[发明专利]包括基于表的动作的匹配处理单元的网络系统

说明书

提供了具有减少的数据停顿的用于处理分组的方法和设备。方法包括：(a)接收包括报头部分和有效负载部分的分组，其中报头用于生成分组报头向量；(b)通过执行分组匹配操作来生成表结果，其中表结果至少部分基于存储在匹配表中的数据和分组报头向量生成；(c)在匹配处理单元接收与匹配表关联的一组指令的地址和表结果；以及(d)由匹配处理单元执行一个或多个动作来响应一组指令直到指令完成，其中一个或多个动作包括更改报头部分、更新基于存储器的数据结构或者发起事件。

相关申请的交叉引用

本申请要求在2017年11月6日提交的美国临时专利申请号62/582,138的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。

背景技术

在数据通信网络中，网络或路由设备在一组输入接口中的一个接收消息，并将其转发到一组输出接口中的一个或多个。用户通常要求此类路由设备尽可能快地操作，以与传入消息的高速率同步。

当硬件交换机与专门的硬件功能相结合时，提供网络能力包括分组交换、安全、深度分组检查和其他功能。例如，网络处理单元(NPU)和标准CPU被用于以可编程的方式来处理分组。NPU是CPU的特定于域的版本；这两种设计都实质上将要处理的分组加载到缓冲区或存储器中，然后执行指令来操作分组字段以及查找表数据，以指导分组转发和重写操作。

发明内容

对于网络交换机或功能来说，以可编程的方式来执行分组处理而不牺牲性能一直是挑战。NPU和CPU在应用新的或复杂的特征时不能满足目标分组处理速率的主要原因是，它们花费许多周期停顿等待从表、状态或分组存储器返回数据读取。

当所述NPU或CPU需要在大型共享表中查找数据时，例如转发数据库表或连接状态表时，数据提取停顿是常见的。数据提取停顿通常是处理停顿的主要来源。当使用存储器，特别是所述NPU外部的存储器，来在所述硬件加速器和所述处理器之间通信时，所述网络处理器的所述总吞吐量可能会受到限制，其中所述处理器“停顿”，等待分组数据变为可用于处理。例如，如果处理器内核试图访问不在其缓存中的存储器地址，并且所述存储器系统必须访问其他存储器(例如，动态随机访问存储器(DRAM))来获取它们，则可能导致所述处理器内核在每个地址停顿数百个处理器时钟周期以等待所述存储器系统将所述请求的数据传输给所述处理器内核。在另一示例中，外部存储器可能包括两个或更多个子结构(例如，多组DRAM)。在这样的系统中，对同一存储器结构的多个访问请求可能会导致延迟损失。此外，用于数据流的一组给定操作可能需要以给定的顺序完成，进一步增加了延迟。

因此，需要用于存储、安全和网络功能的系统和方法允许高度可配置的网络流水线、可定制的主机接口和灵活的硬件卸载，其具有改进的性能并且不超过目标功率预算。本发明解决了这种需求，并且也提供了有关的优点。

本文中公开的主题通过将分组处理任务分解为一系列的查表或表匹配，以及处理动作来满足这种需要。可以提供匹配处理单元(MPU)来在网络流水线的每个阶段执行基于表的动作。一个或多个MPU可以与表引擎结合，所述表引擎被配置成提取可编程字段集并获取表结果。当表引擎完成了获取查找结果，它可以将表结果和相关的分组报头字段传输给MPU处理。所述MPU可以基于域特定的指令集运行目标程序，并且MPU可以将表查找结果和分组报头作为输入，并生成表更新和分组报头重写操作作为输出。预先确定数量的这种表引擎和MPU流水线阶段可以结合，以形成能够在高速率分组处理操作的可编程流水线。这防止了MPU经历数据丢失停顿，并允许MPU程序在确定的时间内执行，然后与流水线一起以维持目标分组处理速率。在一些情况下，所述程序员或编译器可以将所述分组处理程序分解成一组从属或独立的表查找和动作处理阶段(匹配+动作)，其分别映射到表引擎和MPU阶段。在一些情况下，如果所需的阶段数超过了实施的阶段数，则可以重新循环分组用于额外处理。