[发明专利]支持网络处理器的数据包包头处理电路系统及其控制方法

说明书

本发明属于芯片设计技术领域，公开了一种支持网络处理器的数据包头处理电路系统及其控制方法。所述支持网络处理器的数据包头处理电路系统包括：包头向量缓存模块、参数缓存模块、超长指令字缓存模块、提取及处理模块以及字段重组模块。本发明所述的面向于网络交换场景应用的高性能、协议无关的数据包头处理器，可对全部包头必选字段进行灵活处理，处理位宽和超长指令字是通过上位机配置以满足对关键字段的高速处理；使用超长指令字和硬件协同配合的方式控制每一个有效处理通道的抢占与释放、支持同一簇内所有硬件流水线对包字段及参数寄存缓存模块的同时访问，以及对“动作”处理后的数据包包头向量重组。

技术领域

本发明属于芯片设计技术领域，尤其涉及一种支持网络处理器的数据包包头处理电路系统及其控制方法。

背景技术

目前，随着互联网的高速发展和网络带宽需求的持续攀升，不断增长的网络带宽需求对交换设备数据面的线速处理能力提出了严峻的挑战。网络处理器(NetworkProcessor，简称NP)作为互联网新一代用来执行网络协议报文处理和转发的高速网络芯片，其处理能力极大的影响了网络传输效率。目前，传统的网络处理器已经不再适用，更改网络行为通过软件定义网络(Software Define Network，简称SDN)更改软件来实现。支持SDN的新硬件架构和高级语言也随之出现，比如可重构匹配表和P4语言，软件定义网络社区已经开始在交换芯片组中引入可编程高灵活性的数据平面。高度可扩展的线速处理能力需要采用流水线结构来保证，此外，要想同时实现协议无关的识别转发规则就需要高度可重构的处理机制来保证。基于已有的协议无关网络交换芯片架构的分析，目前主流的Match-Action流水线结构能够实现可编程、高性能、协议无关高效处理的目标。

Match-Action模型问世至今，大部分研究团队都致力于研究“匹配”阶段的灵活性，从单一匹配表(SMT)到多重匹配表(MMT)一直发展到可重构匹配表(RMT)。相反，“动作”阶段受到的关注较少，在此阶段每一个动作集都与相对应的数据包关联，集合动作(例如封装或包头操作)决定了转发前的数据包及其包头关键字段所要执行的操作。

Intel公司在2012年推出了FM6000系列交换芯片，这是一款通过硬件加速实现高速路由交换的芯片，其交换容量可达640Gbps，但不支持协议无关处理，缺乏灵活性。2013年，Pat Bosshart等人提出了RMT交换架构，该架构允许在不修改硬件的情况下，对数据面的转发行为(提取、匹配与动作执行)重新编程，从而改变网络处理器的处理功能。RMT支持对包处理动作的自定义，可以对任意字段进行匹配动作处理，但RMT存在着各级“匹配动作”之间总是顺序执行以及RMT模型编程困难、硬件资源开销大等问题。华为公司的以太网络处理器ENP(Ethernet Network Processor)虽然已经应用在核心交换机上，但基于“匹配动作”架构的可编程交换芯片还在研制中。盛科公司的N-Flow技术在“匹配”阶段无法完全支持OpenFlow协议全部必选字段，“动作”阶段的灵活性也就无从谈起。综上关于现有硬件加速架构的网络芯片中“匹配动作”阶段存在的问题是不支持协议无关、缺乏灵活性；通过软件定义网络的RMT模型交换机存在的问题是编程困难、硬件资源开销大。

因此，亟需一种新的支持网络处理器的数据包包头处理电路，以实现在专用网络处理器中可以高效的分析、处理并转发数据包。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)为了实现高线速，基于硬件加速架构的网络处理器采用全定制的方式来实现硬件结构。该结构灵活性差，不可重构，不可编程，因此难以实现协议无关的数据包处理。

(2)现有的商用网络处理器多基于硬件加速架构，该架构不支持Openflow全部必选字段的“匹配-动作”，适用范围窄，芯片可移植性差。

(3)现有的RMT交换模型采用全可重构的方式实现网络处理，但该模型实现时硬件复杂、功耗大、资源占用大、编程难度高。

解决以上问题及缺陷的难点为：