下一代家用存取點與閘道器
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當今家用閘道器架構，在對外連接網際網路，對內連接平板電腦、智慧型手機、筆記型電腦、桌上型電腦、遊戲機、連網電視等眾多連網裝置，以及造成爆量頻寬的社群網路與多媒體應用下，已經出現效能瓶頸。因此，SoC廠商以雲端運算與伺服器平台規劃的經驗，以雙核心處理器搭配卸除負載(Offloads)引擎的設計思維，輔以封包分級轉派、應用程式特性的優先權？流量控管機制，以及讀寫加速機制，提出新一代的家用閘道器平台架構…
美商應用微電路(Applied Micro Circuits Corporation；APM)產品行銷經理Pravin Bathija，以為何需要下一代家用閘道器開場，深入探究下一代家用閘道器技術、應用，以及產業基礎的模塊建立，及如何選擇正確的SoC晶片解決方案等，做為這場演講的討論議題。
首先他以一張動態示意圖，呈現當今無線家用閘道器所扮演的角色：不僅對外連接網際網路，同時要傳輸大量的多媒體視訊？音訊？封包資料，藉由有線或無線方式連接到平板電腦、筆記型電腦，以及連接大螢幕電視的遊戲機(如XBOX Live)，連接你的智慧型手機以Wi-Fi方式提供Skype網路通話服務，以及連接智慧連網電視以觀看NETFLIX網路頻道商提供的影片內容。無線閘道器扮演著這些連網裝置與網路儲存裝置(Network Attach Storage；NAS)的中介角色，藉由無線閘道器來對NSA進行擷取或儲存大量資料。
Pravin Bathija提到，當前家用閘道器架構已經出現瓶頸，無法因應社群網路、多媒體應用、連接NAS儲存裝置與其他應用所帶來的爆量頻寬的需求，很少或根本沒注意到在頻寬與資料傳輸延遲的問題；許多主要閘道器內CPU設計封包處理，沒有充足的運算餘裕空間應付新興應用，自然也無法針對當前爆量頻寬與未來應用增添延展性。
他認為下一代家用閘道器，必須要具備Gbps(Gigabit)等級的Wi-Fi無線與有線連網能力，以因應多用戶端裝置高速存取需要；同時要具備高速網際網路與網路儲存裝置，具備流量整形(Traffic Shaping)且符合QoS服務質量的優先權流程管控機制，以及以應用程式類型為優先權的流程管控機制，深度的封包防駭檢測，可延展的應用機制，具備網路位址轉譯(Network Address Translation)、內容過濾機制，以及跨接支援USB 3.0的高速網路儲存裝置來儲存、串流化傳輸與對外共享資料。
建構Gbps高速網路應用的規格區塊
Pravin Bathija指出，為了達到Gigabit(Gbps)等級IP的封包轉發能力，以往的閘道器僅設計單一GE(Gigabit Ethernet)介面埠輸入？輸出，藉由1.2GHz等級CPU做封包過濾的頻寬管控功能，在一般以僅64Bytes大小的網路封包流，裡面參雜許多無優先權、QoS管控的資料封包，即便以1.2GHz CPU來做封包處理，仍有可能因為需要一個一個封包的循序處理，造成處理器被龐大的Gbps封包流嗆住(Processor Chokes)，而出現斷斷續續的延遲現象。
APM設計的入門閘道器SoC架構，採用四埠輸入？輸出設計Gbps Ethernet乙太網路介面，後端以雙通道連接2組封包分類硬體加速器(Classfier)，以關閉負載(off load)方式即時過濾封包並切換其流向，即便閘道器SoC為600MHz的APM86791 Keelback單核心CPU架構，處理Gbps爆量封包資料仍然游刃有餘。
他列出一個以IPv4做512、256與64Bytes封包下的比較數據，分別以Linux OS線上負載，以及Linux OS搭off load關閉負載方式進行效能測試，在512Bytes大封包的情況下，CPU耗用率從26%降到4%；以256Bytes中型封包傳輸時，CPU耗用率從100%降為7%；當切換至64Bytes最小封包傳輸時，CPU耗用率從居高不下的100%降到84%。
高階APM閘道器SoC像是APM86290 PacketPro處理器，具備雙核心PowerPC與250MHz ARM架構的SLIMPro輔助處理器設計，當從NAS或電腦DDR3傳輸不同優先權的封包時，藉由前端GE介面內置的IPSec、MACsec對低優先權但需低延遲的封包流量進行切割、線上檢核；中段級別判斷線路(Classfier)則識別封包流向、具備可程式化、動態切換、MAC固定網或虛擬區網，以及支援IPv4與IPv6、TCP與OoS要求；在後面的PQ0~PQn可程式化優先權過濾器，則可依照優先權設定進一步判斷封包走向，依照優先權設定給予快速通關或者暫候，以協助做流量整形；最後端四埠GE介面再進行即時IP編碼、MAC安全編碼與檢核碼產生，完成最後封包重組傳出。
Pravin Bathija指出，APM設計以應用程式為基準的QoS與DPI服務質量與資料速率控管機制，可以針對Skype、NETFLIX、Xbox Live與Bit Torrent(P2P)軟體，分別設定不同的傳輸速率與封包優先權，例如針對Skype把封包序列優先權設為1、資料頻寬10Mbps；NETFLIX網路電影設優先權為2、頻寬20Mbps；Xbox Live優先權3、頻寬40Mbps；BT設為優先權4、頻寬2Mbps；如此在這四種應用下，都能享有最適合各種應用程式的QoS服務質量與頻寬流量。
而APM設計的內容過濾與安全防護機制，從封包進入閘道器前端就即時針對無效封包、惡意分享？下封包、轉譯埠封包、DDoS延遲反應？阻斷式封包即時過濾剃除，不會增加閘道器分配流量的負擔。
他也提到，APM的家用閘道器內建USB 3.0介面，可以直接連接支援USB 3.0高速介面的NAS網路儲存設備，享有5Gbps的介面傳輸速度；同時若搭配閘道器內Linux核心建置的最佳化的檔案系統與SATA驅動程式，即便存取大型檔案也能夠最佳化處理。同時在讀取過程啟動大型封包接收關閉負載(Large Receive Offload；LRO)模式，以及寫入資料過程啟用TCP封包分段卸載(TCP Segmentation Offload；TSO)模式下，均能夠有效的加速大型檔案的讀寫速度，並降低CPU耗用率。
他列舉一個測試示意圖，以一個單一檔案長度為4GB的檔案，以單線緒(Single Thread)進行讀寫測試，在未開啟LRO模式下讀取速度為100MB/s，CPU耗用率100%，開啟LRO讀取速度提升為120MB/s，CPU耗用率降為70%；未開啟TSO模式下寫入速度為65MB/s，CPU耗用率100%，開啟TSO模式下寫入速度加速到120MB/s，CPU耗用率降至82%。
Pravin Bathija接著表示，APM閘道器SoC所規劃的內建NAT網路位置轉譯機制，可以使各連接到閘道器的各連網裝置的真實IP，跟透過閘道器NAT轉譯後對外的真實IP有所隔絕，外頭無法探索得知連網裝置的真實IP與MAC網路位址，杜絕被植入木馬或成為殭屍代理裝置，而成為駭客遠端遙控的跳板。
選擇正確的閘道器SoC晶片解決方案
Pravin Bathija認為，傳統閘道器平台架構或SoC，只是一昧的追求多核心CPU的設計，沒有協助CPU卸除負載(Offload)的設計思維；而美商應用微電路設計的一系列APM86xxx閘道器SoC，除了導入多核心CPU，並加入Offloads卸除負載、封包級別派發電路(Classfier)、資料流量控管(DPI)、IP轉發、流量整形、TCP SAR、TCP/UDP CSUM、Security安全機制與NAT位址轉譯功能的加入。
由APM開發的APM86290 PacketPro閘道器SoC晶片的架構方塊圖，內建雙核1.4GHz 32位元460 PowerPC CPU，搭配SLIMpro ARM 250MHz客製化卸除負載引擎架構，提供1組PCIe x4、1組PCIe x1匯流排控制器，SATA 2.0與USB 3.0介面，足以用來規劃、設計出下一世代家用無線閘道器平台。
Pravin Bathija最後總結，單純以CPU運算能力，已不足因應目前與下一代閘道器運算處理與低延遲的封包分派需求，設計專屬且以應用程式為導向的負載卸除引擎，能符合經濟且有效率的延展閘道器平台效能，減少CPU工作頻率與整體功耗；負載卸除(Offloads)引擎在主要應用情境，以及經常使用的應用程式下，可以釋放更多CPU耗用率給其他應用程式使用，而精心設計的SoC晶片能大幅改善應用程式的反應時間，增進用戶的連網使用體驗。
