ネットワークプロセッサの技術動向と RENA-CHIP

ネットワークプロセッサ
高性能・低価格なネットワークアダプタを実現するRENA-CHIP
ホームゲートウェイ
QoS
ネットワークプロセッサの技術動向と
RENA-CHIP
こ い け
けいいち
小池 恵一
１Gbit/sのアクセス速度に対応し，高性能な品質制御やファイアウォール
NTTサイバーソリューション研究所
機能を提供するRENA-CHIPの誕生背景について述べます．
RENA-CHIPとは
ほど浸透してきたIPですが，当初はと
IP処理性能の重要性
にかくインターネットにつながるという
NTTサイバーソリューション研究所
インターネットで使われている通信
のが精一杯の世界でした．帯域は細く
では今 後 のネットワークサービスを
プロトコルであるTCP/IP（または単
不安定で，音声や動画を用いた通信な
踏まえ，１Gbit/sのアクセス速度に対
にIP）は，今や多くの通信基盤で使わ
どはとても考えられませんでした．その
応 した「 R E N A - C H I P 」（ R o u t i n g
れるようになっています．個人のネッ
後 ， ADSL（ Asymmetric Digital
Engine for Next generation network
トワークアクセスから企業内や企業間
Subscriber Line）やケーブルモデム，
Access CHIP：レナチップ）を開発し
での通信業務までが，基本的に同じ手
そしてFTTH（Fiber To The Home）
ました（図１）．RENA-CHIPはファ
順で行われています．そしてこのIP化
と利用可能なアクセス網の帯域は劇的
イアウォールや品質制御など，処理に
は，誕生から100年以上，基本的に同
に増大し，FTTHでは固定網と同じ
大きな負荷がかかる通信状況下にお
一の方式で続いてきた電話サービスさ
0AB∼J番号によるIP電話サービスも
いても，上下方向それぞれを１Gbit/s
えも代替しようとしています．
始まりました（図２）
．
で処理できる低価格の通信処理専用
それでは，そうしたIP電話サービス
ネットワークの根幹を変えてしまう
LSI（Large Scale Integration：大
規模集積回路）です．これまでソフト
（Mbit/s）
ウェアではコスト的に実現が困難な機
能をハードウェア化することで，高性
1 000
能と低価格を初めて両立しました．本
100
稿では，RENA-CHIPが開発された経
緯とその開発方針について述べます．
速
度
FTTH
10
ADSL
ケーブルモデム
１ ダイヤルアップ
ISDN
0.1
1994
1996
▲
商用インターネット開始
▲
Windows95発売
図１ RENA-CHIP外観
8
NTT技術ジャーナル 2006.7
1998
2000
2002
2004
2006
▲
GE-PON導入
▲
▲
IP電話（050） IP電話（０AB∼J）
図２ 日本におけるインターネットアクセス方式の変遷
（年）
特
集
は利用できる帯域が増えたから可能に
ムゲートウェイ（HGW）です（図３）．
IPv４ネットワークを対象にしていま
なったのでしょうか．電話に必要な帯
HGWにはネットワークアダプタ（NW
す．NWアダプタには組込型のCPU
域 は高 々 1 0 0 , k b i t / s で， 最 大
アダプタ：一般的呼称ではブロードバ
か，それに通信向け機能を強化した
100,Mbit/sのFTTHの帯域が必要と
ンドルータといわれる機器が有する主
ネットワークプロセッサ（NP）が使わ
は考えられません．実はIP電話を固定
な機能）が持つネットワークの低位レ
れており，構成は上記の機能や処理速
電話と同等のサービスにできたカギは
イヤの処理機能と，上位のサービスを
度に最適化されているため，今後予想
QoS（ Quality of Service： 品 質 制
中継，または終端するサービスアダプ
されるさまざまなサービスに対応するに
御）にあります．従来の固定電話は，
タ機能が備わっています（表）
．
は性能が不足しています．具体的には，
回線交換により呼ごとに64,kbit/sの
現在一般的なNWアダプタはホスト
帯域を専有して安定した通信が可能で
へのアドレス付与やアドレス変換，パ
・ファイアウォール
した．一方，IP網ではコストを下げる
ケット転送，そして簡易なファイア
・QoS
ためにさまざまな通信がネットワークを
ウォールを備え，最大100,Mbit/sの
などが１Gbit/sの速度に対応できねば
・パケット転送
共有して行われることが一般的です．
そのため，音声データ（IPパケットと
呼びます）が他の通信による影響を受
け，遅れたり消失したりする可能性が
VoIPアダプタ
あり，これが原因で音声品質が劣化し
電話
（IPv４ではType of Service，IPv６
るネットワークがそれに基づき適切に
TV
HGW
中 に自 身 の優 先 度 を設 定 する規 定
ではTraffic Class）があり，中継す
家電制御
CODEC
ていました．IPパケットにはヘッダの
サービスアダプタ
FTTH・
ADSL等
PC
ONU・
ADSLモデム等
ネットワークアダプタ
STB
転送処理を行うことで，サービス内容
ガス器具
に応じた異なる品質を実現できます．
アドレス変換
FTTHによるIP電話では安定した通信
品質制御
が可能な光ファイバの特性に加え，音
声通信を優先的に取り扱うことで，IP
等
ファイアウォール
パケット転送
図３ HGWの機能
を使っても従来と遜色のない品質を達
成しています．
表 HGWが持つ主な機能
QoSが考慮されたIPネットワークを
ネットワークアダプタ機能
用いれば，これまで実現が困難であっ
たサービスが可能になります．例えば，
１Gbit/sのFTTHならばCD１枚分の
サービスアダプタ機能
ホストへのアドレス付与
VoIPアダプタ
アドレス変換
映像CODEC
品質制御
SIPなどのシグナリング
データを10秒足らずで送ることや，マ
ファイアウォール
宅内プロトコル変換
ルチチャネルのハイビジョン映像を配
パケット転送
家電，ガス器具等の制御
信することも夢ではありません．こうし
暗号化，復号化
ユーザ認証
たサービスを家庭で利用するとき，IP
回線認証
無線アクセスポイント
ネットワークの玄関口になるのがホー
※
※電力線通信，ECHONET，IEEE1394等
NTT技術ジャーナル 2006.7
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高性能・低価格なネットワークアダプタを実現するRENA-CHIP
なりません．IP電話では遅延を抑える
ためにパケットの長さを短く設定して
コントロールプレーン
フォワーディングプレーン
います（ショートパケット）．ショート
パケットは同じ分量のデータを送るの
に，繰返しの回数が多くなるために処
CPU
ヘッダ解析
理負荷が増加します．同じ１Gbit/s
外部
インタフェースへ
パケットエンジン群
検索
圧縮・伸張
であっても大きくなるため，NPに求め
内部高速バス
られる性能要件はより厳しいものにな
ります．
メモリ
インタフェース
QoS
暗号化・復号化
MAC
２個以上
NPについて
DRAMへ
インターネットサービスプロバイダが
USB
UART
PCI等
RHYへ
使うような大型のルータでは処理性能
UART: Universal Asynchronous Receiver Transmitter
PCI: Peripheral Component Interconnect
DRAM: Dynamic Random Access Memory
PHY: Physical Iayer Controller
MAC: Media Access Control
が重 視 されるため， 専 用 のA S I C
（ Application Specific Integrated
Circuit：特定用途向け集積回路）が
図４ NPの一般的な構成
用いられます．ところが，ASICには処
理内容の変更に柔軟に対応できない
という欠点があり，これを解決するた
は組込CPUが実行します．低価格帯
めにCPUとパケット処理専用のハード
のものではいくつかのハードウェアが省
ウェアを一体化し，処理をプログラム
略され，CPUで処理されることがあり
可能としたものがNPの始まりです．そ
ます．
RENA-CHIPの位置付け
N P の主 なものの性 能 と価 格 帯 を
図５に示します．現在のNPの市場は，
の後，ブロードバンドルータのような消
CPUと各パケットエンジンは高速な
性能が１Gbit/s以上の企業向け製品
費者向けの機器でも性能が必要とされ
内部バスで相互に接続され，処理速度
と100,Mbit/sまでの消費者向け製品
るにしたがって，一部にパケット処理
を最大化するような効率的な構造に
で二極化しています．
専用ハードウェアを搭載したNPの構成
なっています．さらに一部のNPでは，
を持つものが使われだしました．
マイクロプログラムで機能を定義する
に応じて早期から１Gbit/sを超える性
NPの一般的な例を図４に示します．
ことでハードウェア処理の高速性とソ
能が必要とされたのに対し，消費者向
パケットのヘッダ解析，検索，QoS，
フトウェア処理の柔軟性を持つ，プロ
けではダイヤルアップからADSL，ケー
暗号化・復号化など，処理は単純で
グラマブルなパケットエンジンを備えた
ブルモデム，そしてFTTHと新しいア
すが繰り返しが多く，負荷が大きい
ものもあります．
クセス方式が提供されるにしたがって，
これはプロバイダなどではトラヒック
フォワーディングプレーンと呼ばれる
次々と生まれる新しいネットワーク
段階を追って要求性能が上がってき
部分の機能はそれぞれ専用のハード
サービスに素早く対応するには，開発
たためと考えられます．ブロードバン
ウェア（パケットエンジン）が実行し
期間を短縮できるNPを用いることが常
ドサービスのユーザ側 の帯 域 は一 般
ます．またテーブル管理やアドレス付
識になっています．NPは今後ルータに
的 に1 0 0 , M b i t / s が最 大 なので，
与などの処理は複雑ですが発生頻度
とどまらずさまざまなネットワーク対応
100,Mbit/sを達成した時点で速度競
が少なく，負荷が比較的小さいコント
機器に適用される重要な部品というこ
争が落ち着いたことも一因です．また
ロールプレーンと呼ばれる部分の機能
とができます．
従来のインターネット接続サービスで
10
NTT技術ジャーナル 2006.7
特
集
・IPsec（IPv６カプセリング）
（円）
・転送
100 000
企業向け
I社-C
・フレーム生成
E社
A社
公
表
価
格
などの処理を専用のハードウェアエン
X社
V社
ジンが行うことで可能となりました．
I社-B
10 000
消費者向け
I社-A
5 000
R社
F社
2 000
C社
50 M
B社
100 M
RENA-CHIPは競合する他のNPに
低
価
格
化
比べ，性能・価格・電力など多くの
点で優れており，NGNにおけるHGW
のキーデバイスとして力を発揮し，よ
高性能化
500 M
RENA-CHIP
１G
りよいサービスの牽引役となることで
５G 10 G
40 G
（bit/s）
しょう．
スループット性能
（１ドル＝115円換算）
図５ 主なNPの性能と価格帯
は品質制御のサービスはほとんど行わ
ASICです．物理的にはNPのパケット
れておらず，そのためこれまでのNWア
エンジン部を切り出した構造となっ
ダプタにQoSの実装はなく，ファイア
ており，テーブル管理などの制御を行
ウォールに必要なパケット廃棄も簡易
う外 付 けのC P U と通 信 するインタ
なもので，価格的にも機能的にも二分
フェースを持 っています． これは，
されているのが現状です．
HGWの開発メーカが持つ資産やソフ
それでは， 今 後 N G N （ N e x t
トウェアに求められる要求仕様に応じ
Generation Network）で予定され
て，CPUは性能や価格の観点で最適
ているような高 品 質 なサービスを安
なものを選択可能にすべきという設計
全・確実に提供するためにFTTHが
方針に基づいたものです．
１Gbit/sのQoSネットワークになった
RENA-CHIPが持つ機能の詳細は
場合，HGWを構成するNPには何を
本特集『RENA-CHIPの機能概要』
用いるべきでしょうか．100,Mbit/s対
で説明しますが，ユーザの使用状況い
応 のN P を改 良 して1 0 倍 の速 度 を達
かんにかかわらず上下方向それぞれで
成するのは非常に困難で，根本的な構
１Gbit/sのワイヤレート（パケットの
造の変更が必要になるでしょう．一
長さにかかわらずインタフェースが出せ
方，企業向けのNPを消費者向けに用
る最大の速度）処理が可能です．多く
いるには，価格と消費電力が問題と
の消費者向け製品で使われている他の
なります．RENA-CHIPはこの課題を
NPでは部分的にしか備えていない，
解 決 するために開 発 されました．
・ヘッダ解析と検索
RENA-CHIPは１Gbit/sの速度に対
・QoS
応した消費者向け価格帯のHGW用
・廃棄
小池 恵一
本格的な光アクセスの時代を迎えつつあ
る現在，安心・快適・簡単なサービスを実
現するためにRENA-CHIPが使われることを
願って研究開発を進めていきます．
◆問い合わせ先
NTTサイバーソリューション研究所
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FAX 046-855-1617
Email [email protected]
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