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思科QuantumFlow處理器與ASR1000路由器成就多業(yè)務(wù)匯聚網(wǎng)絡(luò)

2012/02/13

　　CTI論壇(ctiforum)2月13日消息（記者浩宇):以移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算為代表的新技術(shù)，帶動信息通信業(yè)務(wù)創(chuàng)新節(jié)奏加快，通信終端越來越多，接入方式也趨于多樣化，全球可用的存儲、帶寬、計算和信息系統(tǒng)正在呈現(xiàn)爆炸性增長。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)通常為了滿足日益復(fù)雜的業(yè)務(wù)需求，需要部署大量的專有業(yè)務(wù)設(shè)備，使得網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜。隨著企業(yè)和運營商對于業(yè)務(wù)智能化的需求越來越高，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)早已不再只是一個網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)一種業(yè)務(wù)，融合成為必然的趨勢，新一代企業(yè)網(wǎng)需要具備整合的云連接、應(yīng)用感知、更全面的安全及統(tǒng)一策略控制等能力來更好的支撐企業(yè)傳統(tǒng)業(yè)務(wù)及新業(yè)務(wù)。

　　思科ASR1000系列路由器是耗資2.5億美元, 耗費5年時間研制成功的一款匯聚多業(yè)務(wù)路由器, 作為思科無邊界網(wǎng)絡(luò)（Cisco Borderless Network）的重要組件, 思科ASR 1000 系列匯聚服務(wù)路由器通過提供業(yè)界領(lǐng)先的性能、服務(wù)容量以及可信賴的緊湊結(jié)構(gòu)，為服務(wù)提供商和企業(yè)打造了一個堅固的多業(yè)務(wù)匯聚網(wǎng)絡(luò)邊界。

　　業(yè)務(wù)至上—QuantumFlow 處理器解析

　　思科在多年前已經(jīng)意識到，在網(wǎng)絡(luò)的邊界隨著新技術(shù)的使用，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)處理器設(shè)計將無法滿足日益多樣化的業(yè)務(wù)需求。通用處理器（CPU）雖然可以靈活的通過軟件編程實現(xiàn)新的業(yè)務(wù)，但缺乏流量優(yōu)先級管理機制，并且轉(zhuǎn)發(fā)效率相對較低，而傳統(tǒng)的多核心網(wǎng)絡(luò)處理器雖然能夠提供很高的吞吐量，單由于使用微碼編程并且受制于微碼空間的限制無法進(jìn)行靈活的報文處理，相對固定的流水線無法靈活的處理業(yè)務(wù)。

　　思科為這款處理器投入了一個接近600人的世界一流的開發(fā)團(tuán)隊，耗時5年開發(fā)完成這款QuantumFlow處理器，它將網(wǎng)絡(luò)處理器技術(shù)推向了一個新的高度。它是一個具有高性能轉(zhuǎn)發(fā)能力同時又兼?zhèn)潇`活的業(yè)務(wù)處理能力、大規(guī)模并行處理并集成多種業(yè)務(wù)和流量管理的高速網(wǎng)絡(luò)處理器。它是業(yè)界第一款完全集成的可編程大規(guī)模多核心并行流處理器，集成了QoS和先進(jìn)的內(nèi)存管理機制并同時提供集成的多業(yè)務(wù)編程和業(yè)務(wù)交付能力。

　　QuantumFlow處理器架構(gòu)：

　　Cisco QuantumFlow處理器視頻簡介
http://www.cisco.com/assets/cdc_content_elements/flash/netsol/sp/quantum_flow/demo.html

　　多核心并行處理

　　第一代QuantumFlow處理器（QFP）使用90nm工藝， QFP擁有40個定制QFP數(shù)據(jù)包處理引擎(PPE)，每個PPE支持4個執(zhí)行線程。利用多達(dá)160個并行運行的獨立處理器線程，平均每線程功耗僅0.51W，遠(yuǎn)低于業(yè)界平均水平。同時QFP提供了一個高速的多核互聯(lián)總線，確保每個內(nèi)核都能及時快速的訪問到相關(guān)的資源，并且能夠避免在不夠先進(jìn)的硬件架構(gòu)中常見的CPU過度使用和超長延遲問題，而傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)處理器架構(gòu)僅有少量的內(nèi)核，因此需要使用交換矩陣或總線將多塊網(wǎng)絡(luò)處理器互聯(lián)才能達(dá)到和QFP相同的處理速度，其功耗遠(yuǎn)高于QFP系統(tǒng)，而多塊網(wǎng)絡(luò)處理器資源互相訪問將會帶來大量的數(shù)據(jù)包延遲。

　　
　　例如在運行SBC業(yè)務(wù)時，單塊QFP可以并發(fā)處理68,000個語音流，其語音轉(zhuǎn)發(fā)延遲僅56微秒(56 microseconds), 而另一個廠商的分布式平臺則需要使用3個業(yè)務(wù)板卡通過交換網(wǎng)互聯(lián)，共計六塊傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)處理器才能達(dá)到相同的語音流處理能力，同時轉(zhuǎn)發(fā)延遲高達(dá)1毫秒。

　　先進(jìn)的內(nèi)存管理機制

　　QFP具有非凡的計算能力，在設(shè)計上采用了一個先進(jìn)的內(nèi)存管理架構(gòu)，能夠為其創(chuàng)新功能提供出色的支持。憑借高速、多級命令緩存，QFP能夠快速地訪問必要的代碼，以便向任意數(shù)據(jù)包提供多項服務(wù)。

　　傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)處理器為了優(yōu)化報文分類和處理速度并節(jié)省內(nèi)存訪問帶寬，通常僅訪問數(shù)據(jù)包頭以獲得較高的轉(zhuǎn)發(fā)吞吐量，當(dāng)這類處理器進(jìn)行深度數(shù)據(jù)包檢測（DPI），防火墻，網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT），Netflow等復(fù)雜操作時，將會對性能造成不良影響。

　　QFP的PPE能夠訪問整個數(shù)據(jù)包，雖然在僅進(jìn)行簡單轉(zhuǎn)發(fā)時報文處理速度稍低，但在并發(fā)部署多項高級服務(wù)時，性能并沒有明顯的下降。

　　引用《網(wǎng)絡(luò)世界》評測實驗室曾在《軟硬兼施，應(yīng)對2.0 挑戰(zhàn)》一文中描述過QFP-10G的處理性能描述：

　　簡潔高效的編碼能力

　　QFP是一款完全的基于C代碼編程的網(wǎng)絡(luò)處理器，與傳統(tǒng)的基于微碼編程的網(wǎng)絡(luò)處理器相比， QFP可以更快的更好的實現(xiàn)新的業(yè)務(wù)。并可以完成對多種復(fù)雜業(yè)務(wù)的硬件加速處理，例如對BFD的硬件加速可以支持多達(dá)4,000個會話50ms的檢測，并且QFP處理器占用率僅2%，而在對SBC接入用戶快速注冊的加速處理中，可以使得SBC功能可以滿足多達(dá)720,000 IP電話終端注冊。

　　同時由于QFP對整個報文是可以見的，因此QFP還提供DPI流量控制功能，通過靈活的代碼編寫能力，QFP支持對多達(dá)1200種協(xié)議進(jìn)行深度檢測并進(jìn)行報文分類和統(tǒng)計，統(tǒng)計信息直接通過QFP輸出為Netflow格式日志報文，并配合靈活的QoS隊列服務(wù)，實現(xiàn)了對用戶對網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用感知和控制(Application Visibility and Control, AVC)。

　　靈活的QoS處理能力

　　QFP提供了一個非常靈活的流量管理引擎，它有128,000個邏輯隊列，用戶能按任意層次結(jié)構(gòu)對其進(jìn)行分配，從而實施一個先進(jìn)的分層流量管理系統(tǒng)，允許在一個數(shù)據(jù)包一次穿越ASR1000時應(yīng)用多達(dá)5級的QoS調(diào)度，并且QFP還可以在多個信道上監(jiān)控每秒數(shù)百萬個事件，并配合NBAR等多種應(yīng)用識別工具，使其成為當(dāng)今業(yè)界最準(zhǔn)確最靈活的流量控制引擎。

　　靈活的處理流水線

　　傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)處理器使用固定的流水線結(jié)構(gòu)，使得在多種業(yè)務(wù)疊加時，不同的業(yè)務(wù)都要經(jīng)過一個冗長的報文處理流水線，極大地影響了報文處理延遲和整機吞吐量。當(dāng)需要增加新的業(yè)務(wù)時，通常需要很長的時間來修改整個流水線。

　　QFP可以為不同的業(yè)務(wù)類型提供靈活的流水線結(jié)構(gòu)，節(jié)省了計算資源的消耗并同時降低了整機的報文延遲。并伴隨著這種靈活的流水線結(jié)構(gòu)使得多種業(yè)務(wù)可以快速的疊加在原有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下。

　　平衡之美—ASR1000架構(gòu)淺析

　　集中式還是分布式

　　通過采用業(yè)界首款可擴(kuò)展可編程型應(yīng)用感知網(wǎng)絡(luò)處理器 Cisco QuantumFlow 處理器，無需額外板卡，支持的服務(wù)包括安全服務(wù) （例如加密和防火墻）、服務(wù)質(zhì)量（QoS）、基于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用識別（NBAR）、Cisco IOS 靈活數(shù)據(jù)包匹配（FPM）、寬帶匯聚（BRAS）和會話邊界控制器（SBC）等�？杉磿r打開并以萬兆位速度運行，無需犧牲網(wǎng)絡(luò)性能或間斷服務(wù)。

　　因此ASR1000通過集中式的QFP引擎完美的實現(xiàn)了多種業(yè)務(wù)整合和高效運營，一塊網(wǎng)絡(luò)處理器完美的實現(xiàn)了多個傳統(tǒng)處理器的功能和性能，因此無需使用分布式架構(gòu)就能提供多達(dá)數(shù)10Gbps的處理能力。并且隨著工藝的更新，下一代QFP處理器將會使用更多的內(nèi)核并占用更小的主板空間，并獲得160Gbps的處理能力

　　綠色環(huán)保

　　由于Cisco ASR1000系列多業(yè)務(wù)匯聚路由器在緊湊的機箱內(nèi)集成了多種功能，同時通過對QuantumFlow處理器進(jìn)行的優(yōu)化測試， Cisco ASR1000系列路由器功耗遠(yuǎn)小于同類產(chǎn)品。

　　平衡之美
　　　　
　　傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)處理器通常使用TCAM進(jìn)行大規(guī)模的路由查詢和會話查詢以及ACL匹配，但TCAM通常成本高、功耗大和路由更新復(fù)雜。同時報文分類等處理也需要借助于TCAM，因此在一個多業(yè)務(wù)路由器平臺上，通常需要對TCAM進(jìn)行分區(qū)來實現(xiàn)不同的業(yè)務(wù)，這樣也導(dǎo)致了很多性能瓶頸。

　　思科在開發(fā)ASR1000系列路由器時將CRS上使用的查表器件移植到了QuantumFlow處理器上，可以支持多達(dá)4,000,000條路由的高速查詢，同時使用了專用的硬件Hash器件完成對防火墻，NAT等會話的高速查詢，因此TCAM資源全部用于報文分類處理以及復(fù)雜的ACL匹配等。通過多組件的平衡處理，使得ASR1000在進(jìn)行多種復(fù)雜業(yè)務(wù)疊加處理時維持了很高的處理能力。同時為了更好的服務(wù)于中國市場，思科公司在上海設(shè)立了專門的研發(fā)團(tuán)隊進(jìn)行Cisco ASR1000系列多業(yè)務(wù)匯聚路由器的新特性開發(fā)和維護(hù)。

　　《網(wǎng)絡(luò)世界》評測實驗室關(guān)于ASR1000的測試報告http://www.cnw.com.cn/weekly/htm2009/20090623_176411.shtml

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