ASIC：萬兆路由的基石
2019-11-05 00:53:34
供稿：網友
面臨數據的海量遞增和業務日益復雜的現狀，路由器硬件平臺已經成為制約整個互聯網業務發展的瓶頸。從路由器誕生之日起，應用需求一直在推動著路由器硬件結構的發展。路由器的轉發核心器件隨著應用的發展，也經歷了很大的變化。骨干網核心路由器的核心轉發硬件平臺主要經歷了以下幾個發展階段：
通用CPU階段
采用通用CPU作為硬件轉發平臺具備高度靈活性優勢，上個世紀90年代以前，幾乎網絡上所有的路由器都是用CPU作為核心轉發硬件。高端和低端路由器之間的差別僅僅在于采用的CPU性能以及數量不同。因為一個通用的CPU的極限轉發性能也就在400kpps以內，還做不到兩個155POS接口線速轉發，所以采用CPU作為轉發硬件平臺比較適合提供155M以下的接口的路由器產品。市場上也有很多通過多個CPU同時分布式轉發來實現較高的轉發速率，使路由器整體性能達到1～2Mpps。
NP處理器階段
NP——網絡處理器的出現在一定程度上很好地解決了網絡業務提供豐富性和性能矛盾的問題，由于NP的本質是多種專用CPU的組合，通過微碼開發即可指定各個CPU的工作行為，這樣NP可以很好地在保證一定性能的情況下，通過軟件升級提供各種各樣的業務。同時由于對業務作了相應的微碼優化，所以其對特定業務的處理能力比傳統的CPU有了很大的提升，單片NP可以實現1～6Mpps的轉發性能。目前成熟的NP已可實現2.5G端口的線速轉發能力。近年來也出現了采用多個NP分布式轉發來實現較高密度2.5G、1G端口的數據交換。但NP雖然實現了這些高速端口的接入，卻無法解決內部多個高速接口內部的高速數據轉發問題，所以核心網的高速業務需求驅動著路由器廠商尋找新的技術來解決性能和靈活性的矛盾。
ASIC芯片階段
眾所周知的是，對于特定的業務，能夠同時提供極高轉發性能和較低的成本的只有ASIC芯片了。但由于ASIC的固定特性一直無法解決路由器對多業務支持的需求，ASIC芯片一旦產出后，其原有的功能無法添加，所以ASIC芯片一直沒有被路由器采用。而如今核心網對核心路由器性能幾乎無止境的需求，迫使路由器的廠商和研究機構把目光投向了ASIC。況且現在10G的ASIC芯片早已成熟，并已規模商用，這也是網絡設備廠商能夠青睞ASIC的一個重要原因。上個世紀末，一些廠商和科研機構就開始完全用ASIC搭建核心路由器平臺的研究，至今已經實現了一個比較完善的技術體系。
對于ASIC平臺來說，最大的問題就是對多業務的靈活支持。靈活性支持主要體現在兩個方面：一方面是查表技術，另一方面是對多業務報文的識別、處理能力。近幾年出現的TCAM（三重內容可編址存儲器）很好地解決了多業務中各種表項的高速查找問題，其查找性能可以達到每秒100M次，也就是說可以支持一個10G端口每秒鐘查找4次以上。而對各種路由表、ACL安全策略、QoS策略等表項的查找是多業務支持的核心內容。同時現在的硬件技術制造出的高速可編程硬件FPGA能夠實現40G數據流的報文頭的處理，從而提供了對多業務支持的可能性。港灣網絡有限公司正是看到了這種可能性，經過三年的潛心研究，終于實現了ASIC+FPGA+TCAM協同實現高密度千兆、2.5G、10G接口多業務數據的大容量處理、轉發，FPGA硬件實現對業務報文頭的處理并控制查找形成業務流，TCAM實現對各種高速業務流表項的查找，ASIC僅僅負責對業務流大容量轉發，從而實現了多業務應用下高速接口的大容量接入。同時在路由器內部，通過專用ASIC把高速接口板之間的海量數據切割成特定長度的信元，從而實現高效、低延時、T比特級別的大容量數據交換。這標志著我國在高速核心路由器的研發方面已經邁入了國際先進行列。尤其值得一提的是，PowerHammer系列核心路由 器的接口板處理ASIC芯片——RACATA是完全自主研發的400萬門邏輯芯片，也標志著我國的芯片設計水平已經邁上了一個新的高度。目前幾乎業界所有的主流高端核心路由器設備供給商都推出了基于ASIC的路由器產品，代表著采用ASIC已經成為核心路由器技術發展的一個必然方向。
