ネットワークプロセッサ

ネットワークプロセッサとは、ネットワークアプリケーション分野に特化した機能セットを備えた集積回路である。

ネットワークプロセッサは通常、ソフトウェアでプログラム可能なデバイスであり、多くの異なる種類の機器や製品で一般的に使用されている汎用中央処理装置と同様の一般的な特性を備えている。

現代の電気通信ネットワークでは、情報（音声、映像、データ）はパケットデータとして転送されます（パケット交換方式）。これは、公衆交換電話網（PSTN）やアナログテレビ／ラジオネットワークのように、情報をアナログ信号として伝送していた旧来の電気通信ネットワークとは対照的です。これらのパケット処理により、この形式のパケットデータを処理するのに最適化された集積回路（IC）が開発されました。ネットワークプロセッサには、これらのネットワーク内でのパケット処理を強化および最適化するための特定の機能やアーキテクチャが備わっています。

ネットワークプロセッサは、特定の機能を備えた集積回路（IC）へと進化を遂げました。この進化により、より複雑で柔軟性の高いICが開発されるようになりました。最新の回路はプログラム可能であり、適切なソフトウェアをインストールすることで、単一のハードウェアIC設計で複数の異なる機能を実行できます。

ネットワークプロセッサは、以下のような様々な種類のネットワーク機器の製造に使用されています。

• ルーター、ソフトウェアルーター、スイッチ（ネットワーク間プロセッサ）
• ファイアウォール
• セッション境界コントローラー
• 侵入検知装置
• 侵入防止装置
• ネットワーク監視システム
• ネットワークセキュリティ（セキュアな暗号プロセッサ）

再構成可能なマッチテーブル

再構成可能なマッチテーブル^{[ 1 ] [ 2 ]}は、スイッチが高速で動作しながら、デバイス上でどのネットワークプロトコルを有効にするか、またはそれらのプロトコルをどのように処理するかに関して柔軟性を維持できるようにするために、2013年に導入されました。P4 ^{[ 3 ]}はチップのプログラミングに使用されます。Barefoot Networks社はこれらのプロセッサを中心に事業を展開しており、後に2019年にIntelに買収されました。

RMTパイプラインは、プログラマブルパーサ^{[ 2 ]} 、マッチアクションテーブル、プログラマブルデパーサの3つの主要なステージに依存しています。パーサはパケットをチャンク単位で読み込み、これらのチャンクを処理して、パケットで使用されているプロトコル（イーサネット、VLAN、IPv4など）を特定し、パケットから特定のフィールドを抽出してパケットヘッダーベクトル（PHV）に格納します。PHV内の特定のフィールドは、存在するヘッダーやパケットの全長などの特別な用途のために予約されている場合があります。プロトコルは通常プログラマブルであり、抽出するフィールドも同様です。マッチアクションテーブルは、入力PHVを読み込み、クロスバーとCAMメモリを使用してその中の特定のフィールドを照合する一連のユニットです。結果として、PHVの1つ以上のフィールドを操作するワイド命令と、この命令をサポートするデータが生成されます。出力PHVは、次のMAステージまたはデパーサに送られます。デパーサーは、PHVだけでなく、元のパケットとそのメタデータ（PHVに抽出されなかった欠落ビットを補完するため）を入力として受け取り、修正されたパケットをチャンクとして出力します。デパーサーは、パーサーと同様に通常はプログラム可能であり、両者は一部の設定ファイルを共有する場合があります。

FlexNIC ^{[ 4 ]}は、このモデルをネットワークインターフェイスコントローラに適用することで、プロトコルの柔軟性を維持しながら、CPU オーバーヘッドを増やすことなく、サーバーが高速でパケットを送受信できるようにしています。

パケットプロセッサとしての一般的な役割において、ネットワークプロセッサには通常、以下のような最適化された機能が多数備わっています。

• パターンマッチングとは、パケットストリーム内のパケットに含まれる特定のビットまたはバイトのパターンを見つける能力のことです。
• キー検索 – キー（通常はパケット内のアドレス）を使用してデータベースを迅速に検索し、結果（通常はルーティング情報）を見つける機能。
• 計算
• データビットフィールド操作 – パケットの処理中に、パケットに含まれる特定のデータフィールドを変更する機能。
• キュー管理 – パケットが受信され、処理され、次の送信先にスケジュールされると、キューに格納されます。
• 制御処理 – パケット処理のミクロな操作は、システム内の他のノードとの通信や調整を含むマクロレベルで制御されます。
• パケットバッファの迅速な割り当てと再循環。

高速データレートに対応するために、いくつかのアーキテクチャパラダイムが一般的に使用されています。

• プロセッサのパイプライン- パイプラインの各ステージは、上記に挙げた機能のいずれかを実行するプロセッサで構成されます。
• 複数のプロセッサによる並列処理。多くの場合、マルチスレッド処理を含む。
• 目の前のタスクをより効率的に実行するための、専用のマイクロコードエンジン。
• マルチコアアーキテクチャの登場により、ネットワークプロセッサはより上位のレイヤー（ L4～L7 ）の処理に使用できるようになりました。

さらに、 L2 - L3ネットワーク処理の重要な要素であり、かつてはさまざまなコプロセッサによって実行されていたトラフィック管理は、ネットワークプロセッサアーキテクチャの不可欠な部分となり、そのシリコン面積（「不動産」）のかなりの部分が統合トラフィックマネージャに割り当てられています。^{[ 5 ]}最新のネットワークプロセッサには、コア間で小さなメッセージ（少数のデータワード）を交換するために最適化された、低遅延で高スループットのオンチップ相互接続ネットワークも備わっています。このようなネットワークは、共有メモリの標準的な使用とは別に、効率的なコア間通信のための代替手段として使用できます。^{[ 6 ]}

ネットワークプロセッサの汎用機能を使用して、ソフトウェアプログラムはネットワークプロセッサが実行するアプリケーションを実装し、その結果、物理機器がタスクを実行したりサービスを提供したりします。ネットワークプロセッサ上で実行されるソフトウェアとして実装されるアプリケーションの種類には、次のようなものがあります。^{[ 7 ]}

• パケットまたはフレームの識別と転送、つまりルーターまたはスイッチの基本的な動作。
• サービス品質（QoS）の強制 – 異なる種類またはクラスのパケットを識別し、他の種類またはクラスのパケットを犠牲にして、特定の種類またはクラスのパケットに優先的な処理を施すこと。
• アクセス制御機能 – 特定のパケットまたはパケットストリームがネットワーク機器を通過することを許可するかどうかを決定する機能。
• データストリームの暗号化– ハードウェアベースの暗号化エンジンを内蔵することで、プロセッサが個々のデータフローを暗号化できます。
• TCPオフロード処理

• コンテンツプロセッサ
• マルチコアプロセッサ
• 知識ベースプロセッサ
• 積極的なネットワーキング
• コンピュータ工学
• インターネット
• 倒産したネットワークプロセッサ企業のリスト
• ネットワーク処理フォーラム
• 待ち行列理論
• チップ上のネットワーク
• ネットワークインターフェースコントローラ