一種可重構(gòu)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包解析器中可重構(gòu)單元的設(shè)計*

趙 宇，殷樹娟，李翔宇

(1.北京信息科技大學(xué)理學(xué)院，北京 100192;2.清華大學(xué)微電子學(xué)研究所，北京 100084)

1 引言

近年來互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，各種新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)層出不窮，隨著網(wǎng)絡(luò)體系的不斷膨脹及特殊服務(wù)種類的增加，出現(xiàn)了大量的新型協(xié)議，如MPLS(Multi-Protocol Label Switching)、GRE(Generic Routing Encapsulation)、IP-in-IP等。為了適應(yīng)新的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需求，運營商不得不快速更新網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)設(shè)備，但是更新硬件開發(fā)周期較長且部署成本較高，問題隨之而來。

交換機作為網(wǎng)絡(luò)中不同設(shè)備之間數(shù)據(jù)交互的中轉(zhuǎn)機制，是設(shè)備之間的鏈路樞紐。如果能夠提高網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備(交換機)的性能，尤其是通用性和靈活性，使其能夠在不重新部署的情況下隨著網(wǎng)絡(luò)體系升級，這將對解決上述問題有極大的幫助。

交換機在工作時，第1步是實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的解析，而傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包包頭的報文序列通常是具有固定格式的。但是，現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)中，如前文所述，交換機需要處理的報文格式更加豐富，而且可能需要處理用戶自定義的未知協(xié)議報文，因此需要實現(xiàn)更加靈活通用的數(shù)據(jù)包解析器來滿足現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)中不同業(yè)務(wù)的需求，在不降低解析速度的情況下可支持新的協(xié)議加入。

在這之前相關(guān)研究人員已經(jīng)做出了大量努力，如CPHP(Configurable Parser for Heterogeneous Protocols)[1]和RDFE(Reconfigurable Dataplane for network Function Evolution)[2]設(shè)計通過引入可配置用戶定制模塊和配套的解析樹映射算法，將用戶定制的協(xié)議映射到硬件結(jié)構(gòu)中，從而實現(xiàn)異構(gòu)協(xié)議的解析。但是，這2個設(shè)計在解析較長的數(shù)據(jù)包包頭時解析路徑相對較長，其相應(yīng)消耗的解析時鐘周期較多，解析速度會明顯下降。CAFE(Configurable pAcket Forwarding Engine)[3]和SwitchBlade[4]設(shè)計是通過一種任意比特提取器來實現(xiàn)包頭解析時包頭中的任意比特域的提取或組合，這種設(shè)計思想僅初步實現(xiàn)了用戶自定義匹配域抽取模式，沒有解決關(guān)鍵字匹配和解析動作的可編程性問題。Kozanitis等人[5]提出了Kangaroo結(jié)構(gòu)，通過可編程的協(xié)議樹預(yù)測解析，實現(xiàn)多個數(shù)據(jù)包的同時處理，其解析能力可以達到40 Gbps。但是，它利用TCAM(Ternary Content Addressable Memory)來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)包中預(yù)定義偏移的預(yù)測性提取，其數(shù)據(jù)包存儲在內(nèi)存系統(tǒng)中，提取指令每次都要從中取出相應(yīng)的字段，這樣其處理協(xié)議的預(yù)測跨度將受限于可從內(nèi)存子系統(tǒng)中提取字段的多少。DrawerPipe模型[6]將網(wǎng)絡(luò)功能抽象為5個標準的“抽屜”，不同的“抽屜”根據(jù)需要裝載不同的處理模塊，通過組合處理模塊實現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)功能。這一模型目前僅能實現(xiàn)對數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中各種數(shù)據(jù)進行不同功能的分組處理，還沒有用于數(shù)據(jù)交換的實例。劉中金等人[7]提出了EPC(Elastic Protocol Customization)結(jié)構(gòu)及其對應(yīng)的映射算法，其核心思想是通過偏移量信息來提取匹配域，但僅支持4個匹配域的提取，故無法滿足實際應(yīng)用的需求。王永娜等人[8]使用XML語言描述可擴展協(xié)議報文的方法，以簡單協(xié)議解析為基礎(chǔ)，將解析器功能模塊化，從而設(shè)計出異構(gòu)協(xié)議動態(tài)解析器模型，但是其目前只適用于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。Bosshart等人[9]提出了基于 TCAM 的可編程解析器架構(gòu)，同時在解析模塊中引入 RAM 存儲匹配域的偏移量，從而實現(xiàn)匹配域的用戶自定義。為實現(xiàn)解析器的快速設(shè)計，Benacek等人[10]和Attig等人[11]分別將高級數(shù)據(jù)包處理語言 P4(Programming Protocol-independent Packet Processors)和PP(Packet Parsing)映射到FPGA中，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)包解析器的快速生成，但是在每次處理協(xié)議變化時還要重新編譯生成新的解析器的FPGA配置文件，F(xiàn)PGA作為一種通用的細粒度可重配置芯片，其實現(xiàn)效率相對較低，所實現(xiàn)的解析器性能受到了限制。

基于以上討論，本文提出了一種可以通過靜態(tài)配置實現(xiàn)不同解析邏輯(包括用戶自定義的未知協(xié)議)的以太網(wǎng)交換機數(shù)據(jù)包解析器基本處理單元PE(Process Element)，這種PE可以被用于任何一層協(xié)議的解析，配置文件由編譯器根據(jù)協(xié)議幀格式生成，通過流水線式級聯(lián)能夠搭建支持各種協(xié)議(包括自定義的未知協(xié)議)集合的可重構(gòu)數(shù)據(jù)包解析器。由于它是面向包解析器這一特定硬件類型設(shè)計的定制可重構(gòu)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)效率高于通用的FPGA，配置文件規(guī)模也得到大大壓縮，與已有方案相比，其具有更少的資源占用率、更高的性能和更高的靈活性。

2 數(shù)據(jù)包解析器的整體架構(gòu)

在高性能以太網(wǎng)交換機芯片中，目前數(shù)據(jù)包解析器普遍采用流水線結(jié)構(gòu)，所有輸入的數(shù)據(jù)包都按照相同的流水線逐級傳遞，中間不能停頓以確保數(shù)據(jù)在交換機芯片內(nèi)部不會出現(xiàn)擁塞。包解析的各步操作按照協(xié)議封裝層次順序依次排列在流水線中，大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包解析過程都可以看成是多叉樹結(jié)構(gòu)，在每一層針對本層樹節(jié)點的對應(yīng)域進行提取、匹配，從而實現(xiàn)本層協(xié)議的解析。因此，每層協(xié)議的解析硬件也具有相似性，每級流水線可以采用相同的可重構(gòu)基本處理單元(PE)來構(gòu)成，每級PE對應(yīng)1層包頭(1層協(xié)議)的解析，這樣可以簡化硬件設(shè)計和配置文件的生成。

本文數(shù)據(jù)包解析器的設(shè)計思想是將包解析中固定的內(nèi)容，如變化較少的L1協(xié)議、checksum等內(nèi)容采用固定邏輯實現(xiàn)，而將需要具備可編程性的包解析部分用可重構(gòu)的PE級聯(lián)實現(xiàn)。這樣可以最大化系統(tǒng)的實現(xiàn)效率和靈活性，同時因為采用規(guī)則的結(jié)構(gòu)(復(fù)用PE)，又能夠有效降低硬件設(shè)計復(fù)雜度，滿足設(shè)計時間的要求。

本文主要關(guān)注PE單元的設(shè)計，因此忽略解析器中的固定邏輯部分，這樣的解析器主體部分的整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1所示，它由多個可重構(gòu)基本處理單元 (PE)級聯(lián)組成。PE之間的數(shù)據(jù)交換通過幀寄存器(Frame)和中間值寄存器堆IRF(Intermediates Register File)實現(xiàn)。交換機接收到的數(shù)據(jù)包包頭(PKT_header)會隨著Frame數(shù)據(jù)通路進行傳輸，首先由前面的預(yù)處理邏輯匹配出首層的協(xié)議所要提取的關(guān)鍵字段的位置及下1層協(xié)議類型，并對關(guān)鍵字段進行提取存放到IRF中，然后由PE單元對數(shù)據(jù)包剩下協(xié)議進行逐層解析，提取出的關(guān)鍵字段及處理結(jié)果均存放于IRF寄存器中。

Figure 1 Overall structure of Parser圖1 Parser的整體結(jié)構(gòu)框圖

圖1中可重構(gòu)PE模塊是此報文解析器的核心部分，可重構(gòu)PE模塊通過配置可以實現(xiàn)不同的硬件解析邏輯，從而支持對不同協(xié)議報文的解析?；镜脑O(shè)計原則是數(shù)據(jù)包的每層封裝的解析對應(yīng)1級PE單元，對應(yīng)現(xiàn)代需要解析到L4層的交換機，典型應(yīng)用場景中包含5級PE。通過配置可以實現(xiàn)不同層之間的配合解析，也可以每層獨立解析，因此具有較高的靈活性。

3 可重構(gòu)基本處理單元

硬件可重構(gòu)解析處理單元的實現(xiàn)是本設(shè)計的關(guān)鍵所在。包含不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，其對應(yīng)數(shù)據(jù)域的位置、長度、類型均不相同，因此要處理不同協(xié)議的數(shù)據(jù)包，就需要靈活地調(diào)動同一層或不同層的硬件資源，通過這些資源的相互配合來協(xié)同工作，這就要求必須實現(xiàn)可靈活配置的硬件可重構(gòu)單元。

由于數(shù)據(jù)包包頭是各種報文序列的組合，因此數(shù)據(jù)包的解析過程可以按層進行劃分，每層報文的解析可以概述為提取、查找、動作3個過程。接收到的數(shù)據(jù)包輸入到數(shù)據(jù)包解析器中，對應(yīng)任一層協(xié)議的解析，首先要根據(jù)協(xié)議類型提取出當前協(xié)議包頭的關(guān)鍵字段，然后進行查表匹配出需要執(zhí)行的動作，最后執(zhí)行相應(yīng)的動作(如提取關(guān)鍵字段值、字段值的比較、設(shè)定報文類型描述符等)，這就完成了一層報文解析的過程。

可重構(gòu)PE是實現(xiàn)上述解析邏輯可重構(gòu)的基本單元，其結(jié)構(gòu)如圖 2所示，主要是由PE配置模塊(PE_config)、 Cell_A單元、Cell_B單元、PE_bypass模塊、Offset模塊、Frame數(shù)據(jù)通路、IRF 數(shù)據(jù)通路幾個部分組成。

Figure 2 Structure of reconfigurable PE圖2 可重構(gòu)PE結(jié)構(gòu)框圖

在這里將Cell_A單元和Cell_B單元統(tǒng)稱為Cell單元，其用來實現(xiàn)對協(xié)議報文的解析，Cell單元的硬件實現(xiàn)邏輯可以根據(jù)協(xié)議幀格式進行配置，從而支持不同的協(xié)議幀的解析。Cell單元中包含PA、PB、PC和Action幾個部分，其中PB、PC主要為查找表結(jié)構(gòu)，而Cell_A單元和Cell_B單元的區(qū)別將在下1小節(jié)中具體說明。

典型情況下，F(xiàn)rame數(shù)據(jù)通路中傳輸?shù)氖? 024 bit的數(shù)據(jù)包包頭信息，主要是向Cell單元提供數(shù)據(jù)，Cell單元可以在Frame中提取出任意指定的數(shù)據(jù)匹配域(即關(guān)鍵字段)。

IRF數(shù)據(jù)通路是用來暫存解析過程中所產(chǎn)生的結(jié)果(描述符)和需要跨層傳遞的臨時中間數(shù)據(jù)，其在第1層輸入的是由前端的報文預(yù)解析模塊產(chǎn)生的初始數(shù)據(jù)，如端口號、是否為環(huán)回報文等，然后每經(jīng)過1層PE單元，寄存器的數(shù)量增加相應(yīng)的量，為每層PE處理過程中所新產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包描述信息。

PE_config單元是完成Cell單元中PB、PC的查找表的表項內(nèi)容的配置。

PE_bypass單元主要實現(xiàn)跨層協(xié)議的處理，如Ethernet+IPv4+…的數(shù)據(jù)包，在PE_L2層完成了Ethernet的解析，而IPv4是在PE_L3層解析的，則需要跳過L2子層，此時PE_L2s內(nèi)的PE_bypass單元就完成該工作，其根據(jù)上1層傳來的bypass_cur信號執(zhí)行跳過本層的動作，同時為了匹配各層的延時，需要將數(shù)據(jù)通路的數(shù)據(jù)信號進行相應(yīng)的延時。

Offset單元用來實現(xiàn)每層PE單元的Frame數(shù)據(jù)通路的起始數(shù)據(jù)訪問位置的偏移工作，對于1個數(shù)據(jù)包，上1層解析過的數(shù)據(jù)，在下1層不需要再次訪問，因此下1層的起始訪問數(shù)據(jù)將要越過上層已解析的數(shù)據(jù)，該單元就完成對應(yīng)操作。這種做法可以減少偏移量的存儲位寬，同時縮小訪問范圍，降低硬件設(shè)計復(fù)雜度和硬件開銷。

3.1 Cell單元

Cell單元是每層PE實現(xiàn)對應(yīng)協(xié)議解析的關(guān)鍵所在，其有2種不同的形式——Cell_A單元和Cell_B單元。如圖 2所示，Cell單元中均包含PA、PB、PC、Action幾個模塊。

Cell中的PA模塊用來實現(xiàn)特定數(shù)據(jù)域的提取，每1個Cell單元中設(shè)置了若干個PA。PA模塊的輸入為前1級PE輸出的關(guān)鍵字段偏移量、本級Frame寄存器的待提取的數(shù)據(jù)幀，輸出為提取出來的關(guān)鍵字段。PB模塊的輸入為本級各PA模塊輸出的關(guān)鍵字段，其核心是1個匹配查找表，把關(guān)鍵字段組合和其中存儲的匹配模板一一比較，輸出匹配的模板所對應(yīng)的協(xié)議類型信息。如果關(guān)鍵字段和任何特征模板都不匹配，則發(fā)送非法標識到PC單元，PB單元每個匹配模板還有1個對應(yīng)的掩碼字，用來忽略不關(guān)心的比特。PC中有PC_cur和PC_nxt 2種表，其中PC_cur表用來根據(jù)PB表的匹配結(jié)果索引要執(zhí)行的動作，PC_nxt表用來根據(jù)PB表的匹配結(jié)果索引下1層PE單元要提取的關(guān)鍵字的偏移量。Action用來執(zhí)行PC表索引的對應(yīng)的動作，這些動作的定義以超長指令字的形式表示，Action執(zhí)行的指令的源操作數(shù)來自Frame(即數(shù)據(jù)包頭字段)、IRF或立即數(shù)寄存器，執(zhí)行結(jié)果被寫入IRF。

在數(shù)據(jù)包頭解析的過程中，存在同時檢查多個關(guān)鍵字段的情況(如QinQ協(xié)議解析時就需要同時提取外層Type、內(nèi)層Type和MAC 3個字段域，PA取出這些字段后，再將他們拼接成1個Keyword輸出給PB進行查表)，特別是如果這些關(guān)鍵字段彼此是獨立還要考察其各種組合，則需要對應(yīng)增加很多表項(如MAC域要進行的是比較操作，Type域要進行的是協(xié)議類型查找操作，假使MAC域有m種可能，Type域有n種可能，如果把這2個獨立的域合成1個Keyword給PB進行查表，則存在m×n種組合的可能性，即會使PB表增加m×n行，這將使存儲開銷激增)，而各層協(xié)議的匹配任務(wù)數(shù)量(即需要支持的協(xié)議種類數(shù)量)差異也較大，業(yè)務(wù)類型越豐富的層匹配任務(wù)越多，如果只使用1種固定的Cell單元，同時滿足所有層次的需求，會引入很大冗余開銷，因為匹配任務(wù)數(shù)量少的層無需大的存儲表，而如果采用較小的Cell單元，某些層可能僅靠1個Cell單元無法完全解析，如果串聯(lián)多個Cell單元解析，則時鐘周期將大大增加，降低解析速度。因此，本文采用多個小單元任意組合的解決方案，即在不同層次上根據(jù)需要并行放置不同數(shù)量的Cell單元。同時使用多個Cell單元并行解析，這樣可以解耦復(fù)雜的解析操作，即將彼此獨立的條件匹配復(fù)雜操作進行分解，然后存儲到并行的多個Cell單元的表中，這樣不僅可以保證1層協(xié)議頭在PB處只需1個時鐘周期即可完成解析，降低了配置的復(fù)雜度；同時也可以去除表項之間的耦合關(guān)系，使獨立的匹配條件分別存儲到多張表中，減少表項的條目，即減小存儲開銷。例如，上述Type和MAC 2個字段的匹配操作，如果分別使用2個并行的Cell單元來處理，則一共僅需m+n行表項，這將大大節(jié)約存儲開銷。因為每層協(xié)議解析僅需1張存儲下1層協(xié)議類型的表(即PC_nxt表)，如果直接使用相同的Cell單元并行解析1層協(xié)議，則PC_nxt表資源會存在浪費，因此這里設(shè)計了2種形式的Cell單元：Cell_A和Cell_B。在Cell_A單元中PC模塊包含PC_cur和PC_nxt 2種表，而Cell_B單元的PC模塊僅有PC_cur這1張表?？紤]到一些協(xié)議解析操作比較復(fù)雜，為了簡化硬件配置邏輯，PE有3種組合情況，Cell_A單元都是1個，但其可以分別含有0個、1個、2個Cell_B單元，具體使用哪種情況，在設(shè)計調(diào)用時要根據(jù)實際解析的數(shù)據(jù)包在各層解析所占用的硬件資源來確定。

使用2種形式的Cell單元并行解析的實現(xiàn)方式，通過PE_config單元的配置，可以使Cell_A、Cell_B單元協(xié)同工作，同時解析協(xié)議樹中同1層的多個協(xié)議。當2個Cell_B單元仍無法完全解析1層協(xié)議時，可以通過對相鄰2層PE單元中查找表的協(xié)同配置，使相鄰2層或多層PE單元來處理1個較為復(fù)雜的協(xié)議層。這樣，只要不超出硬件資源的容量，可以實現(xiàn)任意1種未知協(xié)議的解析，提高硬件資源的復(fù)用率和通用擴展性。

3.2 可重構(gòu)處理單元的數(shù)據(jù)通路

3.2.1 關(guān)鍵字段提取單元PA

PA負責(zé)解析器中Frame數(shù)據(jù)和IRF數(shù)據(jù)的提取工作，其通過輸入的Offset值，對輸入數(shù)據(jù)中相應(yīng)的字段值進行提取。PA可以分別訪問到Frame和IRF 2個數(shù)據(jù)存儲單元，具體訪問哪一路數(shù)據(jù)由PE_bypass單元指定。PA提取的數(shù)據(jù)作為關(guān)鍵字傳給PB。PA單元的結(jié)構(gòu)如圖 3所示。

Figure 3 Internal structure of PA圖3 PA內(nèi)部結(jié)構(gòu)

如圖 3所示，PA用來實現(xiàn)特定數(shù)據(jù)域的提取，每1個Cell單元中設(shè)置了若干個PA，在實現(xiàn)提取時采用統(tǒng)一提取的方式，一次性提取出本級PE后續(xù)解析所需要的所有關(guān)鍵字段，以提高提取效率。由于前1層解析過的包頭數(shù)據(jù)在下1層解析中不需要再次訪問，因此通過偏移對齊每層協(xié)議頭部(偏移工作由Offset單元完成)，可以減少用來描述可訪問數(shù)據(jù)的位寬，即縮小偏移量位寬，不僅節(jié)省硬件開銷，也提高了解析速度。因此，在本設(shè)計中，PA只能訪問當前層協(xié)議幀頭部的數(shù)據(jù)，即整體訪問跨度等于所有協(xié)議幀頭部長度的最大值，本設(shè)計每個PA可訪問16字節(jié)的數(shù)據(jù)。同時，又由于匹配域(即關(guān)鍵字段)的長度不定，很難做到通用，如果使用固定邏輯會浪費硬件開銷，分散提取會增加數(shù)據(jù)偏移量的存儲開銷，因此為了降低后續(xù)處理硬件邏輯的復(fù)雜度，在該模塊采用固定長度的提取方案，即每個PA單元1次可提取出1個字節(jié)數(shù)據(jù)。長度超過1個字節(jié)的字段，則由多個PA分別提取后拼接，當長度不是字節(jié)整倍數(shù)時，則額外提取相鄰位補充成完整字節(jié)，多余的比特在匹配時再利用掩碼功能忽略掉。

3.2.2 關(guān)鍵字段匹配單元PB

PB是查找表結(jié)構(gòu)，其表項內(nèi)容如表 1所示，PB可以根據(jù)PA傳來的關(guān)鍵字和上級PE解析出的本層協(xié)議類型(HDR_ID)匹配出本層協(xié)議所執(zhí)行的動作索引SUB_ID和下1層協(xié)議類型(NXT_ID)及Bypass信息。為了降低配置的復(fù)雜度，采用二級表結(jié)構(gòu)將表項進行拆分，對于一些復(fù)雜運算先經(jīng)過前級表進行轉(zhuǎn)換，變換成已有的簡單運算，再在后級表中進行匹配。

Table 1 Contents of PB table表1 PB表的表項結(jié)構(gòu)

Figure 4 Internal structure of PB圖4 PB內(nèi)部結(jié)構(gòu)

PB單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 4所示，其接收到的關(guān)鍵字先與Mask進行掩碼操作，然后再與查找表中存儲的Value項進行匹配。這里使用掩碼操作是為了在提取時可以實現(xiàn)固定長度的統(tǒng)一提取操作，這樣不僅降低了硬件設(shè)計的復(fù)雜度，規(guī)范了數(shù)據(jù)的處理位寬，同時減小了存儲開銷。

3.2.3 動作及協(xié)議類型索引單元PC

PC中有PC_cur和PC_nxt 2種表，如表2所示，PC_cur表根據(jù)PB表的匹配結(jié)果(SUB_ID)索引要執(zhí)行的動作的超長指令字VLIW(Very Long Instruction Word)信息和下1級PE單元的Frame數(shù)據(jù)通路的起始數(shù)據(jù)訪問位置的偏移(LYR_offset)信息，并分別將VLIW通過Action、LYR_offset輸出給本級PE的Offset單元；PC_nxt表根據(jù)PB表的匹配結(jié)果(NXT_ID)索引下1層PE單元的每個PA所要提取數(shù)據(jù)域的位置偏移信息PA_offset。

Table 2 Contents of PC table 表2 PC表的表項結(jié)構(gòu)

PC_cur表的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖 5所示，其主要使用SRAM(Static Random Access Memory)實現(xiàn)，為了節(jié)省存儲空間，在配置PC_cur表時，使其表項條目順序按照PB表中對應(yīng)的SUB_ID條目的順序進行存儲，這樣在PC_cur表中可以省去SUB_ID的匹配過程，簡化了硬件設(shè)計復(fù)雜度。

Figure 5 Internal structure of PC_cur圖5 PC_cur內(nèi)部結(jié)構(gòu)

PC_nxt表的內(nèi)部實現(xiàn)如圖 6所示，其根據(jù)PB給出的NXT_ID信息，與自己表中的HDR_ID信息匹配出下1層PE單元的PA模塊所提取的關(guān)鍵字段的偏移量PA_offset信息。其表項內(nèi)容通過配置可以做出相應(yīng)的改變，以此來滿足不同協(xié)議解析的要求。

Figure 6 Internal structure of PC_nxt圖6 PC_nxt內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3.2.4 動作執(zhí)行單元Action

Action用來執(zhí)行PC表索引出的對應(yīng)動作，其接收來自PC的超長指令字(VLIW)，解析指令，取源操作數(shù)并執(zhí)行。Action內(nèi)部有3種指令單元，如圖 7所示，每種指令單元各8個,共24個。1個超長指令字包含24個子指令，分別控制這24個指令單元。在本設(shè)計中對每級PE做了IRF的預(yù)分配，每個Action單元對應(yīng)分配到24*8 bit的IRF空間，即每個指令對應(yīng)8 bit的IRF空間，用來存儲指令的運行結(jié)果;同時,為了簡化IRF的存儲結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，在本設(shè)計中，將指令單元與存儲空間進行了綁定，而存儲空間的實際意義(即存儲的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))由編譯器進行指定，與硬件結(jié)構(gòu)無關(guān)。

Figure 7 Diagram of Action圖7 Action框圖

在指令集設(shè)計中，盡量精簡指令集，以縮短指令長度，指令長度縮短可以降低PC模塊中的表項規(guī)模，簡化指令譯碼邏輯復(fù)雜度。各指令單元如圖 7所示，ALU單元用來執(zhí)行大于(Greater than)、等于(Equal)等比較操作，MOV單元和SET單元分別執(zhí)行復(fù)制(Move)、置數(shù)(Set)操作。Move子指令將Frame或IRF中的數(shù)據(jù)賦值到IRF寄存器中。Set子指令將數(shù)值域的值賦值到對應(yīng)的IRF寄存器中。報文解析中用到的其它操作(如大于或等于等操作)都可以轉(zhuǎn)化為這幾種操作。這3種指令單元的指令格式如表 3所示。

Table 3 Sub instruction format of Action表3 Action的子指令格式

ALU單元子指令共24 bit，分為6個域，分別為指令名稱域(Ist)、掩碼域(Mask)、操作數(shù)1源選擇域(Source 1)、操作數(shù)1偏移量域(Offset 1)、操作數(shù)2源選擇域(Source 2)、操作數(shù)2偏移量域(Offset 2)。Ist域用來指定操作類型；Mask域?qū)Σ僮鲾?shù)做掩碼操作，去除操作數(shù)中無用信息，其做掩碼時以字節(jié)為單位，最高支持64 bit；操作數(shù)源選擇域指示操作數(shù)來源于Frame還是IRF；操作數(shù)偏移量域指示從數(shù)據(jù)源中提取的具體數(shù)據(jù)位置偏移量。ALU單元的操作結(jié)果存放到IRF寄存器中。

MOV單元子指令共8 bit，分為3個域，分別為使能域(En)、操作數(shù)源選擇域(Source)、操作數(shù)偏移量域(Offset)。En域指示是否執(zhí)行MOV操作；Source域指示操作數(shù)來源于Frame或IRF；Offset域指示從數(shù)據(jù)源中提取的具體數(shù)據(jù)位置偏移量。

3.3 存儲開銷分析

在可重構(gòu)處理單元中，存儲開銷主要包括：存儲類型域內(nèi)容的查找表、存儲偏移量信息及匹配域字段的查找表、存儲中間數(shù)據(jù)的寄存器IRF、存儲數(shù)據(jù)包包頭的Buffer。這幾個部分的開銷分析如下：假設(shè)PE中PA模塊的個數(shù)為Npa；PB模塊查找表可以支持的協(xié)議條目數(shù)為Pb；PC模塊中當前級查找表(PC_cur)支持的協(xié)議條目數(shù)為Pccur，下1級查找表(PC_nxt)支持的協(xié)議條目數(shù)為Pcnxt；ALU指令的位寬為A，MOV指令的位寬為M,SET指令的位寬為S，Action單元中指令單元總個數(shù)為Z；每層可重構(gòu)處理單元(PE)所支持的最大和最小包頭長度分別為Max_header和Min_header。那么,各種存儲開銷計算公式如表 4所示。

Table 4 Storage overhead calculation formula表4 存儲開銷計算公式

對于包含1個Cell_A單元、2個Cell_B單元(每個Cell單元中包含24個PA單元、1個PB單元、1個PC單元、1個Action單元)的PE(可支持的協(xié)議條目為32，數(shù)據(jù)包包頭長度為1 024 bit)開銷如下：PB表總計38 496 bit；PC表總計49 632 bit；IRF寄存器總計704 bit；緩沖寄存器總計1 262 bit，即1層PE的總存儲開銷約為87.98 Kb。

3.4 基于本文PE的包解析器實例

本節(jié)將給出1個基于本文所設(shè)計的PE實現(xiàn)的支持如表 5所示的協(xié)議集合的數(shù)據(jù)包解析器作為示例，說明PE的配置方法。

以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包包頭包含的首先是鏈路層協(xié)議，如Ethernet Ⅱ、Vlan、 IP-in-IP(802.1q)等；然后是

Table 5 Protocol set supported by the packet parser表5 數(shù)據(jù)包解析器支持的協(xié)議集合

MPLS層協(xié)議，典型的如MPLS L2/L3VPN等；接下來是網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議(如IPv4、IPv6等)和傳輸層協(xié)議(如TCP、UDP等)，本設(shè)計支持到傳輸層協(xié)議的解析。如圖 8所示，數(shù)據(jù)包的解析過程可以按照樹形結(jié)構(gòu)進行分解，每1個樹的節(jié)點為1種協(xié)議，樹的每1層為1個解析層次，與之對應(yīng)，采用層的硬件結(jié)構(gòu)對數(shù)據(jù)包進行解析，每1級或2級PE單元對應(yīng)協(xié)議樹的1層節(jié)點，通過配置可重構(gòu)處理單元來實現(xiàn)本層協(xié)議的硬件解析邏輯。

根據(jù)數(shù)據(jù)包的層封裝結(jié)構(gòu)的解析過程，將整個解析器設(shè)計為流水線(層)結(jié)構(gòu)。在本示例中，為支持到傳輸層協(xié)議的解析，選用5層PE進行級聯(lián)，為能夠支持IP-in-IP、MPLS等協(xié)議的解析，每層PE單元內(nèi)部包含1個Cell_A單元、2個Cell_B單元，每個Cell單元中均包含24個PA單元、1個PB單元、1個PC單元、1個Action單元，每層PE單元所支持的解析協(xié)議類型如表 5所示。在每級PE單元中，需要配置7張表(Cell_A中1個PB、1個PC_cur和1個PC_nxt,2個CellB中各1個PB和1個PC_cur)，它們的具體內(nèi)容由配套設(shè)計的編譯器生成(編譯器的設(shè)計本文不做討論)，然后通過PE_config單元加載。根據(jù)3.3節(jié)的公式估算，所用存儲資源共計0.429 6 Mb。

Figure 9 Simulation results of packet parser圖9 數(shù)據(jù)包解析器功能仿真結(jié)果

Figure 8 Schematic diagram of message protocol tree structure圖8 報文協(xié)議樹結(jié)構(gòu)示意圖

4 性能分析

本文提出1種可重構(gòu)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包解析器中可重構(gòu)單元的實現(xiàn)，以EthernetⅡ+Vlan+IPv4+MPLS+TCP數(shù)據(jù)包為例對其功能進行驗證分析，如圖 9所示為其功能仿真結(jié)果。

將圖9輸出結(jié)果與Wireshark工具軟件的輸出結(jié)果進行了比較，結(jié)果顯示一致。并使用Synopsys公司的邏輯綜合工具對本設(shè)計做了DC綜合分析，使用40 nm的工藝庫，最終系統(tǒng)能達到的時鐘頻率為240 MHz，由于測試實例使用了5級PE單元，每級時延為4個時鐘周期，故此數(shù)據(jù)包解析器處理1個數(shù)據(jù)包大約需83 ns，由本文PE按照流水線級聯(lián)方式組成的解析器理論上每個時鐘周期可以輸出1個數(shù)據(jù)包，因此由解析器決定的最高數(shù)據(jù)包吞吐率可達每秒2.4億個數(shù)據(jù)包(假設(shè)不存在環(huán)回報文)。同時，對1級PE(包含3個Cell單元，每個Cell單元中包含24個PA單元、1個PB單元、1個PC單元、1個Action單元)的面積做了評估，其面積為3 528 761.77，約為147.56萬門。

5 結(jié)束語

針對目前網(wǎng)絡(luò)體系中數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)設(shè)備的更新速度難以跟上網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的更新速度的問題，以及為了降低硬件部署成本的現(xiàn)實需求，本文提出了1種以可重構(gòu)的方式實現(xiàn)更改解析邏輯的數(shù)據(jù)報文解析器基本處理單元，并對其進行了功能測試及資源分析，其靈活性可以很好地滿足現(xiàn)實需求。通過測試這種結(jié)構(gòu)可以看出，該結(jié)構(gòu)支持多種協(xié)議且具有較高的轉(zhuǎn)發(fā)速率。該設(shè)計對軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)[11]的交換機芯片設(shè)計具有重要的價值。