發布日期：2022-07-14 點擊率：73
思科系統近日展示了一款新型路由器,該設備在一個定制的40核處理器Quantum Flow上整合了多種網絡服務功能。這名以太網巨頭打算充分發揮其在設計復雜ASIC上的專業技術,以便在50億美元的邊緣路由器市場中超越對手。
一個專用的定制處理器、內含40個Tensilica內核、每個內核能處理4個線程,在考察了思科系統公司的Quantum Flow處理器(QFP)之后,我們明白:多內核設計并非生來都是一樣的。
Quantum Flow處理器把思科在網絡系統ASIC方面的技術水平推到了一個新高度,在某些方面超越了英特爾和SUN的主流服務器CPU技術。分析人員認為,思科這一舉措十分明智,盡管有人抱怨該公司對新芯片框架細節過于諱如莫深。
思科聲稱已投入2.5億美元和長達5年的時間在聚合服務路由器1000(ASR 1000)系列上,其中1億美元用于Quantum Flow處理器的開發。該系列路由器能夠支持多種服務功能,比如防火墻、IPSec安全虛擬專用網(IPSec VPN)、深層數據包檢測(DPI)和會話邊界控制(SBC)等,數據率高達20Gbps。
高度整合換來高性能
“要在運營商級和終端用戶網絡的邊緣提供這些功能,大約需要6個設備。”思科服務提供部門總經理Pankaj Patel表示,“我們的價值主張是:把它們都整合在一個小盒子中,以便降低資本投入與運作支出。”
Juniper Networks和Redback Networks等競爭對手的產品,以及思科現有的7600系列路由器,一般都是在一個底盤上放置多個卡,或者是在一個機架上堆疊若干設備來處理網絡邊緣上日益增多的功能性,International Data公司電信分析師Eve Griliches提到。
“各路由器廠商都紛紛嘗試在一個盒子中整合所有的服務,但事實上迄今卻沒有真正成功過,而市場卻被搞得亂七八糟。把所有的東西都集成在一塊芯片上是正確的一步。思科的一大批競爭對手都將往這個方向發展。”她表示。
這一系統的關鍵是包含13億個晶體管的流處理器,這個80瓦的芯片是由TI采用90nm工藝技術制造的,設計中還采用了思科的專有工具。它所包含的40個Tensilica內核中的任何一個內核都能夠處理多達4個線程,遠遠超過了Sun的65nm Niagara或英特爾的45nm Penryn服務器芯片的RAW線程級并行能力。
“我們曾放眼公司內外,尋找可以利用的技術,但一無所獲。”思科中型路由部門工程總監Nikhil Jayaram表示,“其它架構都是關于數據包處理的,而我們需要的是對狀態化流量進行流處理。”
多核處理器和復雜的聚合路由器被整合在一起,從而構成了目前公共網邊緣上最復雜的通信處理芯片。現在,網絡中心承載的都是大容量的高速啞數據流,而所有的智能都駐留在公網的邊緣,像思科CRS-1這樣的核心路由器不再是高性能網絡處理器的首選平臺。”
思科希望新推的處理器用于范圍廣泛的路由器中,并在數年里可在現場進行升級。但能否在正以兩位數字速度增長的動態邊緣網絡市場獲得成功尚不確定,IDC的Griliches稱。
內核完成的具體任務
對于Tensilica內核到底完成哪些工作,思科公司一直守口如瓶,對此,分析師和競爭者均表示不滿。QFP包含眾多的多線程內核,可以進入到比開放系統互聯(OSI)協議第三層(網絡層)更高的層,完成對互聯協議包進行內部探查的任務(通常稱為深層次包審查)。流處理器看似比商業網絡處理器更具優勢,不過鑒于思科對這款器件的具體細節守口如瓶,現在下結論尚為時過早。
“大多數網絡處理單元(NPU)都仍然主要工作在第2層和第3層,主要是轉發數據包,并沒有做大量的最上層處理事務。”The Linley Group公司分析師Bob Wheeler表示。
這個龐大的Tensilica內核群可用于在第二層和第三層完成較簡單的交換和路由任務,即傳統上由互聯網路由器完成的包轉發任務。由于其中的一些技術源自思科在2004年收購的Procket Networks公司,QFP很可能用于完成許多高于第三層的任務。
確實,QFP的設計者曾在一次新聞發布會上提到,可通過編程讓Tensilica內核完成更深層的包審查,但目前仍不清楚QFP在多大程度上是采用硬連線方式來提供更高層服務的。
我們為什么關心這些問題呢？雙層面網絡處理器可以充當許多角色,包括安全處理器。與之相比,純粹的數據通道處理器可高速且高效地完成包轉發任務,但沒有多少其它功能。
如果QFP可完成許多更高層的功能,則可以用ASR 1000來完成各種入侵檢測和預防任務。思科公司可能在其面向應用的聯網程序中把它作為XML網關的前端來使用。在這些應用中,邊緣路由器將變成實現聯網的利刃。
該戰略可能會進一步使思科與競爭者Juniper網絡公司在路由器架構方面的差異加大。在思科公司推出了CRS-1核心路由器之后,Juniper公司也展示了類似的能力,該公司發布了包含T1600和T Matrix的T系列分布式套件。Juniper公司在前不久還為其路由器發布了一款專用的控制層面的硬件系統——JCS 1200。
F1: 思科Quantum Flow處理器性能對比。
需求推動更復雜處理器的發展
考慮到公共網絡聚集了多個速度高達10Gbps且QoS參數各不相同的服務通道,其邊緣路由器需要完成多種不同類型的任務。因而,即使是規模較小的路由器也需要使用非常復雜的處理器。
英特爾和Cavium Networks都已設計出了10G網絡處理器,性能功能接近思科的產品。英特爾IXP 2800采用了16個可編程內核,可在卡上運行服務程序。新創公司Netronome正在開發一款20G產品。
Cavium的Octeon采用了16個MIPS內核,能夠處理第4-7層的某些服務任務。它帶有一個嵌入式模式匹配引擎,但需要片外TCAM來進行數據包分類。“對于思科,挑戰在于如何把一個多核處理器轉變為網絡處理器。”Jayaram指出。
面向服務器的多內核型多處理器大多數(如果不是全部)是專門用于完成控制層面的操作,與之相比,思科公司的QFP更像是Cavium公司Octeon處理器的超大尺寸版,它的眾多內核既完成控制平面的任務,也完成與數據路徑有關的任務。
思科有100多位工程師參與這個設計項目,其中一些曾在AMD、Cyrix、英特爾和Sun擔任過微處理器設計師,也有部分工程師來自思科的CRS-1內核路由器設計團隊。這個項目組把思科的具體芯片設計推到了一個前所未有的高度。他們致力于電路設計和內存設計,自行完成芯片版圖和RTL設計,甚至自己設計封裝,創思科另一先河。
“我們最大的挑戰之一是信號完整性,而封裝對其影響舉足輕重。”Jayaram表示,“設計拙劣的封裝在功率和信號完整性方面會讓你頭痛不已,但從信號完整性的角度來看,我們的基板幾乎是沒有影響的。”
保持這個處理器反饋是另一個難題。思科選擇了一種平面存儲模型,利用第二代低延遲DRAM的多個信道和芯片內的多個存儲模塊。
“我猜想我們比其它技術使用了更多的片上和片外存儲。”Jayaram稱。
和某些采用TCAM(電信存取方法)分段存儲庫和其它存儲結構的網絡處理器相比,這種系統DRAM平面模型更便于器件實現簡單的C代碼編程。
該芯片的每內核支持多達4個線程,故能夠彌補通信處理器因需要多次存儲訪問而產生的延遲的一部分。大多數計算機處理器每核只采用2個線程。
選擇Tensilica而不是MIPS 或 ARM作為內核供應商曾是很冒險的決策。“它們相當類似,但當你深入了解網絡處理的真實細節時,會發現Tensilica架構具有某些優勢。”Jayaram提到。
這些內核鏈接在一個高效高性能交叉開關上,他表示。使用40多個內核的處理器一般轉向更復雜的結構,比如網格。
在外部,該芯片帶有4個10Gb的SPI 4.2端口,利用思科一項專有技術鏈接兩個互連,可以實現數據率高達20Gbps的流量進出。該芯片的下一代版本將采用一種Interlaken互連衍生技術,流量進出芯片的速率將能達到40Gbps。
該芯片適用于樹查找、哈希函數和大帶寬/低延遲訪問DRAM等關鍵通信任務。它的主要秘密武器在于采用了復雜的算法來靈活處理各種不同的內容流,比如其中部分可以直接通過,其它的被逐條處理。
板上的其它ASIC包括一些數據幀和常見小部件。思科在它的IOS路由器軟件上增加了一個虛擬層,這樣無需多個流處理器就可以提供系統容錯冗余。
思科已為這一新路由器申請了42個相關專利,其中大部分是關于處理器的。
網絡流量的快速上升將推動對新系統的需求,思科表示。該公司估計,全球IP需求將從2007年的每月7EB(exabyte)增長到2011年每月29Eb,其中部分增長來自于消費類視頻,2011年的數字比2000年美國互聯網主干網的流量總量大1,100倍。
該公司的新路由器受到了多家終端用戶或潛在用戶的支持,其中包括漢莎航空和金融公司Wachovia。思科在一次新聞發布會上曾引用一位電信高管的話,稱路由器代表著未來運營商級網絡所需要的一類設計。
“我們認為在網絡邊緣必需執行動態質量控制,以便靈活且安全地實現寬帶服務和融合通信流量的匯聚。”Nippon Telegraph and Telephone公司執行副總裁Shin Hashomoto在一次特別聲明中表示。
盡管ASR 1000包含了這種壯碩的QFP,但也并未取得可漫天要價的地位。鑒于思科公司已經在夸耀其兩插槽ASR1000的價格優勢(起始價格為3.5萬美元),該公司可能已經做好了打價格戰的準備。
思科公司的ASR 1000及其QFP處理器的推出,使得業界在路由分配方面看到兩點傾向。其一,邊緣路由器仍將比核心路由器更多地需要多層處理,盡管40和100Gbps的高速鏈接可能最先將在核心路由器中實現。其二,在什么程度上把控制層面和數據路徑的功能結合到龐大的單個ASIC中,或在更為模塊化的系統中把它們分配到多個刀片中,可能會取決于思科公司和Juniper公司在邊緣路由器方面傾向采納的經濟模式。
作者:麥利 衛玲
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