由于可將網(wǎng)絡(luò)功能/特征仿真到軟件并部署于通用服務(wù)器來實現(xiàn)，以NFV（網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）與SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）為代表的“網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)”成為最近一個非常熱門的行業(yè)話題。但是，半導(dǎo)體性能的未來速率演進將會落后于網(wǎng)絡(luò)容量的增長，隨著網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)容量正在進入太比特時代，預(yù)計將難以通過NFV技術(shù)的靈活性來獲得所需的數(shù)據(jù)速率與功率效率。為解決此問題，業(yè)界有機構(gòu)正在研究可用于網(wǎng)絡(luò)虛擬化的硬件/軟件聯(lián)合設(shè)計技術(shù)[1]，在技術(shù)理念與具體技術(shù)上都有較大的參考價值，下文對其進行詳細(xì)介紹。

1、引言

隨著商用型服務(wù)器的性能得到逐步提升，全球通信業(yè)界開始大力探索通過部署網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)來大幅降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本與運維成本。

SDN（Software-Defined Networking，軟件定義網(wǎng)絡(luò)）即是網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)的代表，其可將電信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制功能與數(shù)據(jù)傳送功能分離解耦，從而可以集中處理網(wǎng)絡(luò)配置與設(shè)置（可通過相關(guān)軟件進行自動化的流程控制）。

為了能把SDN技術(shù)應(yīng)用到電信運營商的廣域網(wǎng)絡(luò)，業(yè)界已經(jīng)發(fā)布了開源的SDN應(yīng)用。該應(yīng)用包括兩大部分：（1）Ryu SDN框架——其為一種SDN控制器，為SDN網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置提供便捷的工具與能力庫；（2）Lagopus——其為一種高性能的SDN軟件交換機，具備可廣泛應(yīng)用部署于數(shù)據(jù)中心及廣域網(wǎng)絡(luò)的能力與特性。

2、對硬件加速器（用于網(wǎng)絡(luò)虛擬化）的研發(fā)

隨著網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)的進步，傳統(tǒng)上由專用硬件設(shè)備所提供的網(wǎng)絡(luò)功能，也將有望通過在標(biāo)準(zhǔn)化的通用服務(wù)器中部署虛擬化成軟件的網(wǎng)絡(luò)功能來實現(xiàn)。

可以預(yù)見的是，隨著網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)的實際應(yīng)用越來越普遍，部署有很多網(wǎng)絡(luò)功能的通用服務(wù)器的CPU（中央處理單元，用于進行與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的處理）將會承受很大的負(fù)載。

從而，為了使網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)能滿足更高級網(wǎng)絡(luò)服務(wù)與系統(tǒng)的需求，就需要研發(fā)能減輕通用服務(wù)器CPU負(fù)載的技術(shù)，以期提高通用型服務(wù)器處理能力的功率與性能的比值，為更多網(wǎng)絡(luò)功能的正常運行提供穩(wěn)定的環(huán)境。

為了使網(wǎng)絡(luò)虛擬化系統(tǒng)中的軟硬件能協(xié)同工作，NTT設(shè)備創(chuàng)新中心正在研發(fā)硬件/軟件聯(lián)合設(shè)計技術(shù)，已設(shè)計出具有如圖1所示理念的HWA（HardWare Accelerator，硬件加速器）——其具有性能、靈活性及可用性三個維度，并涉及SDN軟件交換機、SDN硬件交換機、硬件加速器。總體而言，硬件加速器可在提升性能、提高可靠性的同時，保證高性能SDN軟件交換機（Lagopus）的靈活性。

圖1 硬件加速器的設(shè)計理念

3、硬件加速器的技術(shù)原理與特性

1）技術(shù)原理

在用于網(wǎng)絡(luò)虛擬化的通用型服務(wù)器中，能與硬件加速器HWA協(xié)同工作的SDN軟件交換機的系統(tǒng)配置如圖2所示。其中：（1）虛線的上半部分為數(shù)據(jù)平面，以SDN軟件交換機為核心進行軟件（網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化應(yīng)用）處理（采取x86 CPU）；（2）虛線的下半部分執(zhí)行硬件處理功能，其主體為內(nèi)置于通用服務(wù)器NIC（網(wǎng)卡）之中的一個可重構(gòu)/重配置的FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）電路——硬件加速器HWA。通常地，硬件研發(fā)比軟件研發(fā)要花費多得多的時間。但是，由于此方案中采取了可對程序中的功能進行重寫的FPGA，就不僅可加速硬件研發(fā)，還具備在后續(xù)對網(wǎng)絡(luò)功能進行更新、迅速解決故障的能力。

圖2 SDN軟件交換機的系統(tǒng)配置

（注——API：應(yīng)用編程接口；DPDK：Intel的數(shù)據(jù)平面開發(fā)工具包；NFV：網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）

圖2中所示的SDN軟件交換機通過網(wǎng)卡中的FPGA硬件加速器HWA向相關(guān)的軟件轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)分組/數(shù)據(jù)包以待處理。除了網(wǎng)卡通常的數(shù)據(jù)包處理功能，硬件加速器也具備相關(guān)的預(yù)處理能力以減輕Lagopus（SDN軟件交換機）轉(zhuǎn)發(fā)組件（即數(shù)據(jù)平面）的負(fù)載壓力。但是，硬件加速器的預(yù)處理功能與SDN軟件交換機的數(shù)據(jù)包處理是相互獨立的，并不直接與之通信。這就使得SDN軟件交換機能保持其靈活性，同時減輕軟件處理負(fù)載，并可進一步地提高SDN軟件交換機的性能。

2）技術(shù)特性

（1）高速的流量調(diào)度

要進行高速的數(shù)據(jù)包/分組處理，需要SDN軟件交換機把相關(guān)工作平均地分配給多核處理器之中的各個處理單元，以對多個指令進行高效的并行處理。但是，目前尚無提前分發(fā)數(shù)據(jù)分組負(fù)載的相關(guān)機制。從而，所有數(shù)據(jù)分組就必須被傳送至某個指定的CPU核，然后再分割給相應(yīng)的軟件進行處理。于是，這樣就容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)包堆積在單個的CPU核之中，從而就成為“瓶頸”，甚至在最壞的情況下造成丟包。

為解決上述問題，業(yè)界研發(fā)了高速的流量調(diào)度機制。其工作原理為：如圖3所示，基于硬件加速器所接收到的分組流數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)包分配給FPGA數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（以隊列的形式）。其后，DMA（Direct Memory Access，直接內(nèi)存存取器）將數(shù)據(jù)分組傳送至主內(nèi)存陣列（多核CPU的每個處理器單元對應(yīng)一個主內(nèi)存）。

圖3 高速流量調(diào)度的實現(xiàn)原理（以六核CPU為例）

以此種方式，所有的處理負(fù)載/任務(wù)就被平均、平滑地分配給多核CPU的每個處理器單元（如圖4所示），同時又不會造成軟件周期的浪費。

圖4 高速流量調(diào)度的效果（以六核CPU為例）

（2）可進行數(shù)據(jù)流量導(dǎo)向

應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)虛擬化的硬件加速器HWA除了可進行高速的流量調(diào)度，還需要研發(fā)一種技術(shù)機制，以使得軟件能自主確定將數(shù)據(jù)流分配至哪些相應(yīng)的DMA序列，為此研發(fā)了流量導(dǎo)向裝置。

如圖5所示，流量導(dǎo)向裝置使得Lagopus（SDN軟件交換機）可通過應(yīng)用編程接口API與硬件加速器HWA通信來確定將數(shù)據(jù)流分配至哪些相應(yīng)的DMA序列。可見，流量導(dǎo)向裝置可用于提高系統(tǒng)性能。

圖5 流量導(dǎo)向裝置

總之，流量導(dǎo)向裝置可計算出數(shù)據(jù)分組應(yīng)如何被分配至多核CPU的某個/某些處理器單元，從而，數(shù)據(jù)流就無需被確定兩次，相應(yīng)的處理也就可被跳過。這就使得Lagopus（SDN軟件交換機）具備足夠多的時間去更為高效地處理小數(shù)據(jù)包。

（3）數(shù)據(jù)包鏡像

在未來，需要實現(xiàn)更快地查找出發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障問題的原因。這是由于，在將來實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)之后，網(wǎng)絡(luò)故障會變得更為復(fù)雜。

為此，業(yè)界也研發(fā)了可應(yīng)用于硬件加速器HWA之中的數(shù)據(jù)包鏡像技術(shù)。其特點為：可在不對軟件造成任何負(fù)載的情況之下，隨時對虛擬網(wǎng)絡(luò)進行監(jiān)測。

如圖6所示，數(shù)據(jù)包鏡像技術(shù)的實現(xiàn)原理為：對輸入FPGA硬件加速器HWA的數(shù)據(jù)分組/包進行復(fù)制，并將其原樣（未經(jīng)修改）轉(zhuǎn)發(fā)給相關(guān)的外部設(shè)備進行分。從而可及時判斷、檢測出網(wǎng)絡(luò)故障問題發(fā)生的“苗頭”，而同時又不會影響到正常的數(shù)據(jù)分組/包處理功能。

圖6 數(shù)據(jù)包鏡像技術(shù)的實現(xiàn)

4、系統(tǒng)試驗與評估結(jié)果

NTT與Xilinx公司合作進行了其裝備有FPGA硬件加速器HWA的SDN軟件交換機系統(tǒng)原型樣機的測試，并驗證了硬件/軟件聯(lián)合設(shè)計所能獲得的系統(tǒng)性能增益。相關(guān)測試采取了最新的FPGA設(shè)備與工具SDNet（Software Defined Specification Environment for Networking，用于組網(wǎng)的軟件定義規(guī)范環(huán)境。其可進行分組數(shù)據(jù)包的處理）。對于分組數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)性能的評估結(jié)果如圖7所示，所測得的功率消耗情況如圖8所示。

圖7 測試原型系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)性能（其中“吞吐量”的單位是Gbit/s）

圖8 40 Gbit/s線速下的系統(tǒng)功耗

圖7中的數(shù)據(jù)表明：（1）無論是長包（比如1600字節(jié)）還是短包（比如50字節(jié)），部署了硬件加速器HWA后，轉(zhuǎn)發(fā)性能均有所增強，包的長度不一，增強的程度也不一；（2）部署了硬件加速器HWA后，多核CPU的處理器單元數(shù)越大，在一定的包長（1000字節(jié)左右）范圍之內(nèi)，轉(zhuǎn)發(fā)性能越好，且其性能改善的程度也與具體的包長大小相關(guān)；（3）部署了硬件加速器HWA后，當(dāng)包長達(dá)到一定的大小時，系統(tǒng)吞吐量存在一個極限值，且多核CPU的處理器單元數(shù)不同，開始出現(xiàn)吞吐量極限值時的包長大小也不同；（4）部署了硬件加速器HWA后，定性看來，系統(tǒng)對長包的轉(zhuǎn)發(fā)性能要優(yōu)于短包。

此外還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采取8核CPU（處理器單元達(dá)到最大數(shù)值）時，系統(tǒng)在處理長度大于384字節(jié)的分組數(shù)據(jù)包時，可獲得高達(dá)40 Gbit/s的線速。而且，當(dāng)數(shù)據(jù)包處理速率達(dá)到40 Gbit/s之時，整個通用型服務(wù)器的功耗為425瓦，但FPGA硬件加速器HWA的功耗于其中的占比還不到5%——僅為19瓦。這就意味著，實際上是可以以很小的功耗代價來獲得理想中的高線速的。

測試中還發(fā)現(xiàn)，采取Lagopus（SDN軟件交換機）對硬件加速器HWA的輸入數(shù)據(jù)包進行復(fù)制（通過相應(yīng)的應(yīng)用編程接口API），不會對原型系統(tǒng)之中的首要數(shù)據(jù)包處理產(chǎn)生任何影響。

5、未來研發(fā)工作規(guī)劃

如圖7所示，原型系統(tǒng)對于小于384字節(jié)的短包的轉(zhuǎn)發(fā)性能（吞吐量、線速）較低。為此，業(yè)界對該SDN軟件交換機系統(tǒng)（內(nèi)含硬件加速器HWA）的下一步研發(fā)目標(biāo)是將其線速（吞吐量）提高至40 Gbit/s。

另外，為進一步提高系統(tǒng)的可靠性，業(yè)界將會對數(shù)據(jù)包鏡像技術(shù)的實際使用進行測試，以進行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測并對網(wǎng)絡(luò)功能進行分析，進而提高網(wǎng)絡(luò)虛擬化的運營效率。

此外，業(yè)界還規(guī)劃采取SDN軟件交換機系統(tǒng)（內(nèi)含硬件加速器HWA）原型系統(tǒng)的三大特性來實際部署NFV（網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）應(yīng)用，并研制可用于試用的相關(guān)系統(tǒng)。

以此方式，電信網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)的性能與可靠性將得到進一步的提高，并有望將硬件/軟件聯(lián)合設(shè)計作為網(wǎng)絡(luò)虛擬化的基礎(chǔ)技術(shù)，從而助力推動網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)在電信運營商基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)之中的實際商用部署進程。

參考文獻：

[1] Takahiro Hatano, Koji Yamazaki, Akihiko Miyazaki. Hardware/Software Co-design
Technology for Network Virtualization [EB/OL]. https://www.ntt-review.jp/archive/ntttechnical.php?contents=ntr201601fa7... , 2016-01-30 .

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