ASIC：万兆路由的基石
2019-11-05 00:53:34
供稿：网友
面临数据的海量递增和业务日益复杂的现状，路由器硬件平台已经成为制约整个互联网业务发展的瓶颈。从路由器诞生之日起，应用需求一直在推动着路由器硬件结构的发展。路由器的转发核心器件随着应用的发展，也经历了很大的变化。骨干网核心路由器的核心转发硬件平台主要经历了以下几个发展阶段：
通用CPU阶段
采用通用CPU作为硬件转发平台具备高度灵活性优势，上个世纪90年代以前，几乎网络上所有的路由器都是用CPU作为核心转发硬件。高端和低端路由器之间的差别仅仅在于采用的CPU性能以及数量不同。因为一个通用的CPU的极限转发性能也就在400kpps以内，还做不到两个155POS接口线速转发，所以采用CPU作为转发硬件平台比较适合提供155M以下的接口的路由器产品。市场上也有很多通过多个CPU同时分布式转发来实现较高的转发速率，使路由器整体性能达到1～2Mpps。
NP处理器阶段
NP——网络处理器的出现在一定程度上很好地解决了网络业务提供丰富性和性能矛盾的问题，由于NP的本质是多种专用CPU的组合，通过微码开发即可指定各个CPU的工作行为，这样NP可以很好地在保证一定性能的情况下，通过软件升级提供各种各样的业务。同时由于对业务作了相应的微码优化，所以其对特定业务的处理能力比传统的CPU有了很大的提升，单片NP可以实现1～6Mpps的转发性能。目前成熟的NP已可实现2.5G端口的线速转发能力。近年来也出现了采用多个NP分布式转发来实现较高密度2.5G、1G端口的数据交换。但NP虽然实现了这些高速端口的接入，却无法解决内部多个高速接口内部的高速数据转发问题，所以核心网的高速业务需求驱动着路由器厂商寻找新的技术来解决性能和灵活性的矛盾。
ASIC芯片阶段
众所周知的是，对于特定的业务，能够同时提供极高转发性能和较低的成本的只有ASIC芯片了。但由于ASIC的固定特性一直无法解决路由器对多业务支持的需求，ASIC芯片一旦产出后，其原有的功能无法添加，所以ASIC芯片一直没有被路由器采用。而如今核心网对核心路由器性能几乎无止境的需求，迫使路由器的厂商和研究机构把目光投向了ASIC。况且现在10G的ASIC芯片早已成熟，并已规模商用，这也是网络设备厂商能够青睐ASIC的一个重要原因。上个世纪末，一些厂商和科研机构就开始完全用ASIC搭建核心路由器平台的研究，至今已经实现了一个比较完善的技术体系。
对于ASIC平台来说，最大的问题就是对多业务的灵活支持。灵活性支持主要体现在两个方面：一方面是查表技术，另一方面是对多业务报文的识别、处理能力。近几年出现的TCAM（三重内容可编址存储器）很好地解决了多业务中各种表项的高速查找问题，其查找性能可以达到每秒100M次，也就是说可以支持一个10G端口每秒钟查找4次以上。而对各种路由表、ACL安全策略、QoS策略等表项的查找是多业务支持的核心内容。同时现在的硬件技术制造出的高速可编程硬件FPGA能够实现40G数据流的报文头的处理，从而提供了对多业务支持的可能性。港湾网络有限公司正是看到了这种可能性，经过三年的潜心研究，终于实现了ASIC+FPGA+TCAM协同实现高密度千兆、2.5G、10G接口多业务数据的大容量处理、转发，FPGA硬件实现对业务报文头的处理并控制查找形成业务流，TCAM实现对各种高速业务流表项的查找，ASIC仅仅负责对业务流大容量转发，从而实现了多业务应用下高速接口的大容量接入。同时在路由器内部，通过专用ASIC把高速接口板之间的海量数据切割成特定长度的信元，从而实现高效、低延时、T比特级别的大容量数据交换。这标志着我国在高速核心路由器的研发方面已经迈入了国际先进行列。尤其值得一提的是，PowerHammer系列核心路由 器的接口板处理ASIC芯片——RACATA是完全自主研发的400万门逻辑芯片，也标志着我国的芯片设计水平已经迈上了一个新的高度。目前几乎业界所有的主流高端核心路由器设备供给商都推出了基于ASIC的路由器产品，代表着采用ASIC已经成为核心路由器技术发展的一个必然方向。
