網(wǎng)絡系統(tǒng)設計與網(wǎng)絡處理器

網(wǎng)絡系統(tǒng)設計與網(wǎng)絡處理器主講：華蓓實驗室：電一樓（安徽省計算與通訊軟件重點實驗室）電話：3607043Email：bhua@主頁：http:///~bhua課程目標了解網(wǎng)絡系統(tǒng)的主要設計和實現(xiàn)問題了解網(wǎng)絡處理器的體系結構及各種設計考慮了解如何利用網(wǎng)絡處理器的體系結構特點優(yōu)化網(wǎng)絡算法的實現(xiàn)，提高算法性能了解目前通用多核技術的發(fā)展現(xiàn)狀課程主要內(nèi)容網(wǎng)絡系統(tǒng)的包處理功能，及第一代網(wǎng)絡系統(tǒng)的硬件體系結構特點第二代網(wǎng)絡系統(tǒng)的硬件體系結構特點第三代網(wǎng)絡系統(tǒng)的特點以及網(wǎng)絡處理器技術IntelIXP2XXX網(wǎng)絡處理器多核網(wǎng)絡處理器的最新進展通用多核處理器的相關進展高速網(wǎng)絡系統(tǒng)中一些關鍵算法的優(yōu)化實現(xiàn)（在Intel網(wǎng)絡處理器及Intel通用多核架構上）參考教材D.Comer,NetworkSystemsDesignusingNetworkProcessors(IntelIXP2XXXVersion),PearsonPrenticeHall,2006.張宏科等，網(wǎng)絡處理器原理與技術，北京郵電大學出版社，2004.會議論文課程要求了解目前網(wǎng)絡系統(tǒng)設計面臨的主要問題及技術發(fā)展的主要趨勢了解網(wǎng)絡處理器的技術特點學會利用網(wǎng)絡處理器/多核處理器的體系結構特點優(yōu)化算法性能學會使用OPNET網(wǎng)絡仿真工具學習建議關注設計原則，特別是各種因素的權衡考慮關注性能與代價重視實驗及實驗數(shù)據(jù)分析考核與成績計算作業(yè)：閱讀文獻兩個實驗：50分綜述報告：50分評分：作業(yè)按時交，過時不計成績被確認為抄襲的，不計成績滿足基本要求得75%，其余25%是對完成質(zhì)量較好的作業(yè)的獎勵第一章概述為什么要設計新的網(wǎng)絡系統(tǒng)為什么要使用網(wǎng)絡處理器因特網(wǎng)中常見的網(wǎng)絡系統(tǒng)網(wǎng)絡協(xié)議回顧（略）因特網(wǎng)體系結構因特網(wǎng)的設計目標是適應任意的應用和通信技術，事實證明它的設計是非常有效的：

盡管新的應用與最初的應用有著很大的不同，但網(wǎng)絡的主要基礎設施仍然保持不變。新的傳輸媒體和傳輸技術的出現(xiàn)并不要求對協(xié)議或應用做任何改變。

因特網(wǎng)存在的問題如果現(xiàn)在的因特網(wǎng)已經(jīng)有了足夠的能力來支持所有可能的應用，我們?yōu)槭裁催€要設計新的網(wǎng)絡系統(tǒng)？性能：盡管現(xiàn)有的因特網(wǎng)能夠支持任何一種應用，但性能可能不是最好。解決方法是改進網(wǎng)絡體系結構或改進網(wǎng)絡系統(tǒng)設計。擴展性：當鏈路速度和網(wǎng)絡流量進一步提高時，現(xiàn)有網(wǎng)絡系統(tǒng)無法滿足性能要求。解決方法是改進網(wǎng)絡系統(tǒng)的設計來適應更高的流量。本課程討論如何通過改進網(wǎng)絡系統(tǒng)的設計來提高性能。

“網(wǎng)絡工程”與“網(wǎng)絡系統(tǒng)工程”網(wǎng)絡工程：指一個網(wǎng)絡或一個企業(yè)網(wǎng)的宏觀設計（如選擇拓撲結構等）。網(wǎng)絡系統(tǒng)工程：指單個系統(tǒng)（如網(wǎng)橋、路由器等）的設計。網(wǎng)絡系統(tǒng)工程的主要任務是協(xié)議實現(xiàn)，即確保最終的系統(tǒng)能夠正確地與其它系統(tǒng)互操作。網(wǎng)絡系統(tǒng)設計的難點是要找到一種高效的實現(xiàn)方法，使得網(wǎng)絡系統(tǒng)具有高性能（高速度）、低成本和易于維護的特點。

多高的速度是高速度？網(wǎng)絡與鏈路的速率變化局域網(wǎng)：10Mbps，100Mbps，1Gbps，10Gbps，……數(shù)字線路：T1，OC-3，OC-12，OC-48，OC-192……常見的數(shù)字線路標準

T1 1.544Mbps OC-3 155Mbps OC-12 622Mbps OC-24 1.2Gbps OC-48 2.4Gbps OC-192 10Gbps OC-768 40Gbps

目前所謂的高速一般指10Gbps及以上。網(wǎng)絡的性能瓶頸（1）早期網(wǎng)絡的性能瓶頸在鏈路帶寬。目前網(wǎng)絡的性能瓶頸在網(wǎng)絡系統(tǒng)：在過去的10年中，線路速率的增長速度遠遠超過了處理器性能的增長速度。路由器線速轉(zhuǎn)發(fā)的條件越來越苛刻。以10Gbps以太網(wǎng)、最小幀長64字節(jié)為例，線速轉(zhuǎn)發(fā)要求包的最大處理時間為51.2ns。處理器速度：處理一個IP包通常要求1600條以上的RISC指令，若RISC處理器的時鐘頻率為1.5GHz，一個時鐘周期執(zhí)行一條指令，約需要1067ns完成處理。這只考慮了最基本的協(xié)議處理，以及只處理一個端口上的數(shù)據(jù)包。對于N個端口的多端口網(wǎng)絡系統(tǒng)，其集合速率必須是端口速率的N倍。網(wǎng)絡的性能瓶頸（2）內(nèi)存訪問速度：按目前的存儲器訪問技術，一次典型的SRAM讀訪存約需要100ns，一次DRAM讀訪存約需要200ns以上，而包處理程序通常是訪存密集型的（檢查包頭中的域，查各類表，改寫包頭等），處理每個IP包平均需要訪存10次以上。

采用常規(guī)硬件體系結構不可能實現(xiàn)線速轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)絡系統(tǒng)的設計重點高性能網(wǎng)絡系統(tǒng)的主要設計任務是消除各種性能瓶頸：硬件體系結構：通過使用多個處理器（并行）來提高硬件速度提高底層系統(tǒng)的總線能力，避免輸入輸出成為瓶頸軟件：巧妙設計數(shù)據(jù)結構和算法，關注實現(xiàn)細節(jié)第一章概述為什么要設計新的網(wǎng)絡系統(tǒng)為什么要使用網(wǎng)絡處理器因特網(wǎng)中常見的網(wǎng)絡系統(tǒng)網(wǎng)絡協(xié)議回顧（略）網(wǎng)絡處理器出現(xiàn)之前的設計方案軟件方案采用標準的商用CPU（通常為RISC處理器），數(shù)據(jù)包處理用軟件實現(xiàn)優(yōu)點：靈活性好，系統(tǒng)修改和升級容易，保護硬件投資缺點：通用CPU的數(shù)據(jù)包處理能力低下，存儲器瓶頸，指令集不合理（如缺乏比特級操作）硬件方案采用專用硬件實現(xiàn)，如ASIC優(yōu)點：速度快缺點：靈活性差，開發(fā)周期長，成本高這兩種方案之間的討論，是工程上關于性能和靈活性的一個經(jīng)典討論。

為什么使用網(wǎng)絡處理器網(wǎng)絡處理器方案網(wǎng)絡處理器是一種新型芯片，可以提供類似通用CPU的強大編程能力，同時又具有ASIC處理數(shù)據(jù)包的高速度。優(yōu)點：速度快，靈活性好，開發(fā)周期短，保護硬件投資。設計關鍵：適合數(shù)據(jù)包處理的特殊電路、適當?shù)捏w系結構和特定的指令集。第一章概述為什么要設計新的網(wǎng)絡系統(tǒng)為什么要使用網(wǎng)絡處理器因特網(wǎng)中常見的網(wǎng)絡系統(tǒng)網(wǎng)絡協(xié)議回顧（略）因特網(wǎng)中的網(wǎng)絡系統(tǒng)主機：接入因特網(wǎng)并能和因特網(wǎng)上其它計算機通信的常規(guī)主機。

網(wǎng)橋：連接兩個網(wǎng)絡并在兩個網(wǎng)絡間轉(zhuǎn)發(fā)幀的網(wǎng)絡系統(tǒng)。

交換機：連接兩個或多個計算機并在它們之間轉(zhuǎn)發(fā)幀的網(wǎng)絡系統(tǒng)，也稱二層交換機。

VLAN交換機：能夠模擬多個網(wǎng)段的二層交換機。路由器：連接若干網(wǎng)絡并在它們之間轉(zhuǎn)發(fā)分組的網(wǎng)絡系統(tǒng)。三層交換機是路由器的同義詞。

因特網(wǎng)中的網(wǎng)絡系統(tǒng)（續(xù)）防火墻：根據(jù)管理員的安全策略提供安全保護的網(wǎng)絡系統(tǒng)。

虛擬專用網(wǎng)（VPN）網(wǎng)關：利用加密在因特網(wǎng)上提供保密通信的網(wǎng)絡系統(tǒng)。

網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換器（NAT）：安裝在網(wǎng)點和因特網(wǎng)之間用于轉(zhuǎn)換私有地址與全局地址的網(wǎng)絡系統(tǒng)。負載均衡器：安裝在大型Web網(wǎng)站上用于分配Web請求的網(wǎng)絡系統(tǒng)。七層交換機及l(fā)ayer4+switch是負載均衡器的同義詞。機頂盒：與數(shù)字娛樂系統(tǒng)一起使用以允許用戶選擇廣播節(jié)目或請求定制內(nèi)容的系統(tǒng)。

因特網(wǎng)中的網(wǎng)絡系統(tǒng)（續(xù)）流量監(jiān)視器：能夠測量來自或去往一組目的節(jié)點的峰值流量或平均流量的系統(tǒng)。流量管制器：根據(jù)網(wǎng)絡管理員給定的流