WSTĘP

WSTĘP
Niniejsza praca magisterska jest poświęcona głównie Procesorom Sieciowym.
Procesor Sieciowy (Network
Processor,
NP) – to specjalizowany układ
procesorowy bardzo duŜej skali integracji, stosowany przede wszystkim w sieciach
komputerowych o szybszym transferze danych, takich jak: Fast, Gigabit, Ten Gigabit
Ethernet, ATM i SONET. NP łączy w sobie zalety Procesorów Ogólnego Przeznaczenia1
oraz
układów
specjalizowanych
ASIC.
Ze
strony
uniwersalnych
układów
procesorowych, Procesor Sieciowy przejął moŜliwość wdroŜenia lub/i modyfikacji
programu swego działania, co zapewnia
elastyczne i łatwe dopasowanie do
zmieniających się protokołów oraz funkcji sieciowych. Od układów ASIC – głównie
większą szybkość działania, w porównaniu ze standardowymi procesorami. Tytułowe
urządzenie przetwarza ruch sieciowy w obrębie prawie wszystkich warstw modelu
odniesienia OSI, to jest od warstwy 2 do 7 włącznie, z przepustowością dochodzącą do
10[Gb/s] w przypadku odmian powszechnie funkcjonujących na rynku2. NP klasyfikują i
analizują protokoły sieciowe. W [3] wyróŜniono dokładniej następujące funkcje
Procesora Sieciowego:
•
Fragmentacja i defragmentacja danych – ramki są defragmentowane,
potem przetwarzane, a następnie ponownie fragmentowane w celu wysłania.
•
Rozpoznanie i klasyfikacja protokołu – ramki są identyfikowane na
podstawie informacji, takich jak: typ protokołu, numer portu, adres dostępu i
innych.
•
Kolejkowanie
i
kontrola
dostępu
–
zidentyfikowane
ramki
są
rozmieszczane według określonej kolejności oraz sprawdzane, z wykorzystaniem
reguł kontroli dostępu, w celu podjęcia decyzji o dalszej transmisji lub
odrzuceniu.
1
Wyjaśnienie pojęcia znajduje się w punkcie poświęconemu Procesorom Ogólnego Przeznaczenia, w
pierwszym rozdziale pracy: Cechy wspólne dla większości Procesorów Sieciowych.
2
Obecnie trwają prace nad masowym wdroŜeniem procesorów sieciowych o przepustowości 40[Gb/s] i
większej rzędu [Tb/s].
Wstęp
8
•
Kształtowanie i inŜynieria ruchu – ruch sieciowy jest dopasowywany, gdy
zachodzi potrzeba transmisji do przewodu o innych parametrach3, lub do
światłowodu.
•
Jakość obsługi transmisji – dodatkowe kształtowanie dla QoS – ramki
mogą być znakowane dla następnych, szybko przetwarzających, urządzeń
sieciowych.
Ze względu na ogromną róŜnorodność rozwiązań układów Procesorów
Sieciowych, podana powyŜej definicja i funkcje odnoszą się do klasycznej, najczęściej
występującej postaci tytułowych układów. Nierzadko bowiem nie realizują one
wszystkich funkcji związanych z przetwarzaniem pakietów w obrębie tak duŜej liczby
warstw modelu OSI, czy patrząc od strony sprzętowej, są po prostu inną technologią
układową nazwaną mianem Procesora Sieciowego prawdopodobnie ze względów
aplikacyjnych i marketingowych.
PowyŜsza ogólna definicja Procesora Sieciowego pokazuje, Ŝe jest to układ o
ogromnych moŜliwościach ze względu na niespotykaną kompleksowość i szybkość
działania. Jednocześnie NP to jedne z najnowocześniejszych4 układów elektronicznych
na świecie, które nie są szerzej znane5 w Polsce!
Wiedza o Procesorach Sieciowych moŜe być przydatna w polskich warunkach
do:
lepszego zrozumienia zasad funkcjonowania sprzętu sieciowego często
zawierającego NP,
dokładniejszego dopasowania działania gotowego sprzętu sieciowego do
warunków konkretnej aplikacji. Współcześnie realizuje się to głównie poprzez
projekt
lub
modyfikację
części
programowej
wewnętrznych
układów
procesorowych danego urządzenia pracującego w sieci, w tym NP. Kroki takie
są poŜądane z uwagi na niemoŜność wytworzenia przez producenta sprzętu
sieciowego
oprogramowania
w
nieskończonej
liczbie
funkcjonalnych
kombinacji, nadąŜającego za wszystkimi zmianami w obrębie „komunikacyjnej
informatyki” oraz spełniającego indywidualne potrzeby określonych grup
3
Rozpatrywane są tu: opóźnienie i wariacja opóźnienia fazy impulsu (ji tte r), i inne.
Próbki pierwszych Procesorów Sieciowych pojawiły się w 1999, natomiast gwałtowny wzrost liczby
wprowadzonych na rynek (amerykański) układów tego typu nastąpił w roku 2000.
5
Z wyjątkiem kilku artykułów w czasopismach o tematyce teleinformatycznej, na przykład [2], czy
jednego z rozdziałów [1].
4
Wstęp
9
uŜytkowników. Dodatkowo zauwaŜa się, Ŝe konfiguracja sprzętowa w gotowych
urządzeniach jest znacznie ograniczona,
tworzenia własnego sprzętu sieciowego wykorzystującego NP.
NaleŜy
oczywiście
przyznać,
Ŝe
kolejność
powyŜszego
wypunktowania
odzwierciedla wzrastający, z coraz to większą ingerencją w sprzęt sieciowy, poziom
trudności w realizacji wymienionych postulatów. Ponadto najbardziej zaawansowanym
działaniem na polu Procesorów Sieciowych jest – według autora – projektowanie ich
wewnętrznej architektury. W tym przypadku nie znaleziono Ŝadnych przesłanek
stwarzających szansę dla realizacji tego typu posunięć w naszym kraju.
Obszar krajowych inwestycji związanych z Procesorami Sieciowymi jest więc
znacznie ograniczony, lecz wysoce pozytywne właściwości tych układów, czego
najlepszym i obiektywnym wskaźnikiem jest bardzo dynamiczny rozwój światowego
rynku NP, stwarzają powaŜne nadzieje na przyszły wzrost zainteresowania Procesorami
Sieciowymi w Polsce. Ten fakt, wraz z brakiem większego opracowania poświęconego
NP w języku polskim, stał się głównym motywem podjęcia przez autora takiego właśnie
tematu pracy magisterskiej.
Celem tej pracy jest więc przybliŜenie polskiemu czytelnikowi moŜliwie
kompletnej wiedzy o Procesorach Sieciowych.
Aby go osiągnąć w treści dzieła zawarto przede wszystkim wiadomości o:
cechach wspólnych, architekturze, programowaniu, zastosowaniach Procesorów
Sieciowych, a takŜe o rynku i tendencjach przyszłościowych występujących w obrębie
tytułowych układów. (Wymienione zagadnienia są obecne przy kompleksowym
przedstawianiu nie tylko NP, lecz takŜe innych rodzajów procesorów.)
Podstawowe właściwości Procesorów Sieciowych są zawarte we wstępie i
pierwszym rozdziale pracy: Cechy wspólne dla większości Procesorów Sieciowych.
Rozdział ten poprzez obecne w nim porównanie NP z innymi rodzajami układów
elektronicznych stosowanych w teleinformatyce, daje czytelnikowi orientację co do
miejsca jakie zajmuje Procesor Sieciowy wśród innych modułów będących budulcem
dzisiejszych urządzeń komunikacyjnych. Ponadto umoŜliwia on odpowiedź na pytanie:
Czy technologia Procesora Sieciowego jest atrakcyjna z punktu widzenia potrzeb
czytającego? Inaczej rzecz ujmując, czytelnik juŜ po lekturze wstępu i pierwszego
rozdziału moŜe pewnie podjąć decyzję o kontynuowaniu lub zaprzestaniu dalszego
zgłębiania tajników związanych z NP.
Wstęp
10
Kwestie związane z architekturą Procesorów Sieciowych występują w drugim
rozdziale: Architektura Procesorów Sieciowych, gdzie przede wszystkim znalazł się
przejrzysty podział i przedstawienie architektur NP oraz metody zwiększania
wydajności tych procesorów. Dodatkowo (zwłaszcza) ten fragment pracy dostarcza
spojrzenia na rozwój współczesnej techniki mikroprocesorowej.
Metody programowania i słuŜące do ich wdroŜenia narzędzia programistyczne
stanowią główną oś rozdziału trzeciego: Programowanie Procesorów Sieciowych. Ten
rozdział, podobnie jak i poprzedni, jest tak skonstruowany, aby dać czytelnikowi wgląd
nie tylko w problemy dotyczące programowania NP, ale takŜe innych układów.
Niezwykle waŜne, poniewaŜ świadczące o stopniu wykorzystania oraz
pozytywnych właściwościach Procesorów Sieciowych są zagadnienia ekonomiczne
związane z analizą wielkości i dynamiką wzrostu rynku NP na tle obszarów inwestycji w
dziedzinie innych układów stosowanych w telekomunikacji, zawarte w rozdziale
czwartym: Rynek Procesorów Sieciowych. W tej części pracy zamieszczono takŜe
wyrazisty, oparty na kilku kryteriach, podział tytułowych układów. Dokładniej
przedyskutowano tutaj takŜe perspektywy rozwoju technologii NP w Polsce w punkcie:
Polski rynek Procesorów Sieciowych.
Natomiast w ostatnim rozdziale pracy: Zastosowania Procesorów Sieciowych
przedstawiono najpopularniejsze dziedziny zastosowań NP. Szczegółowa analiza
jednego z nich, to jest wdroŜenia algorytmu CRC protokołu IP jest pretekstem do:
•
pokazania specyficznych problemów związanych ze stosowaniem Procesorów
Sieciowych, na przykładzie układu IXP1200 firmy Intel,
•
zaprezentowania właściwości konkretnego NP na tle wcześniejszej treści pracy.
W zakończeniu dokonano oceny realizacji celu jaki został postawiony przed
prezentowaną pracą. Przeprowadzono przy tym porównanie niniejszego dzieła z innymi
największymi opracowaniami z dziedziny Procesorów Sieciowych. W końcowej części
przedstawiono równieŜ tendencje przyszłościowe w obszarze NP oraz wskazano
kierunki w jakich powinny pójść następne prace z dziedziny tytułowych układów.
Po analizie zakresu tematycznego pracy wyraźnie widać, Ŝe łączy ona wiedzę z
zakresu kilku technicznych dyscyplin naukowych6:
6
•
elektroniki w zakresie architektury NP,
•
informatyki w obszarze programowania NP,
Nie licząc zagadnień ekonomicznych dotyczących rynku NP.
Wstęp
•
11
telekomunikacji w dziedzinie zastosowań NP.
Ponadto prezentowane dzieło nie ogranicza się ściśle tylko do Procesorów
Sieciowych, ale odzwierciedla takŜe główne nurty i tendencje rozwojowe współczesnej
techniki mikroprocesorowej oraz obecnych metod programowania, czy wreszcie
standardów i protokołów sieciowych.
Z kolei w pracy nie jest obecna szersza analiza dotycząca układów
współpracujących z Procesorami Sieciowymi, bo doprowadziłoby to do znacznego
powiększenia jej objętości. Z tych samych powodów nie zamieszczano takŜe wszystkich
modeli omawianych procesorów. Pomija się takŜe problemy związane z projektowaniem
(wewnętrznej architektury) NP jako kompletnie nie mające racji bytu w polskiej
rzeczywistości.
Prezentowana praca powstała przy wykorzystaniu (w przytłaczającej większości)
literatury w języku angielskim zaczerpniętej ze źródeł internetowych w postaci stron
WWW oraz dokumentów w formacie pdf. Większość tego typu materiałów pochodzi od
(głównie
amerykańskich):
producentów
Procesorów
Sieciowych,
czasopism
technicznych, ośrodków akademickich. Z drugiej strony najnowocześniejsze projekty
konstrukcji NP powstają obecnie nie tylko młodych firmach konstruktorskich na terenie
USA, ale równieŜ w Europie Zachodniej i wschodniej części Azji, dlatego skorzystano
równieŜ z wiadomości pochodzących z tychŜe źródeł. Jednak „świeŜość danych” i
ochrona rozwiązań znacznie ogranicza ilość dostępnych danych. Przy tworzeniu dzieła
zwrócono takŜe uwagę na firmy zajmujące się analizą rynku oraz marketingiem,
poniewaŜ równieŜ mają one wpływ na światowy rozwój Procesorów Sieciowych i
dostarczają pewnych informacji.
Autor pracy pragnie gorąco podziękować promotorowi prof. dr. hab. inŜ.
Wojciechowi Lipińskiemu za cenne uwagi, które przyczyniły się do ulepszenia jej
wyglądu.