Сетевые процессоры

Новые NPU-модули увеличивают количество новаторских решений и способствуют снижению цен

Новое поколение программируемых сетевых процессоров, дебютировавшее в 2002 году, возможно, имеет больше шансов, чем предыдущие версии подобных устройств, которыми оснащаются коммутаторы и маршрутизаторы, позволить производителям, а также операторам и предприятиям, гарантировать соответствие новым требованиям с помощью программного обеспечения, а не аппаратных модернизаций.

Первые процессоры такого типа, часто называемые сетевыми процессорными модулями (network processing unit, NPU), были созданы несколько лет назад для решения проблемы, которая уже приобрела статус извечной. Разработчикам и пользователям сетевого оборудования в определенной степени приходится выбирать между скоростью и гибкостью. Создание более программируемых процессоров оказалось задачей значительно более сложной, чем считали некоторые аналитики отрасли, но усовершенствования в NPU и более качественные инструментальные средства разработки упрощают этот процесс.

Новое поколение NPU связано с именами крупных компаний. В феврале Intel начала реализацию стратегии, цель которой — завоевать доминирующее положение на сетевом рынке, объявив о выпуске в этом году двух новых NPU, в которых используется ее архитектура Xscale. Корпорация IBM в марте пополнила свою серию NPU процессором для маршрутизаторов доступа и других устройств на границе сети. Компания Motorola пока отстает от конкурентов. Ее подразделение полупроводниковых продуктов, куда входит специализирующаяся на NPU фирма, приобретенная Motorola два года назад, в конце апреля представило процессор, ориентированный на устройства, устанавливаемые на границе сети, а также сопроцессор для управления трафиком.

Улучшенные средства интеграции, которые предлагают процессоры для ПК с более высокой производительностью, также способствовали появлению новых NPU. Компания Vitesse Semiconductor в июле начнет выпуск опытных партий сетевого процессорного модуля IQ2200, который, как утверждается, станет первым, созданным на основе технологии с нормой проектирования 0,13 мкм. Эта передовая технология, используемая в коммерческих процессорах, позволит Vitesse увеличить мощность процессора, при этом уменьшив его размер и потребляемую мощность по сравнению с более ранними продуктами. Первый NPU, созданный Intel на основе технологии с нормой проектирования 0,13 мкм, будет выпущен в опытных партиях примерно в то же время — в третьем квартале.

Хотя компьютерная отрасль в течение десятилетий смогла объединить быстродействующие процессоры с самым разнообразным программным обеспечением, производителям и пользователям устройств для сетей передачи данных, по существу, приходилось отдавать предпочтение скорости или свободе выбора. Высокоскоростная передача и некоторые другие функции были встроены в быстрые специализированные микросхемы (ASIC), хотя пакеты данных, которые требуют специальной обработки, при необходимости получат такую обработку и в центральных процессорах общего назначения. Эти процессоры могут выполнять новые функции после модернизации установленного программного обеспечения, но они не способны обрабатывать пакеты так же быстро, как ASIC.

Специализированная микросхема может работать с пакетами на «скорости передачи», посылая столько же бит в секунду, сколько передается по сетевому соединению, но в большинстве случаев ее команды обработки либо постоянно прописываются в микросхеме, либо она конфигурируется только определенным образом. ASIC может быть создана таким образом, чтобы выполнять множество различных функций, но эти функции достаточно хорошо настроены, когда процессор выходит с поточной линии. Таким образом, создание сетевых устройств, способных предложить новые функции для обработки пакетов на высокой скорости, как правило, требует новых компонентов, которые стоят дорого и требуют значительного времени на разработку.

NPU предназначены для того, чтобы обрабатывать пакеты так же быстро, как и ASIC, но их команды прописаны в программном обеспечении на микросхеме. Такое ПО, как утверждают производители, можно кардинально менять, причем делать это довольно просто. Оно также может быть написано производителем коммутатора или маршрутизатора для своих собственных продуктов и загружено в процессор, созданный независимой компанией. Это избавляет системного производителя от сложной работы по созданию процессора.

Кроме того, NPU как для низкоскоростных и высокоскоростных сетевых интерфейсов, так и для последующих поколений процессоров могут быть созданы с той же самой программной архитектурой. Это означает, что, как только системный производитель выберет архитектуру, он может в течение долгих лет эффективно использовать для создания новых продуктов эту архитектуру и программное обеспечение, уже написанное для нее.

NPU стали появляться в конце 1990-х годов. Как заметил Джон Метц, опытный аналитик по вопросам сетевых процессоров компании Metz International, производители микросхем не смогли сообщить точную дату выпуска своих устройств, и системные производители упустили возможные преимущества от своевременного выхода на рынок, поскольку интеграция новых процессоров потребовала от обеих сторон огромной работы.

Однако производители оборудования наконец заинтересовались этой концепцией. Ожидалось, что разработка процессоров приведет к появлению NPU с возросшим быстродействием и уменьшенными размерами, однако Метц отметил такие внешние факторы, как крупные дисководы.

Кроме того, NPU все чаще создаются в расчете на использование в тех местах, где они будут полезнее всего, то есть на границе сети, в месте соединения сети провайдера услуг и корпоративной сети. Именно здесь чаще всего реализуются разнообразные службы, такие как виртуальные частные сети (VPN), функции межсетевых экранов и механизмы поддержки качества обслуживания (QoS).

«Эти функции требуют высокой степени программируемости и гибкости. Многие из них ранее уже были реализованы в программном обеспечении, но чисто программный подход на центральном процессоре поднимает крайне важные вопросы производительности», — заметил Боб Вилер, аналитик компании Linley Group. Кроме того, NPU также применяются в маршрутизаторах, составляющих основу предприятия.

Что касается предприятий, создающих локальные сети, и пользователей провайдеров услуг, новые процессоры означают, что новые сетевые продукты могут быть выпущены раньше, а новые услуги предоставляться быстрее. NPU должны помочь маршрутизаторам и коммутаторам функционировать, как и прежде, по мере развития в ближайшие несколько лет сетевых стандартов. Гибкость NPU означает, что новые модули могут открыть для творческих системных производителей возможности, о которых те раньше даже и не мечтали.

Фирма SVA Networks, дочернее предприятие компании SVA Information Industry, воспользовалась NPU и коммутируемой структурой корпорации IBM для создания недорогих коммутаторов для локальных сетей. По словам Джерри Пейта, первого вице-президента SVA по инжинирингу, фирма сэкономила на разработке ASIC и обеспечила необходимую гибкость.

«Мы входим в состав достаточно крупной компании, но, по существу, представляем собой новую фирму», — подчеркнул Пейт.

В будущем SVA планирует реализовать больше функций, в частности обеспечить надежную защиту, причем не меняя процессоры. Как правило, ASIC разрабатываются для выполнения определенного количества функций и могут даже определенным образом программироваться, но существуют ограничения.

«Отведенные ей 43 функции она выполняет максимально быстро, но, если вам захочется добавить 44-ю, возникают проблемы», — заметил Пейт.

Когда недавно созданная фирма Laurel Networks начала разработку маршрутизатора для границ сетей провайдеров услуг, который мог бы передавать трафик от таких служб, как frame relay и ATM (Asynchronous Transfer Mode), в основную IP-инфраструктуру, ей, как подчеркнул Стефан Вогелсанг, основатель компании и директор по маркетингу, удалось быстро выйти на рынок благодаря использованию NPU.

NPU дают и другие преимущества компании. Операторы получат возможность предлагать новые виды услуг пользователям каждый раз, когда Laurel будет выпускать модернизации своего программного обеспечения маршрутизатора, что, как предполагается, будет происходить раз в квартал. Помимо загрузки новых функций для устройств, операторы смогут адаптировать службы к конкретным клиентам, изменяя программное обеспечение на NPU, обслуживающем порт клиента. Это значит, что операторам не придется переносить клиент на другой порт или создавать для него новую службу.

Далеко не все производители сетевого оборудования согласны с таким представлением о будущем NPU. Компания Juniper Networks, выпускающая маршрутизаторы для основной инфраструктуры провайдеров услуг, по-прежнему рассчитывает на использование специализированных микросхем, поскольку они, по словам Скотта Крайенса, председателя совета директоров, президента и генерального директора Juniper, способны удовлетворить требования к скорости. Крайенс заявил об этом до того, как в мае Juniper подписала договор на приобретение фирмы Unisphere Networks, который позволит значительно расширить бизнес компании в этом направлении. Как предполагается, эта сделка будет завершена в третьем квартале 2002 года.

Серьезный вопрос возникает в связи с компанией Cisco Systems, ведущим производителем маршрутизаторов и коммутаторов данных, а также устройств, предназначенных для базовой инфраструктуры сети и ее границы. В 1999 году компания выпустила свой собственный NPU, Parallel Express Forwarding Network Processor (PXF), и использует его в маршрутизаторах 7200, 10000 Series ESR (Edge Services Router) и 7600 OSR (Optical Services Router). Однако представитель Cisco Ларри Ю считает, что компания не готова сейчас представить свою стратегию в отношении NPU.

По мнению аналитиков, это может означать, что компания близка к принятию решения по поводу NPU, в частности, будет ли она использовать процессоры других производителей или по-прежнему будет устанавливать свои собственные устройства. Со временем, как считают аналитики, для Cisco разумнее будет применять коммерческие NPU.

По-видимому, перспективность NPU осознают пока еще не многие предприятия. Некоторые сетевые инженеры, принявшие участие в прошедшей в Лас-Вегасе выставке Networld+Interop, не были знакомы с этой технологией и высказывали разные мнения о ее потенциальной значимости.

Мэтт Дойдж, руководитель группы сетевых операций компании Aerostructures Group of Goodrich, считает, что сетевые устройства, созданные с помощью NPU, могли стать удачной находкой, если бы они избавляли от выполнения дорогостоящих модернизаций оборудования. Марк Макнейл, директор по сетевым службам Университета Фордхама, отозвался о них с меньшим энтузиазмом. Полезные модернизации уже могут быть сделаны в используемом в университете оборудовании локальных сетей на базе ASIC за счет изменений в программном обеспечении.

Более того, отрасль NPU вместе с самой технологией пока достаточно молода, и производители и аналитики во время конференции по NPU, проведенной во время Networld+Interop, обращали на это особое внимание. До сих пор продолжаются дискуссии по таким вопросам, как аппаратные подходы и технологии памяти. Мечты производителей микросхем о том, чтобы компании, выпускающие оборудование, использовали свою архитектуру NPU для создания поколения за поколением легко проектируемых продуктов, в ближайшие годы не реализуются.

Это не в последнюю очередь связано с тем фактом, что скорость сетевых интерфейсов увеличивается значительно быстрее, чем скорость традиционных процессоров: она выросла примерно в десять раз за последние несколько лет.

«Единственный способ, который позволит использовать процессоры, работающие вдесятеро быстрее, — это реализовывать более разумные архитектуры, в силу чего крайне сложно сохранить старые архитектуры», — считает Крис Хугенбум, президент, генеральный директор и основатель компании Internet Machines, выпускающей NPU.

Несмотря на то что эта работа требует использования нового процессора, производители оборудования могут выбирать таких поставщиков NPU, которые предложат более передовые с точки зрения технологии решения, согласующиеся со стратегией.

Тем не менее, учитывая, что в будущем сетевые требования и обязательные стандарты станут часто меняться, как считает Метц, программируемость в любом отдельном поколении устройств может оказаться серьезным преимуществом. И провайдеры услуг, и предприятия, осознавая достоинства таких устройств, будут использовать их все активнее.

«Пока предприятия особо ими не интересуются, но этот интерес начнет расти», — утверждает Метц.

Сегодня и завтра

По сравнению со своими аппаратными аналогами системы на базе NPU предлагают проектировщику решение на одном кристалле, поддерживающее переход от фиксированной к программируемой среде. Программируемость обеспечивает системе необходимую гибкость для адаптации к изменяющимся стандартам или требованиям