e db u t a l s ot oa c h i e v et h et r e a t m e n to ft h es p e c i a lp r o t o c o lp a c k e tt op r o v i d eaw i d er a n g eo fb u s i n e s s s e r v i c e st ou s e r s i nt h eb r a s s y s t e m ，t h eu n d e r l y i n gn e t w o r kp r o c e s s o rm o d u l en e e dt oa c h i e v e w i r e s p e e dp a c k e tp r o c e s s i n gw h i l ea l s op r o v i d em o r ea n dm o r es e r v i c e s ，s u c ha sq o s ，aa aa n d s oo n ，a sar e s u l t ，b r a sa r c h i t e c t u r en e e dt od e s i g nu p p e rb u s i n e s sb l o c k st od e a l 慚mv a r i o u s b u s i n e s s t oh e l pt h en e t w o r kp r o c e s s o rt oi n t e r a c t 砸t ht h et o pb u s i n e s sp r o c e s s ，b r a s s y s t e mn e e dt od e s i g nas e r v i c em o d u l eo fn e t w o r kp r o c e s s o r , a l s ok n o w na s t h ed r i v e r m o d u l e s ，t oh a n d l ep a c k e ti n t e r a c t i o nb e t w e e nn e t w o r kp r o c e s s o ra n dt h et o pb u s i n e s s ，a n d m a i n t a i nt h o s es u p p o r td a t as t r u c t u r e su s e db yt h em i c r o e n g i n eo fn e t w o r k p r o c e s s o rt of o r w a r d p a c k e t s d r i v e rm o d u l ei nt h eb r a sp l a y sar o l eo fl i n k i n ga n dm e d i ab e t w e e nt h eu n d e r l y i n g n e t w o r kp r o c e s s o rm o d u l ea n dt h eu p p e ro p e r a t i o n a lc o n t r o l l i n gm o d u l e ，s ot h er a t i o n a ld e s i g n o fd r i v em o d u l e si sr e l a t e dt ot h ee f f i c i e n c y , s t a b i l i t y , a n dr e l i a b i l i t yo ft h eo v e r a l ls y s t e m t h i sp a p e rf i r s td e s c r i b e st h eb a s i cp r i n c i p l e sa n dt e c h n i q u e so fn e t w o r kp r o c e s s o r - b a s e d b r a s ，a n dg i v ea no v e r a l la n a l y s i so ft h eb r a ss y s t e ms t r u c t u r eb a s e do nt h ei x p 2 8 0 0 n e t w o r kp r o c e s s o r ；t h e na n a l y s et h ef u n c t i o no fb r a sd r i v em o d u l ei nt h es y s t e m ，d e s i g n p r i n c i p l e s ，a n de x p l o r et h ek e yt e c h n o l o g i e st oa c h i e v ed r i v em o d u l ef e a t u r e s i nc h a p t e ri v ，t h e t e c h n o l o g i e s ，r e l a t e dt ot h eb u s i n e s ss u p p o r td a t as t r u c t u r e so fb r a sd r i v e r ，h a v eb e e ns t u d i e d ， m a i n l yu s i n gh a s h ，t r i ea n dt h er f ca l g o r i t h mt or e a l i z ed i f f e r e n tb u s i n e s sd a t as t r u c t u r e s ， m o s to fw h i c h t h r o u g ht h eu s eo fh a s ht a b l et os t o r ea n dq u e r ye n t r yf o rb u s i n e s sd a t a s t r u c t u r e s ，t h eu s eo ft r i ed a t as t r u c t u r ea l g o r i t h m sf o rr o u t i n gt a b l es t o r a g ea n dm a n a g e m e n t ， a n da c li m p l e m e n t a t i o ni sb a s e do nt h er f c a l g o r i t h m a r t i c l e sg i v et h ep r i n c i p l eo fr e l e v a n t b u s i n e s s d a t as t r u c t u r e s ，o p e r a t i n gp r o c e s s e si n d e t a i l ，u s i n gt h ea b o v ea l g o r i t h r na n dd a t a s t r u c t u r e ，a n de x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o np r o c e s s i nt h ed e s i g np a r to ft h ec o m m u n i c a t i o nm o d u l e ， t h ea r t i c l ew e r ed r i v e nf r o mt h eb r a st os e n dt h ep a c k e t sf r o mt h em a i ni x p 2 8 0 0t ot h eu p p e r h _ llil二_iilriillilllill 囂器黼篙蕊而而贏而麗一abstractth “ea s s i s f t a n ti x p 2 8 0 0 ( n oa r p ) t o 科p r o t o c o l m o d u l e mm i p l e s a n d p r o c 三：；i 竺：f 陽呔如舫w s 骶昏啪r e s p e c t i v e l y , 觚df i n a l l yv e r i f i e d 齜u 曲1 e x 刪m e 二：= 。，。a 。s t h ea n a l y s i so f e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h 。、v i n g ，t h e t e c l u l 。l 。g i e s0 ft h ea r t i c l ea c l l i e v ea = = t a b l e a n d e f f i c i e n ti m p l e m e n t a t i o n m e c h 觚i s mo f d a t a 咖c t u r e ss u p p o n i n g b u s i n ：j p a c k e t t r a n s m i 3 8 i o nf o rt h ed r i v em o d u l eo f t h eb r a s s y s t e m 一。 k 呵w o 陸：b 從s 觚h i t e c t u r e , n e t w o r kp r o 二呱鼬i n e s s s 鄴n ?？ 妣嘶， r o u t i n gt a b l e s ，a c l ，c o m m u n i c a t i o nm o d u l e i i i 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文目錄 目錄 中文摘要i a b s t r a c t 。i i 第一章引言、：1 1 1 課題研究背景1 1 2 課題來源。2 1 3 論文的研究?jī)?nèi)容與結(jié)構(gòu)安排3 第二章b r a s 驅(qū)動(dòng)相關(guān)概念與技術(shù)4 2 1b r a s 介紹4 2 2b r a s 的功能需求5 2 3 網(wǎng)絡(luò)處理器6 2 3 1 網(wǎng)絡(luò)處理器的定義與特性7 2 3 2 網(wǎng)絡(luò)處理器的基本架構(gòu)8 2 3 。3in t eli ) ( a 可移植編程架構(gòu)1 0 2 3 4in t ei 系列網(wǎng)絡(luò)處理器一1 2 2 4 本章小結(jié)1 4 第三章b r a s 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1 5 3 1b r a s 交換體系架構(gòu)l5 3 1 1 數(shù)據(jù)包處理流程1 5 3 1 2 接口卡及網(wǎng)絡(luò)處理器1 6 3 1 3n p 單板結(jié)構(gòu)1 7 3 1 4b r a s 軟件子系統(tǒng)劃分18 3 1 5b r a s 采用分布式處理的優(yōu)勢(shì)1 8 3 2b r a s 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模塊1 8 3 3 本章小結(jié)2 0 第四章b r a s 驅(qū)動(dòng)業(yè)務(wù)支持?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2 l 4 1 基于姒s h 的相關(guān)業(yè)務(wù)表項(xiàng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2 l 4 1 1h a s h 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的h a s h 索引表。2 l 4 1 2 本文設(shè)計(jì)的基于h a s h 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的業(yè)務(wù)表項(xiàng)2 3 4 1 3 基于h a s h 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)和操作實(shí)現(xiàn)2 3 4 2 基于t r i e 樹的路由表存儲(chǔ)和管理2 8 4 2 1 使用t rie 樹的背景2 8 4 2 2 本文使用的t rie 樹結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)描述2 8 4 2 3 路由表項(xiàng)添加流程設(shè)計(jì)3 l 4 2 4 路由表項(xiàng)查找流程設(shè)計(jì)3 5 4 2 5 路由表項(xiàng)刪除流程設(shè)計(jì)3 5 4 3 基于r f c 算法的a c l 流分類算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3 7 4 3 1 使用r f c 算法的實(shí)際需求3 8 4 3 2r f c 算法實(shí)現(xiàn)報(bào)文分類的基本原理3 8 4 3 3r f c 算法實(shí)現(xiàn)壓縮的原理。3 9 4 3 4 基于r f c 算法的a c l 實(shí)例。4 0 4 3 5 基于r f c 算法的驅(qū)動(dòng)a c l 對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)處理器微碼實(shí)現(xiàn)流程4 3 4 4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：4 6 4 4 1 基于h a s h 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)顯示4 6 4 4 2 基t rie 算法的路由表存儲(chǔ)顯示5 1 4 4 3 基于r f c 算法的訪問控制列表( a c l ) 存儲(chǔ)顯示5 5 i v 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文目錄 4 5 本章小結(jié)5 7 第五章b r a s 驅(qū)動(dòng)通訊模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)5 8 5 1 主i x p 2 8 0 0 上送的協(xié)議報(bào)文流5 9 5 2 上層協(xié)議下發(fā)的協(xié)議報(bào)文流6 l 5 3 從i x p 2 8 0 0 上送的協(xié)議報(bào)文流6 2 5 4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析6 3 5 4 1 驗(yàn)證當(dāng)前處理的報(bào)文6 3 5 4 2 驗(yàn)證報(bào)文發(fā)送與接收統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)一“ 5 5 本章小結(jié)。6 5 第六章總結(jié)與展望6 6 6 1 總結(jié)6 6 6 2 展望6 6 致謝6 8 參考文獻(xiàn)6 9 附錄驅(qū)動(dòng)模塊的業(yè)務(wù)表項(xiàng)結(jié)構(gòu)7 2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)l 主i x p 2 8 0 0 部分業(yè)務(wù)表項(xiàng)結(jié)構(gòu)7 2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2 從i x p 2 8 0 0 各種轉(zhuǎn)發(fā)表表項(xiàng)結(jié)構(gòu)7 6 攻讀碩士學(xué)位期間的學(xué)術(shù)論文8 1 攻讀碩士學(xué)位期間參加的科研項(xiàng)目8 2 v 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第一章引言 1 1 課題研究背景 第一章引言 目前，i n t e r n e t 處于高速發(fā)展時(shí)期。這一高速的發(fā)展勢(shì)頭對(duì)于i n t e r n e t 的業(yè)務(wù)提供商 ( i s p ) 來說，則意味著面臨更新的要求和挑戰(zhàn)。隨著各種高速接入方式的不斷推出，作為 接入i n t e m e t 的關(guān)鍵接口設(shè)備，目前的寬帶接入服務(wù)器越來越成為發(fā)展高速、寬帶和綜合 一體化i n t e m e t 接入的一個(gè)“瓶頸”【1 】。 寬帶接入服務(wù)器( b r a s ) 是面向?qū)拵ЬW(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的新型接入網(wǎng)關(guān)。它可以完成寬帶用 戶的i p a t m 網(wǎng)的數(shù)據(jù)接入，實(shí)現(xiàn)多種業(yè)務(wù)的匯聚和轉(zhuǎn)發(fā)，解決不同用戶對(duì)傳輸容量、帶 寬利用率等要求，為用戶提供v p n 服務(wù)、構(gòu)建企業(yè)內(nèi)部i n t e m e t 、支持管理域向用戶批發(fā) 業(yè)務(wù)等應(yīng)用，負(fù)責(zé)用戶的管理和控制。圖1 1 說明了b r a s 在網(wǎng)絡(luò)中的位置和作用。 圖1 - 1b r a s 在網(wǎng)絡(luò)中的位置 b r a s 可以高速地提供大量寬帶用戶的接入，易于快速擴(kuò)容和增加新功能，可支持 a d s l 、c t m s 、l a n 、無線接入等多種接入方式，滿足各種不同類型的運(yùn)營(yíng)商和服務(wù)提供 商的需要。具有簡(jiǎn)單、高效、統(tǒng)一的用戶管理模式，提供靈活的多種多種認(rèn)證、計(jì)費(fèi)和管 理方法。 普通用戶通過各種接入手段，包括以太網(wǎng)方式或a d s l 方式接入到b r a s 中，經(jīng)過 b r a s 的認(rèn)證之后( 認(rèn)證一般和r a d i u s 服務(wù)器結(jié)合進(jìn)行) ，用戶可以選擇b r a s 提供的 多種上網(wǎng)服務(wù)，如選擇i s p ，或選擇上某個(gè)企業(yè)的內(nèi)部網(wǎng)，或選擇運(yùn)營(yíng)商提供的特殊服務(wù)， 1 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第一章引言 如v o d 等。b r a s 與r a d i u s 配合對(duì)用戶的行為進(jìn)行計(jì)費(fèi)，如按時(shí)長(zhǎng)計(jì)費(fèi)或按流量計(jì)費(fèi)。 除普通用戶以外，b r a s 還適用于對(duì)集團(tuán)大用戶的承載和管理，b r a s 支持專線、v p n 以及虛擬i s p 。 b r a s 從路由器發(fā)展而來【2 】，作為接入?yún)R聚層設(shè)備，替代了原來這個(gè)層次上的路由器 ( 或者三層交換機(jī)) ，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的匯聚層路由器只起到網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的作用，沒有用戶的概念， 只有流的概念，不利于電信精細(xì)化管理( 收費(fèi)) ，沒有對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行計(jì)費(fèi)的功能。b r a s 網(wǎng)關(guān)不僅采用新型的網(wǎng)絡(luò)處理器構(gòu)建路由器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)功能，而且在此基礎(chǔ)上加入了用 戶接入認(rèn)證計(jì)費(fèi)等相應(yīng)的模塊，在匯聚層實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)中用戶的管理。b r a s 和路由器 的比較如表1 1 。 表1 1b r a s 和路由器的比較 ? b r a s 路由器 嵌入式網(wǎng)管、s n m p 、 設(shè)備 嵌入式網(wǎng)管，s n m p 、r m o n r m o n 管理平面 用戶用戶管理、a a a 、r a d i u s 無 設(shè)備 路由協(xié)議以及其他信令路由協(xié)議以及其他信令 控制平面 用戶p p p o x 協(xié)議處理、用戶認(rèn)證無 數(shù)據(jù)平面 設(shè)備p p p o x 接入，d h c p 接入，路由方式，互連互通 1 2 課題來源 在上節(jié)的背景介紹中已經(jīng)提到，b r a s 是從路由器發(fā)展而來，而路由器技術(shù)已經(jīng)發(fā)生 的重要的變化?，F(xiàn)今主流路由器已經(jīng)發(fā)展到基于網(wǎng)絡(luò)處理器的三層體系結(jié)構(gòu)( 控制層面； 數(shù)據(jù)層面：管理層面) ，網(wǎng)絡(luò)處理器處于底層，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)報(bào)文的線速轉(zhuǎn)發(fā)。雖然網(wǎng)絡(luò)處理 器具有軟件可編程能力也可實(shí)現(xiàn)對(duì)分組處理流程的優(yōu)化，以滿足線速處理的要求，但是也 存在著諸如指令偏向底層以致不方便進(jìn)行復(fù)雜業(yè)務(wù)處理、內(nèi)存空間小等特點(diǎn)，使得在處理 復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方面存在缺陷；另一方面，網(wǎng)絡(luò)處理器主要功能在于實(shí)現(xiàn)報(bào)文的線速轉(zhuǎn)發(fā)， 讓其分擔(dān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)維護(hù)和與上層管理和控制層面的交互是不方便也不值得的，因此需要一 個(gè)分擔(dān)網(wǎng)絡(luò)處理器上述任務(wù)的模塊以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)處理器需要的業(yè)務(wù)支持?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行存 儲(chǔ)和維護(hù)，以及實(shí)現(xiàn)與上層業(yè)務(wù)進(jìn)行報(bào)文交互的模塊，在本文中稱為驅(qū)動(dòng)模塊。 2 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第一章引言 本課題主要來源于中興通訊股份有限公司科技基金項(xiàng)目，該項(xiàng)目主要對(duì)電信級(jí)寬帶接 入服務(wù)器( b r a s ) 項(xiàng)目的研究，該項(xiàng)目從高端路由器的b r a s 中的驅(qū)動(dòng)模塊、主備倒換 模塊、u m 模塊、a m 模塊、s v r c f g 模塊、a a a 模塊、t i m e r m g r 模塊、r a d i u s 模 塊、n e t l o g 模塊、m c a s t 模塊、p p p 模塊、s a l 模塊等小模塊，本文中的內(nèi)容屬于其 中承上啟下的驅(qū)動(dòng)模塊。本文主要目標(biāo)是設(shè)計(jì)合理的驅(qū)動(dòng)模塊相關(guān)技術(shù)，以提高驅(qū)動(dòng)b r a s 系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性，研究?jī)?nèi)容包括如下方面： 1 ) 設(shè)計(jì)合理的算法數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)于與網(wǎng)絡(luò)處理器微引擎共享的數(shù)據(jù) 結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)和維護(hù)。包括針對(duì)不同類型業(yè)務(wù)，以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)空間的高效利用，維護(hù)操作的快 速和系統(tǒng)穩(wěn)定性為目標(biāo)，課題針對(duì)不同類型的業(yè)務(wù)，設(shè)計(jì)應(yīng)用了包括h a s h ，t r i e ，r f c 算法數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的維護(hù)操作。 2 ) 設(shè)計(jì)了服務(wù)于主網(wǎng)絡(luò)處理器( 負(fù)責(zé)上行報(bào)文處理) ，從網(wǎng)絡(luò)處理器( 負(fù)責(zé)下行報(bào)文 處理) 之間及與上層業(yè)務(wù)控制管理模塊進(jìn)行通訊的報(bào)文交互機(jī)制。 1 3 論文的研究?jī)?nèi)容與結(jié)構(gòu)安排 第一章首先簡(jiǎn)要介紹了本課題的研究背景、課題來源項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容、以及參與項(xiàng) 目過程中所進(jìn)行與課題相關(guān)的研究工作。 第二章對(duì)b r a s 驅(qū)動(dòng)模塊的相關(guān)概念進(jìn)行了介紹，包括b r a s 的產(chǎn)生背景與功能需 求，對(duì)網(wǎng)絡(luò)處理器的相關(guān)概念也進(jìn)行了介紹。 第三章描述了本課題的b r a s 交換體系結(jié)構(gòu)，著重對(duì)驅(qū)動(dòng)模塊在系統(tǒng)中的位置和功 能進(jìn)行了總體性的描述。 第四章對(duì)b r a s 驅(qū)動(dòng)模塊相關(guān)業(yè)務(wù)支持?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行描述和探討。對(duì) 于主要使用的h a s h 、t r i e 、r f c 算法作了深入的分析和探討，介紹了實(shí)現(xiàn)原理并且對(duì)實(shí) 現(xiàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。 。 第五章介紹了驅(qū)動(dòng)模塊的通訊實(shí)現(xiàn)機(jī)制，對(duì)主網(wǎng)絡(luò)處理器( p 2 8 0 0 ) 上送報(bào)文、從 網(wǎng)絡(luò)處理器( i x p 2 8 0 0 ) 下發(fā)報(bào)文、從網(wǎng)絡(luò)處理器( i x p 2 8 0 0 ) 上送報(bào)文進(jìn)行分別介紹。 最后，第六章總結(jié)了本文所作的工作，并對(duì)該課題進(jìn)一步研究工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行 概述。 3 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第二章b r a s 驅(qū)動(dòng)相關(guān)概念與技術(shù) 2 1b r a s 介紹 第二章b r a s 驅(qū)動(dòng)相關(guān)概念與技術(shù) b r a s 是面向?qū)拵ЬW(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的接入網(wǎng)關(guān)，可以完成寬帶用戶的i p a t m 網(wǎng)的數(shù)據(jù)接入 ( 目前主要接入手段主要基于x d s l c a b l em o d e m 高速以太網(wǎng)接入技術(shù)，無線寬帶接入技 術(shù)等) ，實(shí)現(xiàn)多種業(yè)務(wù)的匯聚和轉(zhuǎn)發(fā)，解決不同用戶對(duì)傳輸容量、帶寬利用率等要求，為 用戶提供v p n 服務(wù)、構(gòu)建企業(yè)內(nèi)部i n t e m e t 、支持管理域向用戶批發(fā)業(yè)務(wù)等應(yīng)用，負(fù)責(zé)用 戶的管理和控制。b r a s 是寬帶城域網(wǎng)中的重要設(shè)備之一，它的引入將使城域網(wǎng)成為可運(yùn) 營(yíng)、可管理的網(wǎng)絡(luò)。它實(shí)現(xiàn)了多種寬帶用戶的接入，快速的增值業(yè)務(wù)投放。適用的對(duì)象包 括電信運(yùn)營(yíng)公司、接入服務(wù)提供商( a s p ) 、國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商( i s p ) 。 b r a s 高速地提供大量寬帶用戶的接入，易于快速擴(kuò)容和增加新功能，可支持a d s l 、 c t m s 、l a n 、無線接入等多種接入方式，滿足各種不同類型的運(yùn)營(yíng)商和服務(wù)提供商的需 要。具有簡(jiǎn)單、高效、統(tǒng)一的用戶管理模式，提供靈活的多種多種認(rèn)證、計(jì)費(fèi)和管理方法。 其在通信網(wǎng)中所處位置如圖2 1 所示。 圖2 - 1網(wǎng)絡(luò)功能結(jié)構(gòu)圖 圖2 - 2 顯示了b r a s 的一個(gè)典型應(yīng)用，用戶通過各種接入手段，包括以太網(wǎng)方式 或a d s l 方式接入到b r a s 中，經(jīng)過b r a s 的認(rèn)證之后( 認(rèn)證一般和r a d i u s 服務(wù)器結(jié) 合進(jìn)行) ，用戶可以選擇b r a s 提供的多種上網(wǎng)服務(wù)，如選擇i s p ，或選擇上某個(gè)企業(yè)的內(nèi) 部網(wǎng)，或選擇運(yùn)營(yíng)商提供的特殊服務(wù)，如v o d 等。b r a s 與r a d i u s 配合對(duì)用戶的行為 4 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第二章b r a s 驅(qū)動(dòng)相關(guān)概念與技術(shù) 進(jìn)行計(jì)費(fèi)，如按時(shí)長(zhǎng)計(jì)費(fèi)或按流量計(jì)費(fèi)。 2 2b r a s 的功能需求 圖2 - 2b r a s 的一個(gè)典型應(yīng)用 b r a s 是寬帶接入網(wǎng)的骨干網(wǎng)之間的橋梁，是基于網(wǎng)絡(luò)處理器的分布式系統(tǒng)【3 】，提供 基本的接入手段和寬帶接入網(wǎng)的管理功能。它位于網(wǎng)絡(luò)的邊緣，提供寬帶接入服務(wù)、實(shí)現(xiàn) 多種業(yè)務(wù)的匯聚與轉(zhuǎn)發(fā)，能滿足不同用戶對(duì)傳輸容量和帶寬利用率的要求，因此是寬帶用 戶接入的核心設(shè)備 4 ，5 】。圖2 - 3 與圖2 - 4 為引入b r a s 設(shè)備的典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 引入b r a s 設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 圖2 - 3 引入b r a s 設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第二章b r a s 驅(qū)動(dòng)相關(guān)概念與技術(shù) 業(yè)務(wù) 圖2 - 4 引入b r a s 設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) b r a s 的功能需求簡(jiǎn)介： 用戶管理、認(rèn)證計(jì)費(fèi)、安全等方面的全部功能，如p p p 接入、固定i p 接入、d h c p + w e b 功能、r a d i u s 認(rèn)證計(jì)費(fèi)、防攻擊 支持r i p 、o s p f 、b g p 、i s i s 等動(dòng)態(tài)路由協(xié)議 2 4 ，2 7 】 支持m p l sv p n ( 包括二層和三層) 支持v p d n ，v 1 o 支持l a c 支持各種組播路由協(xié)議 支持限速、d i f f s e r v 、8 0 2 1 p 、優(yōu)先級(jí)隊(duì)列等q o s 技術(shù) 主控板、交換板、電源冗余備份 采用分布式設(shè)計(jì)，用戶接入處理在線卡上終結(jié)，大大提高了系統(tǒng)性能和系統(tǒng)可用性。 2 3 網(wǎng)絡(luò)處理器 當(dāng)前b r a s 已經(jīng)發(fā)展到采取高端路由器內(nèi)核架構(gòu)，而高端路由器內(nèi)核架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù) 是使用網(wǎng)絡(luò)處理器實(shí)現(xiàn)報(bào)文的處理和轉(zhuǎn)發(fā)。本文研究的b r a s 驅(qū)動(dòng)模塊的實(shí)質(zhì)是網(wǎng)絡(luò)處理 器的服務(wù)模塊為網(wǎng)絡(luò)處理器實(shí)現(xiàn)相關(guān)業(yè)務(wù)維護(hù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)處理器與上層業(yè)務(wù)的 報(bào)文交互【6 】。 網(wǎng)絡(luò)處理器芯片是一種可編程器件，主要應(yīng)用于通信領(lǐng)域的各種任務(wù)，如包處理、協(xié) 議分析、路由耷找、聲音數(shù)據(jù)匯聚、防火墻、q o s 等 7 】，是一種 l - j 用于網(wǎng)絡(luò)的專用包處 理器，網(wǎng)絡(luò)處理器一般可以利用軟件或固件對(duì)其編程，從而實(shí)現(xiàn)特殊的用途。網(wǎng)絡(luò)處理器 如同微處理器簡(jiǎn)化計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)一樣，將路由器、交換機(jī)和防火墻等復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的設(shè)計(jì)和 實(shí)現(xiàn)變得常規(guī)化和規(guī)范化。 6 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第二章b r a s 驅(qū)動(dòng)相關(guān)概念與技術(shù) 2 3 1 網(wǎng)絡(luò)處理器的定義與特性 2 3 1 1 網(wǎng)絡(luò)處理器的定義 網(wǎng)絡(luò)處理器是為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)的專用指令處理器( 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 u r e s e tp r o c e s s o r ，a s i p ) 【8 】。a s i p 具有自己的結(jié)構(gòu)特征和專門的電路設(shè)計(jì)以適應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)的分 組處理，同時(shí)它又是一塊軟件可編程的芯片。從功能方面來看，網(wǎng)絡(luò)處理器可以定義如下： 網(wǎng)絡(luò)處理器是具有以下功能的i c ： 1 ) 它具有軟件可編程能力；， 2 ) 它是對(duì)分組處理流程的優(yōu)化，以滿足線速處理的要求： 3 ) 它可以接管很多原來主c p u 完成的控制與管理功能。 2 3 1 2 網(wǎng)絡(luò)處理器的特點(diǎn) 網(wǎng)絡(luò)處理器是新一代的用來執(zhí)行數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)發(fā)的高速可編程處理器，其特點(diǎn)如下： 1 ) 可編程性與靈活性【9 ，1 0 】：網(wǎng)絡(luò)處理器是硬件和軟件的結(jié)合體。硬件方面，網(wǎng)絡(luò)處 理器芯片內(nèi)部部件主要由協(xié)處理單元和網(wǎng)絡(luò)處理單元組成。協(xié)處理單元一般運(yùn)行嵌入式系 統(tǒng)，可編程。網(wǎng)絡(luò)處理單元一般由多個(gè)微引擎單元組成，微引擎單元中采用多線程結(jié)構(gòu)， 具有高速處理大容量數(shù)據(jù)的能力。軟件方面由板級(jí)支持包、嵌入式操作系統(tǒng)、路由協(xié)議軟 件包和偽代碼組成。其中：前三項(xiàng)作用于協(xié)處理單元，板級(jí)支持包記錄協(xié)處理單元需要管 理的硬件信息以及其配置信息，嵌入式操作系統(tǒng)是路由協(xié)議或其他應(yīng)用協(xié)議運(yùn)行的基礎(chǔ)， 協(xié)處理單元通過運(yùn)行路由協(xié)議軟件包可生成并維護(hù)路由表。微代碼運(yùn)行于網(wǎng)絡(luò)處理單元的 微引擎中，主要完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理以及轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)絡(luò)處理器這種軟硬件結(jié)合的方式一方面通 過硬件芯片所集成的多處理單元、多線程結(jié)構(gòu)保證其高速處理能力，另一方面通過軟件所 包含的專用指令集的可編程性保證其靈活性。 2 ) 硬件并行處理能力：網(wǎng)絡(luò)處理器具有豐富的高速i o 接口，如物理鏈路接口、交換 接口、p c i 總線接口等，通過內(nèi)部高速總線連接在一起，使其具有很強(qiáng)的硬件并行處理能 力。 3 ) 可擴(kuò)展性：多個(gè)網(wǎng)絡(luò)處理器可以互連構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)處理器簇，以支持更大型的高速網(wǎng)絡(luò) 處理，適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。 網(wǎng)絡(luò)處理器的出現(xiàn)將硬件的高效性和軟件實(shí)現(xiàn)方案的靈活性結(jié)合起來，將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)數(shù) 據(jù)包的“存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā) 模型變成了“存儲(chǔ)處理轉(zhuǎn)發(fā) 模型，并且還提供對(duì)上層網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行 支持，使高速智能網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的流量控制機(jī)制成為可能。 7 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第二章b r a s 驅(qū)動(dòng)相關(guān)概念與技術(shù) 2 3 2 網(wǎng)絡(luò)處理器的基本架構(gòu) 2 3 - 2 1i n t e li x a 架構(gòu) a ( i n t e le x c h a n g e a r c h i t e c t u r e ) 是i n t e l 公司開發(fā)的用于網(wǎng)絡(luò)處理器產(chǎn)品系列的體系 結(jié)構(gòu)。i n t e li x a 確定了一種以軟件可編程處理器為基礎(chǔ)的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)從傳 統(tǒng)的固定協(xié)議逐漸演變?yōu)榫哂熊浖?jí)功能的可編程系統(tǒng)。i x a 具有強(qiáng)大的包處理能力， 能適應(yīng)高速網(wǎng)絡(luò)中通信服務(wù)的要求。 i x a 架構(gòu)是一個(gè)靈活的全方位框架，也是一套完整的網(wǎng)絡(luò)體系解決方案，涵蓋了軟件 和硬件兩個(gè)部分。硬件部分以i n t e l 網(wǎng)絡(luò)處理器( i x p l 2 0 0 、i x p 2 4 0 0 、i x p 2 8 0 0 等) 為核心， 集成了嵌入式i n t e l 架構(gòu)系統(tǒng)處理器、相應(yīng)的應(yīng)用程序接口( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g i n t e r f a c e ，a p i ) 以及其他主要的i n t e li x a 組件等；軟件方面i n t e l 公司提供了網(wǎng)絡(luò)處理器 軟件的開發(fā)環(huán)境，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的編輯以及仿真調(diào)試。 i n t e li x a 編程架構(gòu)與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)編程架構(gòu)有著巨大的差別。傳統(tǒng)編程架構(gòu)中將數(shù)據(jù)處 理和數(shù)據(jù)包的接受以及其他處理集中在一個(gè)層面。i n t e li x a 架構(gòu)將處理分為以下三個(gè)層面 1 1 】： 1 ) 控制層面：處理各種通信協(xié)議，維護(hù)轉(zhuǎn)發(fā)表及狀態(tài)信息； 2 ) 數(shù)據(jù)層面：包括慢速數(shù)據(jù)通道和快速數(shù)據(jù)通道，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)： 3 ) 管理層面：負(fù)責(zé)系統(tǒng)的管理、統(tǒng)計(jì)、計(jì)費(fèi)等，以及i pq o s 中策略的管理。 數(shù)據(jù)處理層面的存在很大程度上加快了數(shù)據(jù)處理的速度。而控制層面與管理層面將網(wǎng) 絡(luò)系統(tǒng)中的控制信息與管理信息獨(dú)立出來，由專有層面負(fù)責(zé)這些信息的處理，擴(kuò)充了網(wǎng)絡(luò) 系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的處理能力。這種分層的處理方式符合i pq o s 的需求，能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)流量控制的 要求。 在硬件框架上，i x a 體系結(jié)構(gòu)中使用以下的三種關(guān)鍵技術(shù)：i n t e l 微引擎技術(shù)，i n t e l x s c a l e 技術(shù)，以及多線程技術(shù)使i x a 體系結(jié)構(gòu)更高效更靈活。 2 3 2 2 i n t e l 微引擎技術(shù) i n t e li x a 體系結(jié)構(gòu)中包含多個(gè)可編程的、硬件支持多線程的r i s c 處理器，稱為微引 擎( m i c r o e n g i n e ，m e ) 。微處理器可提供每秒l g 的運(yùn)算能力，可用于高速網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù) 包處理，其硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2 5 所示。 8 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第二章b r a s 驅(qū)動(dòng)相關(guān)概念與技術(shù) 來自$ r a m 3 2s r a m 讀傳輸 寄存器 到s r a m 3 2s d r a m 讀傳輸 寄存器 來自s d r a m到s d r a m 圖2 - 5 微引擎結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 微引擎中包含一個(gè)3 2 位的算術(shù)邏輯單元a l u ( a r i t h m e t i el o g i cu n i t ) 和移位器部件，能 夠在一個(gè)周期內(nèi)完成一次a l u 操作及一次移位操作。微引擎中有1 2 8 個(gè)3 2 位通用寄存器 ( g p r ) 分為a 體和b 體，分別連接a l u ，用于存放程序中的數(shù)據(jù)。s r a m 與s d r a m 用于在微引擎和其他部件中存儲(chǔ)傳輸數(shù)據(jù)。 微引擎執(zhí)行指令經(jīng)過五級(jí)流水線：讀指令、指令譯碼、形成源寄存器地址、從源寄存 器地址讀操作數(shù)、執(zhí)行并將結(jié)果寫入目標(biāo)寄存器。微引擎指令和結(jié)構(gòu)針主要是為分組處理 而設(shè)計(jì)的。在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，微引擎主要用于數(shù)據(jù)包的處理，包括：包分類、包頭效驗(yàn)、包 的過濾轉(zhuǎn)發(fā)、路由表查找及隊(duì)列管理等 1 2 】。 2 3 2 3i n t e lx s c a l e 技術(shù) i n t e lx s c a l e 技術(shù)在工業(yè)上提供最高速的能量到性能的轉(zhuǎn)化率，在平面控制的應(yīng)用領(lǐng)域 中提供低動(dòng)力、高密度處理的能力 1 3 】。i n t e lx s c a l e 微架構(gòu)中使用了超流水線技術(shù)，具有 一個(gè)多進(jìn)程且高效的指令級(jí)處理管道架構(gòu)，因此其反應(yīng)時(shí)間小。i n t e lx s c a l e 技術(shù)具有高性 價(jià)比，低能耗的特點(diǎn)。在網(wǎng)絡(luò)處理器體系架構(gòu)中，i n t e lx s c a l e 技術(shù)應(yīng)用在x s c a l ec o r e 上。 x s c a l ec o r e 是i n t e l 網(wǎng)絡(luò)處理器的高層控制及管理單元。主要用于控制面的任務(wù)處理及異 常包的處理，如：路由表等與微引擎共享的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的管理和更新，建立和控制通訊媒介 和交換裝置等，也可用來處理一些要求附加的需要復(fù)雜處理的異常數(shù)據(jù)包。 2 - 3 2 4 多線程技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包之間存在弱相關(guān)性，它們不能被有效的高速緩存在單一處理器的c a c h e 中。 因此，網(wǎng)絡(luò)處理器的微引擎單元采用了硬件多線程技術(shù)( m u l t