CN115396388A - 一种高效的基于np的网络处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高效的基于NP的网络处理装置，属于网络通信和网络安全领域。本发明网络处理装置包括InboundQueue、OutboundQueue、CoalQueue、TableEngine和NP clusters；NP Clusters：连接到InboundQueue、OutboundQueue、CoalQueue和TableEngine，包括若干个可独立操作的NP，CoalQueue：为聚合Queue，连接到InboundQueue和NP Clusters，用于按照CoalQueue聚合原则实现报文的聚合，报文由InboundQueue发送到CoalQueue或由NP发送到CoalQueue。本发明多了一个CoalQueue模块，其用于实现报文的聚合，且本发明设计了2种CoalQueue模块的工作流程。与常见架构相比，本发明在多种应用场景和多种处理流程中对报文进行不同类型聚合，以达到提升系统整体性能的效果。

Description

一种高效的基于NP的网络处理装置
技术领域
本发明属于网络通信和网络安全领域，具体涉及一种高效的基于NP的网络 处理装置。
背景技术
常见的基于NP(网络处理器)架构的网络处理装置结构如图1所示：
其中：
InboundQueue：输入Queue，端口进来的报文首先在此缓存。
OutboundQueue：输出Queue，NP处理完成，待发送的包在此缓存。
NP Clusters：包含若干个可独立操作的NP。
TableEngine：包含NP在报文处理中所需要查询或更改的各种表项，以及一 些硬件加速的计算引擎。
其基本处理流程为：
1)处理装置收到网络报文，将报文缓存在InboundQueue中；
2)选择一个可供使用的NP处理该报文，包括：读取并解析报文，查找相关 表格并使用相关引擎，编辑处理报文，最后再分发到相关的OutboundQueue；
3)报文从OutboundQueue中取出并发送到相应端口。
NP为可编程的网络数据包处理器，兼具较高处理性能和灵活可编程的优势， 是网络处理装置中的核心部件。一个网络处理装置中通常集成多个NP核，通过 预先编制的微码，可同时并行处理多个多种不同类型的网络报文。
网络处理装置的性能通常受限于NP的处理能力和NP的数目。NP核内通常又 包含多个微处理核，理论上可同时并行处理多个事务，但在图1中，实际使用中 如果一个报文的处理流程的多个步骤是前后相关的，这些操作将顺序串行执行， 不能完全发挥NP性能；另外，NP的面积较大(需要较多RAM以存放微码)，因此， 不可能复制过多NP(更多NP也将会产生更大功耗)。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何提供一种高效的基于NP的网络处理装置， 以解决现有的网络处理装置不能完全发挥NP性能，且不可能复制过多NP的问 题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提出一种高效的基于NP的网络处理装置， 该网络处理装置包括InboundQueue、OutboundQueue、CoalQueue、TableEngine 和NP clusters；
InboundQueue：为输入Queue，端口进来的报文首先在此缓存；
NP Clusters：连接到InboundQueue、OutboundQueue、CoalQueue和 TableEngine，包括若干个可独立操作的NP；
CoalQueue：为聚合Queue，连接到InboundQueue和NP Clusters，用于按 照CoalQueue聚合原则实现报文的聚合，报文由InboundQueue发送到CoalQueue 或由NP发送到CoalQueue；
TableEngine：连接到NP Clusters，包含NP在报文处理中所需要查询或更 改的各种表项，以及一些硬件加速的计算引擎；
OutboundQueue：为输出Queue，连接到NP Clusters，用于NP处理完成后， 缓存待发送的包。
进一步地，CoalQueue模块中包括多个CQ，每个CQ包括两个维度的Q，纵 向Q是规则检查结果一致的报文串在一起生成的Q，横向Q则是这些纵向Q的队 首报文相互链接所形成的Q；根据报文处理流程进行所需规则检查，检查结果和 前面某条纵向Q匹配，则将其加到该纵向Q上；否则以此报文为起点，新建一 条纵向Q，并将其作为横向Q的新尾结点。
进一步地，聚合原则包括：
报文来自于同一个Port/CoS组合，Port为端口，Cos为网络服务质量；
报文来自于相同的三元组/五元组；
报文的协议类型相同；
报文来自于同一个报文的不同分片。
进一步地，聚合的原则是一堆规则的集合，根据业务报文的类型的不同而 选择规则中的部分或全部执行聚合操作。
进一步地，CoalQueue聚合程度由聚合包数、聚合包总长度、聚合超时时间 三个变量控制，当三者中任意一个满足时结束聚合，一个完成聚合后的包将调 用一个NP处理。
进一步地，所述报文由InboundQueue发送到CoalQueue的处理流程包括：
S11、报文先到InboundQueue，根据配置，对应Q的报文不直接送往NP， 而是送往CoalQueue；
S12、报文在CoalQueue中完成聚合后送到NP；
S13、NP处理聚合后的报文；
S14、处理后的报文送到OutboundQueue，随后从相应的目标端口发出。
进一步地，所述步骤S11中，报文直接从端口进入到CoalQueue。
进一步地，所述步骤S13中，无论报文是否相关，NP一次性完成相同的预 处理操作，或者，NP中多个不同类型微处理核，并行执行不同报文不同阶段的 操作，或者，NP中多个相同类型的微处理核，同时执行同一报文不同区域相同 的操作，或者，NP中多个相同类型的微处理核，独立执行不同报文相同的操作。
进一步地，所述报文由NP发送到CoalQueue的处理流程包括：
S21、报文先到InboundQueue，根据配置，对应Q的报文直接送往NP；
S22、NP对报文做初次解析后，期待该报文与其它报文相关，将其发往 CoalQueue做报文聚合；
S23、报文在CoalQueue中完成聚合后送到NP；
S24、NP处理聚合后的报文；
S25、处理后的报文送到OutboundQueue，随后从相应的目标端口发出。
进一步地，所述步骤S24中，由于报文前后相关，当使用TableEngine时， 一次性完成多个报文的查表操作；或者，按照某种聚合原则得到的聚合后的包， 在CoalQueue中完成聚合，，NP直接处理多个报文。
(三)有益效果
本发明提出一种高效的基于NP的网络处理装置，本发明的网络处理装置包 括InboundQueue、OutboundQueue、CoalQueue、TableEngine和NP clusters， 与常见架构相比，多了一个CoalQueue模块，其用于实现报文的聚合，且本发 明设计了2种CoalQueue模块的工作流程。与常见架构相比，本发明在多种应 用场景和多种处理流程中对报文进行不同类型聚合，以达到提升系统整体性能 的效果。
附图说明
图1为常见NP装置结构图；
图2为本发明装置结构图；
图3为InboundQueue到CoalQueue处理流程图；
图4为NP到CoalQueue处理流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本 发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明提出了一种高效的基于NP的网络处理装置，使用此方法，可在一定 芯片面积一定NP数目基础上，通过提升NP的处理效率，提升整个处理装置的 性能。
整个装置组成如图2所示，包括InboundQueue、OutboundQueue、CoalQueue、TableEngine和NP clusters。
InboundQueue：为输入Queue，端口进来的报文首先在此缓存；
NP Clusters：连接到InboundQueue、OutboundQueue、CoalQueue和 TableEngine，包括若干个可独立操作的NP；
CoalQueue：为聚合Queue，连接到InboundQueue和NP Clusters，用于按 照CoalQueue聚合原则实现报文的聚合；报文由InboundQueue发送到CoalQueue 或由NP发送到CoalQueue；
TableEngine：连接到NP Clusters，包含NP在报文处理中所需要查询或更 改的各种表项，以及一些硬件加速的计算引擎；
OutboundQueue：为输出Queue，连接到NP Clusters，用于NP处理完成后， 缓存待发送的包。
与常见架构相比，多了一个CoalQueue模块，其用于实现报文的聚合。 CoalQueue聚合原则可实现成与具体协议无关，聚合原则可部分mask，实现时 根据需要满足聚合中的全部或者部分即可。
CoalQueue模块中包括多个CQ，每个CQ实现时包括两个维度的Q，纵向Q 是规则检查结果一致的报文串在一起生成的Q，横向Q则是这些纵向Q的队首报 文相互链接所形成的Q。根据报文处理流程进行所需规则检查，检查结果和前面 某条纵向Q匹配，则将其加到该纵向Q上；否则以此报文为起点，新建一条纵 向Q，并将其作为横向Q的新尾结点。
聚合的原则可以是一堆规则的集合：
1.在具体工作中，可根据业务报文的类型的不同而选择规则中的部分或全 部执行聚合操作，比如有的报文处理聚合流程只需要检查1/3规则，有的报文 聚合流程需要所有规则。
2.所列的聚合规则只是举例，具体规则可根据具体系统实现相关。
聚合原则包括但不限于：
1)报文来自于同一个Port/CoS组合，Port为端口，Cos为网络服务质量；
2)报文来自于相同的三元组/五元组；
3)报文的协议类型相同；
4)报文来自于同一个报文的不同分片。
CoalQueue聚合程度由聚合包数、聚合包总长度、聚合超时时间三个变量控 制，当三者中任意一个满足时结束聚合，一个完成聚合后的包将调用一个NP处 理。
报文送往CoalQueue路径有两类，可用于处理不同业务，其处理流程如下：
1、InboundQueue到CoalQueue，流程如图3所示：
S11、报文先到InboundQueue，根据配置，对应Q的报文不直接送往NP， 而是送往CoalQueue(此步具体实现时也可采用直接Bypass InboundQueue，直 接从端口进入到CoalQueue的方式)。
S12、报文在CoalQueue中完成聚合后送到NP。
S13、NP处理聚合后的报文，相比较于没有聚合的报文，NP效率的提升体 现在以下几方面：
无论这些报文是否相关，NP可以一次性完成相同的预处理操作，减少了NP 操作指令数，减少了NP多次使用时线程切换的开销。
NP中多个不同类型微处理核，可以并行执行不同报文不同阶段的操作，比 如微处理核A先读取报文0的内容，再读写报文1的内容；在微处理核A读报 文1内容的同时，微处理核B可以根据报文0的内容索引相应的表项。
NP中多个相同类型的微处理核，可以同时执行同一报文不同区域相同的操 作，比如报文进行加解密计算，当分组模式采用电码本模式(Electronic Code Book，简称为ECB，各加解密组间独立无关)时，这些微处理核可以对同一报文 中不同分组同时进行加解密操作。有N个同类型核时，性能相应提高N倍。
NP中多个相同类型的微处理核，可以独立执行不同报文相同的操作，比如 报文进行加解密计算，当分组模式采用密文分组链接方式(Cipher Block Chaining，简称为CBC，加密时先将明文分组与前一个密文分组进行异或运算， 然后再进行加密算法模块进行运算；解密时执行相反流程，先调用解密算法模 块进行解密，再将解密后的数据与前一分组密文进行异或运算，从而得到明文) 时，这些微处理核可以对不同报文(整个报文)同时进行加解密操作。有N个 同类型核时，性能相应提高N倍。
S14、处理后的报文送到OutboundQueue，随后从相应的目标端口发出。
2、NP到CoalQueue，流程如图4所示：
S21、报文先到InboundQueue，根据配置，对应Q的报文直接送往NP。
S22、NP对报文做初次解析后，期待该报文与其它报文相关，将其发往 CoalQueue做报文聚合。
S23、报文在CoalQueue中完成聚合后送到NP。
S24、NP处理聚合后的报文，相比较于没有聚合的报文，NP效率的提升体 现在以下：
因为报文前后相关，当使用TableEngine时，一次性完成多个报文的查表 操作，减小了查表操作次数，同时也减少了系统总线压力。当完成M个包聚合 时，性能相应提高接近M倍。TableEngine是网络处理器内部的一个模块，NP 通过总线访问。比如读某种类型的线性表(行为类似于memory)，NP通过总线 发送读请示给TableEngine，TableEngine通过总线将内容返回给NP；写过程类 似，NP通过总线发送写请示给TableEngine，TableEngine通过总线告知NP内 容已经更新。
按照某种聚合原则得到的聚合后的包，在CoalQueue中完成聚合(包括顺 序重排)，NP直接处理多个报文，减少了NP操作流程，比如LRO(large receive ofload，一种网络报文接收路径上的优化机制)。
S25、处理后的报文送到OutboundQueue，随后从相应的目标端口发出。
本发明的网络处理装置包括InboundQueue、OutboundQueue、CoalQueue、TableEngine和NP clusters，与常见架构相比，多了一个CoalQueue模块，其 用于实现报文的聚合，且本发明设计了2种CoalQueue模块的工作流程。与常 见架构相比，本发明在多种应用场景和多种处理流程中对报文进行不同类型聚 合，以达到提升系统整体性能的效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通 技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变 形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高效的基于NP的网络处理装置，其特征在于，该网络处理装置包括InboundQueue、OutboundQueue、CoalQueue、TableEngine和NP clusters；
InboundQueue：为输入Queue，端口进来的报文首先在此缓存；
NP Clusters：连接到InboundQueue、OutboundQueue、CoalQueue和TableEngine，包括若干个可独立操作的NP；
CoalQueue：为聚合Queue，连接到InboundQueue和NP Clusters，用于按照CoalQueue聚合原则实现报文的聚合，报文由InboundQueue发送到CoalQueue或由NP发送到CoalQueue；
TableEngine：连接到NP Clusters，包含NP在报文处理中所需要查询或更改的各种表项，以及一些硬件加速的计算引擎；
OutboundQueue：为输出Queue，连接到NP Clusters，用于NP处理完成后，缓存待发送的包。
2.如权利要求1所述的高效的基于NP的网络处理装置，其特征在于，CoalQueue模块中包括多个CQ，每个CQ包括两个维度的Q，纵向Q是规则检查结果一致的报文串在一起生成的Q，横向Q则是这些纵向Q的队首报文相互链接所形成的Q；根据报文处理流程进行所需规则检查，检查结果和前面某条纵向Q匹配，则将其加到该纵向Q上；否则以此报文为起点，新建一条纵向Q，并将其作为横向Q的新尾结点。
3.如权利要求2所述的高效的基于NP的网络处理装置，其特征在于，聚合原则包括：
报文来自于同一个Port/CoS组合，Port为端口，Cos为网络服务质量；
报文来自于相同的三元组/五元组；
报文的协议类型相同；
报文来自于同一个报文的不同分片。
4.如权利要求3所述的高效的基于NP的网络处理装置，其特征在于，聚合的原则是一堆规则的集合，根据业务报文的类型的不同而选择规则中的部分或全部执行聚合操作。
5.如权利要求3所述的高效的基于NP的网络处理装置，其特征在于，CoalQueue聚合程度由聚合包数、聚合包总长度、聚合超时时间三个变量控制，当三者中任意一个满足时结束聚合，一个完成聚合后的包将调用一个NP处理。
6.如权利要求2-5任一项所述的高效的基于NP的网络处理装置，其特征在于，所述报文由InboundQueue发送到CoalQueue的处理流程包括：
S11、报文先到InboundQueue，根据配置，对应Q的报文不直接送往NP，而是送往CoalQueue；
S12、报文在CoalQueue中完成聚合后送到NP；
S13、NP处理聚合后的报文；
S14、处理后的报文送到OutboundQueue，随后从相应的目标端口发出。
7.如权利要求6所述的高效的基于NP的网络处理装置，其特征在于，所述步骤S11中，报文直接从端口进入到CoalQueue。
8.如权利要求6所述的高效的基于NP的网络处理装置，其特征在于，所述步骤S13中，无论报文是否相关，NP一次性完成相同的预处理操作，或者，NP中多个不同类型微处理核，并行执行不同报文不同阶段的操作，或者，NP中多个相同类型的微处理核，同时执行同一报文不同区域相同的操作，或者，NP中多个相同类型的微处理核，独立执行不同报文相同的操作。
9.如权利要求2-5任一项所述的高效的基于NP的网络处理装置，其特征在于，所述报文由NP发送到CoalQueue的处理流程包括：
S21、报文先到InboundQueue，根据配置，对应Q的报文直接送往NP；
S22、NP对报文做初次解析后，期待该报文与其它报文相关，将其发往CoalQueue做报文聚合；
S23、报文在CoalQueue中完成聚合后送到NP；
S24、NP处理聚合后的报文；
S25、处理后的报文送到OutboundQueue，随后从相应的目标端口发出。
10.如权利要求9所述的高效的基于NP的网络处理装置，其特征在于，所述步骤S24中，由于报文前后相关，当使用TableEngine时，一次性完成多个报文的查表操作；或者，按照某种聚合原则得到的聚合后的包，在CoalQueue中完成聚合，NP直接处理多个报文。
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