ARM系列处理器IXP1200在网络中的应用！

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mons 发表于 2006/1/26 10:46:08 1829 查看 1 回复 [上一主题] [下一主题]

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　　目前，网络处理器已越来越多地应用于宽带网络产品的开发中，例如在开发高速、高智能的交换机、带宽管理设备和路由器等网络设备中都已用到。

传统的网络设备通常是利用基于ASIC的芯片开发的，此种芯片需要多达一年半的开发时间，开发周期长。另外，ASIC芯片是一次性芯片，其功能特性是通过硬连接完成的，升级产品时需重新设计ASIC芯片，升级周期漫长。网络处理器在设计上与PC机中使用的精简指令系统计算处理器的设计很相似，它是软件可编程的，升级时只需更改相应软件即可。所以与选用基于ASIC的芯片相比，选用网络处理器开发相同的设备时，产品具有基于软件的设备升级功能并，可以将产品升级时间缩短一半，既节省了费用，又提高了产品的竞争力。

2. IXP1200网络处理器

　　IXP1200是英特尔公司的网络处理器，它具有强大的并行处理能力，常用于开发高速数据操作设备，例如边缘路由器、以太网交换机、多业务接入平台。

　　IXP1200功能框图如图1示。IXP1200由一个StrongARM微处理器和6个可编程多线程32位RISC微引擎组成，具有高于1Gbit/s的高速处理能力（可支持16个10/100Mbit/s快速以太网口）。StrongARM微处理器运行BSP、驱动程序、实时操作系统、路由表维护及上层应用程序，完成地址学习、转发（forwarding）表的生成与维护和网络管理等任务。微引擎具有替代高速ASIC完成其任务的能力, 可进行数据流输入/输出、打包/拆包、分类、快速查表、转发等实时处理。IXP1200采用FIFO队列和事件任务信令去除IX、PCI、SDARM、 SRAM与执行管道的联系，从而使微引擎与memory的访问、等待相隔离，以得到最大的吞吐量。IXP1200利用硬件完成旗语机制和线程级支持，实现微引擎线程间的零开销转换。每个微引擎最多可分配4个线程级任务，单个IXP1200总共有24个线程。多个IXP1200可串行、并行、串/并联合，以支持不同的应用。

　　StrongARM Core 微处理器是一个32-bit RISC处理器，它包含16k字节指令高速缓存、8k字节数据高速缓存、512字节一次使用数据高速缓存及读/写BUFFER。StrongARM Core与6个微引擎组合，每秒可完成3百万个以太网数据包的转发。

　　6个32bit多线程微引擎可独立完成数据的移动和处理，无需StrongARM的支持。每个微引擎有四个线程，各线程使用的加载程序可相同亦可不同。各线程有自己的程序指针、控制/状态寄存器、信令事件寄存器和事件唤醒寄存器。微引擎从一个线程转换到另一个线程为零开销。微引擎的ALU和移位器在一个周期内同时完成算术逻辑运算和移位操作。每个微引擎含有大量的存储单元和寄存器：1k字节的可编程控制存储器区(1024×32bit，1k条)用以存储微码程序指令；128个32bits传输寄存器服务于SRAM和SDRAM接口单元；128个32bits的通用寄存器。

　　FBI Unit 对IX Bus所接的高速周边设备提供服务，内含IX Bus驱动、接受器，收发FIFO、FIFO控制器和状态寄存器（CSRs），以及4k字节的暂存RAM等。

　　SDRAM Unit 为64bit的接口，最多可接入256M bytes的SDRAM 。接入的SDRAM用于存储转发信息和发送队列。SDRAM接口单元完成命令解码和数据读写。读写对象可以是SDRAM单元、传送寄存器或FBI中的收、发FIFOS。

　　SRAM Unit 为32bit的接口，可接入8 M bytes的SRAM和8 M bytes的BootRom。其所控制的SRAM用于存储查询表和微引擎处理的数据包。另外，该接口单元还支持存储映射I/O设备，并提供2M bytes外部设备接入地址空间。

PCI Unit为PCI接口设备提供32bit PCI (V2.2标准)接口，可接入主机和MAC设备，其工作频率为0~60MHz。该单元支持3个PCI Bus主用设备的逻辑仲裁,具有PCI智能I/O、2个DMA通道及4个24bit定时器。当工作频率高于33MHz时， PCI Unit只能支持两个PCI设备：IXP1200和另一个PCI设备。超过两个时应使用PCI-PCI桥。

3. IXP1200应用方案

　　3.1 面向网络安全解决方案产品开发

ATM/IP 桥接板利用IXP1200实现ATM/Ethernet接口转换。应用于仅具有ATM网络接口的网络设备中，可实现该类产品的IP上行接入。

　　3.11硬件实现 ATM/Ethernet接口转换电路框图如图2示。

　　图2中各芯片作用如下：

　　● IXP1200完成系统管理、ATM信元/以太网帧的转发。

　　● IXF440通过IX总线与IXP1200相连，用于提供以太网MII MAC 口。IXF440有8个独立的10/100Mbit/s 以太网MACs，每个MACs含有2×256字节的FIFO用于包收发。IXF440能处理SNMP和RMON(Remote Monitoring management )计数器设置。IXP1200通过IXF440的CPU接口对其访问。

　　● LXT971是一个高性能的10M/100M铜线传输以太网收发器，工作于100M方式。支持MII接口连接。

　　● IXB8055是FPGA专用芯片，用于实现IX Bus/UTOPIA 2数据转换。IXB8055内含少量FIFO用于暂存总线接口之间转发的信元或数据包，IXP1200可对IXB8055的收、发FIFO进行读、写。

　　IXP1200的最大业务量包括ATM口的155M和以太网口的2×100M,共为355M。为满足355M的吞吐量, IX Bus选择分离的32bit收发模式，工作频率为20MHz，提供640Mbit/s的总线带宽（高于355M）。SRAM用于存储查询表，SDRAM用于暂存净负荷数据包。

　　IXP1200启动时，首先从Flash导入RTOS(实时操作系统)，然后复位各功能块，把FLASH中的程序传入微引擎并运行。

3.12 软件开发需求

开发ATM/IP 桥接板时，需要用到实时操作系统（如：VxWorks嵌入式操作系统），并开发其它软件。

　　● 实时操作系统（RTOS） StrongARM Core处理器核需要运行RTOS以完成系统控制初始化，提供运行多种通信协议的平台。利用RTOS在数据平台（微引擎）和控制平台（StrongARM）之间提供驱动接口。

　　● 快速数据通道处理软件用于微引擎管理IX总线上的数据流，以线速转换、处理以太网数据帧和ATM信元。

　　● 通信协议栈RFC 1755等。

　　3.2 面向宽带网络安全解决方案的应用

3.21硬件实现

利用IXP1200实现的边沿路由器硬件框图如图3示。

　　图3所示边沿路由器为ISP快速以太网提供WAN接入，特点如下：

　　● 8个10/100Mbit/s快速以太网口；

　　● 1个622光纤WAN接口；

　　● 完成第三层IP交换，支持主要的路由协议；

　　● 外部网管支持远端WAN接入;

　　● 快速以太网管理口支持简单网络管理协议（SNMP）.

　　图3中各芯片作用如下：

　　① IXP1200 完成系统管理、路由/网关协议和Ethernet/IP包处理。StrongARM核及6个微引擎工作频率均为200MHz。

　　② IXF440 提供8个10M/100M以太网MII MAC口,并通过IX总线与IXP1200相连。

　　③IXF6012 是同步光纤网（SONET）成帧器，传送ATM信元和HDLC帧。IXF6012提供POS-PL3（Packet over SONET PHY Level3）接口或标准的Utopia接口，可操作于单OC-12c或4 OC-3c模式。图3中IXF6012工作于OC-12c POS-PL3模式。

　　④ LXT9763HC 提供4个MII以太网口。

　　⑤ 82559ER 以太网控制器是一个10/100Mbit/s双绞线以太网控制器，为IXP1200提供系统管理口。

　　⑥ IX Bus to POS-Utopia桥用于IXP1200与IXF6012通信。该桥具有32位的通道，工作在104MHz。该桥的FIFO太小，不能保持大的数据包，应用时必须配置运行?quot;数据包模式"，其存储转发以64字节为基础。

　　⑦ 主机完成以太网接口间L2/L3路由的选择,并完成经过光纤网的第三层路由选择。

　　（2）软件开发需求

　　① 实时操作系统VxWorks。

　　② 快速数据通道处理软件用于微引擎管理IX Bus上的数据流量，处理POS和以太网数据包，完成快速查询，以线速度路由数据包。

　　③ 通信协议栈设计边沿路由器需用以下协议：

　　● RFC791IP 互联网端到端地址查询协议。

　　● RFC1812 IP 路由器需求描述。

　　● RFC1256 ICMP 在IP环境下相互间发送错误信息的网间控制信息协议。

　　● RFC783 TFTP 在用户自带寻址信息协议（UDP）头上传送文件的协议。

　　● RFC951 BootP 定义计算机在TCP/IP网络上如何得到自己的IP地址和其他信息。

　　● RFC 854 Telnet 终端仿真协议，使用户连接远端网络。

　　● RFC 1769 SMTP 简单的邮件传输协议。

　　● RFC 2068 HTTP 超文本传送协议。

　　● RFC1661 PPP 点到点协议，传送自带寻址信息多协议的标准方法。

　　● RFC 1058 RIPv1 路由器之间共享查询表的路由信息协议。

　　● RFC 1723 RIPv2 识别子集，IP地址扩展(给指定网络扩展主机数目)的RIP新版本。

　　● RFC1583 Open Shortest Path First 协议。

　　● RFC1771 BG4 Boder 网关协议。

　　● RFC 1902 SNMP。

4. 开发应用前景分析

　　基于IXP1200网络处理器开发平台在网络安全设备/通信检测设备/网络交换、接入设备/多媒体信息网关/ 智能Web交换机等方面上的开发与应用，其前景无限广阔：

网络安全设备：企业级用户的网络安全产品市场是目前最大的安全产品市场。据统计，仅以使用防火墙为例，目前联入Internet网的计算机就有1/3处于防火墙的保护之下；另外，密码保护也是一个十分有效的途径，使用加密算法和协议来作身份认证和数据加密。目前市场最有前景的几类安全设备是VPN网关、病毒扫描安全网关、线速入侵检测设备，包括网络加密解密运算。由此可见，网络处理器在网络安全设备领域具有极强的优势。我们开发的基于IXP1200网络处理器开发平台完全适合目前几种典型的网络安全应用，具有较大的市场空间和发展前景。

通信检测设备：通信检测设备市场是伴随着移动通信和互联网的发展而成长起来的。通信检测设备主要以协议分析为主，例如GPRS、GSM、CDMA的设备检测，另外，光通信检测设备也发展迅速。这些通信检测设备需要复杂的处理和分析机制，需要密集计算和快速转发的硬件支持，同时还需要多种硬件接口。基于IXP1200网络处理器开发平台可以为这类设备提供完整的解决方案，设备开发商可以快速的一次平台为基础，将其高层应用移植到平台上，大大的缩短了开发周期。

网络交换、接入设备：第三层交换机作为企业组建安全、高可用性网络的重要组成部分而持续保持高速增长态势，尤其是刚刚启动的千兆以太网市场，具有很好的市场前景。这些网络设备可以借助IXP1200软硬件参考设计平台快速的开发出新产品，大大的缩短了设计和生产周期。更为重要的是，IXP1200的系统架构和处理性能可以确保产品的多层交换能力和更高的线速处理能力。

多媒体信息网关：越来越多的多媒体应用通过网络进行传输，例如语音、传真、视频会议以及DVB（数字电视广播）等应用。相应的标准如多媒体通信协议（H.323）和多媒体网关控制协议（MGCP）已经得到了工业界的认可。将这些多媒体应用进行相关协议转换和传输的网关设备会随着多媒体数据的日益增多而出现更大的市场需求。IXP1200软硬件参考设计平台可以为这类产品提供完整的解决方案，包括网络接口定义、协议转换处理等等。

Intel IXP1200网络处理器的性能优势就在于它能够快速的、海量的处理网络数据，并同时对数据进行筛选、组合、协议转换和分发，这对于多媒体网关来讲，无疑是最合适的。多媒体网关是MGCP中的关键设备。一般来说，多媒体网关的关键应用是在不同网络间提供媒体的映射或编码转换功能，比如把从PSTN来的64Kbps话音流压缩成低速率的IP包交给IP网络，并对从IP网络到PSTN的数据包进行相反的操作。这正要求快速的、大量的数据的实时处理，而对于这种处理，IXP1200开发平台提供的所有功能完全满足需要，用户几乎不用更改硬件设备就可以开发出自己的高性能的产品。

智能Web交换机：随着Internet的发展，多媒体内容在网上的发展非常迅速，RTSP（实时流协议）、VoIP（IP语音）协议在客户端和服务器之间利用不同的信道传送控制信息和数据流。另外，随着电子商务的发展，大量的加密数据的处理也需要消耗服务器大量的CPU时间。为正确将这些复杂的实时应用和诸如SSL的密码处理程序路由到适合的服务器，流量管理设备必须解析控制信道中传输的内容以为数据信道析取出动态Socket，令相关的控制和数据信道可作为单一个逻辑会话进行处理。

　　针对这些问题，Web交换技术正逐步走向基于内容的（第7层）的智能交换功能。内容智能交换逐渐成为新互联网数据中心基础设施的指定传输管理服务，它们能让电子商业机构为新的商业需求架构其服务器及应用程序体系结构，并快速作出反应。针对固定的网络协议进行智能化的进行网络流分发，提供QoS服务，也可以作为IXP1200的一个不错的用武之地。

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