探讨网络处理器与CompactPCI功能

　　在目前的市场中，网络处理器（Network Processor，简称NP），根据国际网络处理器会议（Network Processors Conference）的定义：网络处理器是一种可编程器件，它特定的应用于通信领域的各种任务，比如包处理、协议分析、路由查找、声音/数据的汇聚、防火墙、QoS等。网络处理器器件内部通常由若干个微码处理器和若干硬件协处理器组成，多个微码处理器在网络处理器内部并行处理，通过预先编制的微码来控制处理流程。而对于一些复杂的标准操作（如内存操作、路由表查找算法、QoS的拥塞控制算法、流量调度算法等）则采用硬件协处理器来进一步提高处理性能，从而实现了业务灵活性和高性能的有机结合。

　　这篇文章会带领读者看看一些由国际PICMG协会（PCI Industrial Computer Manufacturers Group）所订定的规范在网络处理器的领域有何代表性应用，我们会以ATM转换IP的应用来当做范例。PCI（Peripheral Component Interconnect）一种由英特尔（Intel）公司1991年推出的用于定义局部总线的标准。此标准允许在算机内安装多达10个遵从PCI标准的扩展卡。早提出的PCI总线工作在33MHz频率之下，传输带宽达到133MB/s（33MHz * 32bit/s），基本上满足了当时处理器的发展需要。随着对更高性能的要求，后来又提出把PCI 总线的频率提升到66MHz，传输带宽能达到266MB/s。1993年又提出了64bit的PCI总线，称为PCI-X，目前广泛采用的是32-bit、33MHz或者32-bit、66MHz的PCI 总线，64bit的PCI-X插槽更多是应用于服务器产品。从结构上看，PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的总线，具体由一个桥接电路实现对这一层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。管理器提供信号缓冲，能在高时钟频率下保持高性能，适合为显卡，声卡，网卡，MODEM等设备提供连接接口，工作频率为33MHz/66MHz。

　　[网络处理器数据的传输接口]

　　在标准的CompactPCI平台运用网络处理器时，项挑战是如何处理网络处理器的数据传输接口，网络处理器一般是以封包为基本接口来连接各实体层的装置，普遍的传输接口包括UTOPIA（Universal Test and Operations PHY Interface for ATM）、POS-PHY（Packet Over SONET PHYsical）及SPI-3（System Packet Interface level 3）。

　　读者会发现，网络处理器对于主数据传输路径的接口形式与传统CompactPCI板卡使用的PCI总线是非常不同的。早期就采纳CompactPCI作为网络处理器的人士认定，未来必须要提供一个可支持封包数据传输的弹性接口。

　　下图是使用Intel IPX2400的范例，说明规划时可能要处理的一些接口。请注意，许多网络处理器允许接口被设定成可支持多种不同的传输，以下只是其中一种可能的设定范例。

　　在上面这个例子中，Utopia总线会连接到一个ATM实体层的装置，且为了考量IP流量，SPI-3接口会连接到两个以太网络的实体层。我们可使用I/O Mezzanine以提供ATM实体层的连接，让这些实体层更具灵活性。

　　[I/O Mezzanines]

　　CompactPCI 以及 VME板卡的研发人员，常使用PMC插槽作为提供额外I/O扩充力的方法，PMC可附加在板卡上，以扩充板卡的I/O 酬载。典型的PMC包含了大量储存装置、网络，以及一般的I/O。

　　PMC的规格是以PCI总线担任板卡与PMC模块间的接口。选择PCI为接口是因为PCI相当普遍：几乎任何你渴求的I/O功能都可在PCI接口上找到。PMC接口对CompactPCI 以及 VME市场提供了相当大的助益，但却缺乏了网络处理器所需、以封包格式传输数据的接口。

　　在2001年8月，PICMG协会提出了PICMG 2.15 PCI Telecom Mezzanine Card （PTMC）的规范，这项规格不但打算支持四个普遍的工业规格电信总线接口 （H.110、Utopia Level 2、POS-PHY与RMII），且支持现有的32及64位PCI总线。在2002年底，PICMG协会发表了PICMG 2.15的工程改变需求通知，这份工程改变需求通知，透过将以太网络扩充力由4个增加到7个，来提高TDM 及UTOPIA配置法的数量。

　　PICMG 2.15 委员会必须局限在PMC规格中可用的一些pin脚中规划，他们需要先明文订妥PMC的规格配置以及脚位使用的定义，还需要重新定义过去使用的64位PCI接口的前32位，以限制PTMC新的I/O扩充力符合32位接口。

　　当使用PTMC时，验证PTMC与它要插上的载板是否支持相同的配置法是很重要的。下表定义了一些PTMC版卡可用的配置法：

　　PTMC以及载板的能力是根据它的配置形式来决定的。举例而言，一个PTMC及载板支持「配置5 （Configuration 5）」（两个以太网络及32位PCI接口）会称为PT5MC，而载板则被称为PT5CC。

　　我们来看看下面PT4MC的区块图。这张图提供了四个OC-3的界面，同时使用Utopia level 2来互相联系网络处理器。

　　在这个例子中，Utopia总线是封包传输的主要数据传输路径，PCI总线是用来设定与控制IXF6012，透过使用了PTMC，设计工程师可提供各种连接到网络处理器的实体层更多弹性。

　　[PICMG 2.16]

　　在这篇应用的下一段是关于IP数据传输。基于系统容错备援的概念，这个IP传输应该要具有以太网络的备援，以及足够处理所需流量的频宽。

　　在2001年9月，PICMG协会认可了PICMG 2.16 Packet Switched Backplane规格，这份规格定义了CompactPCI板卡可透过双重 10/100/1000Mbit以太网络互相连系。与PICMG 2.16兼容的系统已经运用在多种应用领域中，而以太网络联系的本质以及IP封包传输的需求。

　　下图表达的是IP联机的架构。值得关注的是，这个范例已经将PCI总线从CompactPCI系统中移除。可预见的，整个产业已经开始由PCI转变为可联机并处理IP流量的平台，下面是个可能的成品范例。

　　在创造一块可将ATM转换为IP的CompactPCI板卡时，有的人可能会想要在过去讨论过的内容之外，再一些有弹性的功能。在许多里，一些应用或许需要一般额外的运算能力以处理异常的封包，而只要增加一个额外的PMC 插槽来支持处理器的PMC卡即可。为了测试，有的使用者可能想要透过板卡前端来存取IP流量，有些板卡前端的以太网络接头，可能只用来发送 IP流量。在这个中，PTMC将不会派上用场。下面的区块图，会呈现一个有弹性、一般用途的网络处理器刀片。

　　[总结]

　　网络处理器的部分就讨论到这边，工业标准存在至今且目前使用在需要操作或路由封包数据的应用中。一些合用的标准包括了PICMG 2.0 CompactPCI规格、PICMG 2.16 Packet Switched Backplane规格，以及PICMG 2.15 PCI Telecom Mezzanine Card规格。

　　在这个范例中，ATM 封包（cell）可透过PTMC卡上的系统讯框器 （framer）来缓冲，PTMC与网络处理器板卡使用Utopia level 2在彼此间传输数据。以太网络转辙器与实体层为PICMG 2.16 的IP流通提供了备援的连结。接下来，这篇文章遗失的那块拼图是自动保护切换 （Automatic Protection Switching，APS）。大多数处理ATM的应用在卡片层面都需要有备援装置，这需要两块网络处理器板卡共享彼此的状态信息。