NP芯片重塑高端路由器“灵魂”

6月25日，广东地区出现了部分“网络瘫痪”的情况，期间，用户无法正常访问互联网，邮箱、QQ和MSN都无法登录，给用户的工作、生活造成较大影响。

经过广东电信的查询和核实，发现造成“网络瘫痪”的主要原因是广东电信互联网路由器集群中的两台路由器出现运行异常，50%的出省电路受到影响，导致广东电信用户访问省外互联网不畅。

而担任出省路由器角色的一般是高端路由器，负责城域网间的流量传输。频繁出现的网络瘫痪事件对高端路由器的性能提出越来越严峻的挑战。

广东电信内部一位人士告诉记者，高端路由器运行在城域网的核心层，一旦出现问题，将导致上面陈述的问题甚至更严重的后果，所以电信运营商在选择高端路由器时都需要经过严格评测和试用，保证设备稳定性是第一位的。

而在3G市场正式启动以及NGN网络建设逐渐进入正轨的今天，运营商对高端路由器的需求大幅度提升。如何面对用户千差万别的需求以更好地实现全业务运营，运营商希望高端路由器可以灵活应对随时变化的需求和流量。

这个重担落在了高端路由器芯片身上，作为高端路由器最核心的环节，芯片需要完成包转发、流量管理、QoS等至关重要的功能。因此，研发更为先进的高端路由器芯片，助力运营商应对全业务运营成为网络设备商的共同目标。

以动制动

高端路由器从诞生发展至今，经历了几番更新换代的历程，而在高端路由器发展历程中，芯片技术的发展进步则是巨大的推动力。

第一代路由器，采用集中转发、固定接口方式，由一个处理器CPU和固定数量的接口组成，接口模块和CPU之间通过总线连接；第二代路由器采用CPU集中转发，接口采用模块化设计；第三代路由器基于CPU的分布式软件转发，分布转发将前两代的转发性能提高了数十倍之多。

在互联网刚刚起步的年代，互联网流量非常有限，这些很少依靠路由器芯片技术，单纯凭借通用CPU来完成转发任务的高端路由器已经可以胜任骨干网的需求。

而随着互联网的逐步发展和成熟，特别是上世纪90年代中后期，IP网络开始商业化运作以及Web技术的出现使得互联网技术得到空前的发展，用户数目迅猛增加，网络流量特别是核心网络的流量以指数级数增长，传统的基于软件实现转发的IP路由器无法再满足网络的发展需要。

以常见的主干节点2.5GPOS端口为例(当时网络传输还以2.5G为主，并未发展到10G)，按照IP最小报文40字节计算，2.5GPOS端口线速的流量约为6.5Mpps，而且报文处理中还包含了诸如QoS、路由查找、二层帧头的剥离/添加以及流量管理等操作，传统的做法不可能实现这些功能。

于是，一些厂商开始引入ASIC实现方式，将转发过程的所有细节全部通过硬件的方式来实现，例如，1996年成立的Juniper就专注于ASIC方式来构建高端路由器的芯片，思科的路由器芯片也开始采用ASIC技术已实现基于硬件的转发，第四代路由器很好地解决了网络流量的问题。

然而，基于ASIC的分布式硬件转发的高端路由器并没有一直高歌下去，它也遇到了无法处理的问题，即网络业务的丰富性和性能之间的矛盾。

互联网泡沫时期人们的焦点一直集中在路由器的转发性能上，互联网泡沫破灭后，人们发现业务才是网络的真正价值所在，一切技术都必须围绕着业务。因此，网络管理、用户管理、业务管理、MPLS、VPN、可控组播、QoS和流量工程等各种新技术纷纷出现，以满足随需而变的用户需求。

特别是进入全业务时代，运营商为在激烈的市场竞争中占据先机，必须实现全业务运营，这就要求高端路由器不仅可以支持高速的包转发，而且需具备强大的业务管理能力和精细的流量管理能力。

“ASIC芯片一旦量出，无法在对其进行大幅度的改动，ASIC的固定特性一直无法解决路由器对多业务支持的需求，因此，ASIC技术也逐渐被网络设备商淘汰，而将目光转向自主研发NP(网络处理器)上。”上海贝尔副总裁刘永春向《通信产业报》(网)记者表示。

据他介绍，采用NP技术构建的第五代路由器可以通过软件控制的方式实现流量精细管理、包查找、QoS以及包转发等多种功能。

“基于NP的高端路由器可以使运营商以动制动。”刘永春强调。

在这种背景下，在硬件体系结构上继承了第四代路由器的成果，在关键的IP业务流程处理上则采用了可编程的、专为IP网络设计的网络处理器技术的第五代路由器成为当前的主流产品。

自主研发NP备战40G

提起NP，一定会想到Intel、IBM为高端路由器生产的通用网络处理器，不禁对高端路由器的性能产生质疑。“采用通用网络处理器，每个设备商的高端路由器架构、性能大同小异，何以助力运营商实现全业务运营？”很多人存在这样的疑惑。

从目前来看，NP分为两种，一种是设备商自主研发的网络处理器，也可以称为专用NP，更通俗地说，是家用NP；另外一种则是在市面上可以买到的商用网络处理器，也即Intel、IBM提供的通用网络处理器，每个设备商都可以拿来使用。

这些通用NP一般可支持10G以太网的传输，应用在高端路由器中，满足了运营商的现网运营需求。

然而，随着互联网的飞速发展，网民数量飞速增长，据中国互联网络信息中心(CNNIC)发布《第24次中国互联网络发展状况统计报告》显示，截至2009年6月30日，我国网民规模达3.38亿户，宽带网民达3.2亿户。

要满足群体规模庞大的宽带网民同时上网的需求，10G以太网已经不能胜任，为此电信运营商需要将10G传输网演进到40G传输网。“经过多年的技术积累和产业链的完善，40G商用的前期准备已经完毕。”中国电信广东研究院副总工程师徐建锋表示。

显然，单端口40G的线速转发性能已经成为高端路由器的基本特性之一。但徐建锋告诉记者，目前市面上的通用网络处理器仅仅具备10G的线速转发性能，无法满足运营商的需求。“单片40G性能的芯片技术难度大，成本高等原因，能提供高速网络处理器的厂商越来越少，甚至一些原来提供网络处理器芯片的比较有实力的大芯片厂商也逐渐退出这一市场。”

对40G和100G线速的高要求使得希望在高端市场分得一杯羹的设备厂商必须具备自主研发专用NP的能力。从各个厂商公布的资料来看，目前，业内只有4家厂商可以提供专用NP，其中三家为网络设备提供商，即思科、Juniper和阿尔卡特朗讯，其对应的高端路由器产品为CRS－1、T1600和7750，这些设备都嵌入了其自主研发的NP芯片。

国内厂商的崛起

事实上，为了在高端路由器上掌握更多的话语权，国内网络设备厂商如华为、中心等国内厂商也都在积极研发支持40G线速转发性能的高端路由器芯片。

不久前，中兴通讯成功自主研发了高端路由器的三大核心芯片，包括ZXRICPFE40高性能的40G网络处理器芯片组，ZXRICSF600、SA40大容量三级CLOS级联分组交换套片和ZXRICTME20、TME40用户功能可定制升级流量管理芯片，并将这些高端芯片应用在自主研发的下一代电信级高端路由器上推出了国内首款完全自主知识产品的电信级高端路由器产品。

华为则在更早推出了自己的高端路由器NE5000以及NE5000E路由器集群，在这两款路由器中都采用了自主研发的芯片，实现40G的线速转发性能。目前，华为的高端路由器已经被大量运用在中国电信的163网络和CN2网络中。

在华为、中兴等国内厂商起步研发路由器时，一般采用由Intel、IBM生产的通用NP。之后，随着在路由器技术的积累，这些国内厂商具有了自主研发路由器芯片的能力，提高了国内厂商在高端路由器上的话语权。

不过，在运营商骨干网上采用的高端路由器还只有华为一家。对此，徐建锋表示，包转发性能是最基本的特性，也是高端路由器最关键的特性，运营商在集采高端路由器的过程中最看重的莫过于高端路由器的包转发性能。因此，虽然华为、中兴等国内厂商已经具备了生产40G芯片的能力，但由于高端路由器包转发以及流量管理、QoS等指标上还稍落后于思科，目前在为40G准备的传输线路上一般采用的都是思科的高端路由器系列。

“这并不是表明中兴、华为在技术上落后于别人，更主要的原因在于国内的半导体技术还达不到运营商的要求。”徐建锋强调。

事实上，不仅是40G活跃在传输的舞台上，100G传输也开始跃跃欲试，因此自主研发支持100G线速转发、QoS以及流量管理等性能的高速网络处理器芯片成为网络设备商的下一个目标。

此外，高端路由器芯片的能耗问题也成为电信运营商关注的一个指标，一个CPU芯片的能耗约为二三百毫安瓦时，而一般网络处理器由上百个CPU组成，能耗过大将成为一个突出的问题，因此在不断改善芯片性能的同时，设备商也在力求芯片的最低功耗。

链接　高端路由器四种体系架构

一、通用CPU

优点：功能易扩展，理论上可以实现任何网络功能。

缺点：性能低

用途：通用CPU一般仅用于网络设备的控制和管理。

二、ASIC芯片

优点：可使用硬件方式实现性能极高的多种常用网络功能，单颗芯片就可以实现几百Mpps以上的处理能力。

缺点：ASIC芯片一旦开发完毕就很难继续扩展其他应用，新功能的添加需要芯片研发公司花费较长开发周期。

用途：ASIC芯片最合适应用于处理网络中的各种成熟传统功能。

三、FPGA芯片

优点：这是可以反复编程、擦除、使用以及在外围电路不动的情况下用不同软件就可实现不同功能的一种门阵列芯片，可以在一定程度上灵活地扩展业务处理类型。

缺点：FPGA无法很好地同时处理多种协议，不能胜任复杂业务扩展。

用途：一般仅应用于少量简单协议的扩展。

四、NP网处理器

优点：NP保留了ASIC高性能处理数据的特性，同时，NP通过众多并行运转的微码处理器，能够通过微码编程进行复杂的多业务扩展。

缺点：NP的性能和ASIC相比依然还存在一些差距。

用途：NP网络处理器被应用于高端网络产品复杂的多业务扩展，但并不适用于网络传统功能的实现。

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