NFV遇到FPGA 會擦出怎樣的火花

隨著市場對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需求的持續(xù)增長，運(yùn)營商所面臨的挑戰(zhàn)也不斷加劇。比如滿足客戶對于更多設(shè)備、更多視頻以及下一代應(yīng)用的需求，然而這些都無一例外地對延遲和帶寬有著極為苛刻的要求。需求不斷增長，網(wǎng)絡(luò)資源消耗殆盡，運(yùn)營商陷入進(jìn)退兩難的困境。

運(yùn)營商需要在擴(kuò)展系統(tǒng)容量和功能的同時(shí)還必須控制資本支出和運(yùn)營支出。此外，他們還必須加強(qiáng)對網(wǎng)絡(luò)功能的完善，以便在降低提供傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)成本的同時(shí)加快創(chuàng)收服務(wù)的進(jìn)度。

英特爾網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化 （NFV） 基于商用現(xiàn)貨 （COTS） 基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建，因此在部署時(shí)有助于節(jié)約成本。此外，它能夠?yàn)橛脩籼峁┧枰馁Y源靈活性，不僅有助于確保較高的利用率，還能夠針對各種不同的工作負(fù)載提供較高級別的可編程性。FPGA可用作額外的可編程 COTS 組件，以便更快地實(shí)現(xiàn)能源和成本節(jié)約，從而進(jìn)一步提高虛擬化系統(tǒng)的性能和成本效益。

英特爾？ FPGA 可通過編程提供廣泛的高帶寬和低延遲功能，從而能夠顯著增強(qiáng)運(yùn)營商云平臺上運(yùn)行的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能 （VNF） 的能力。

虛擬網(wǎng)絡(luò)世界締造之始——“NFV+5G”目前，最快進(jìn)行遷移以實(shí)施 NFV 的應(yīng)用是 5G 電信。移動設(shè)備數(shù)據(jù)速率可能達(dá)到 10 Gbps、客戶端和服務(wù)的地理分布快速變化、本地?zé)狳c(diǎn)密集分布、供應(yīng)整個(gè)城區(qū)網(wǎng)絡(luò)以應(yīng)對峰值本地工作負(fù)載不具備可行性，以及希望 5G 部署早期的資本投資與創(chuàng)收相匹配，這些因素相互作用，有利于基于 NFV，而非固定功能硬件設(shè)備，構(gòu)建軟件定義網(wǎng)絡(luò)。

但哪些功能將實(shí)現(xiàn)虛擬化？NFV 開發(fā)人員沒有對假想的 5G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自上而下的系統(tǒng)分析以衍生出一組核心功能 — 定義數(shù)學(xué)或應(yīng)用庫的方法，而是采用了一種更加實(shí)用的方法。他們進(jìn)行虛擬化的功能與 NFV 之前網(wǎng)絡(luò)世界中已經(jīng)存在的設(shè)備和產(chǎn)品一一對應(yīng)。這樣虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能 （VNF） 開發(fā)人員可以將他們的產(chǎn)品稱作現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)軟硬件的臨時(shí)替代品，無需向系統(tǒng)管理員提出新的概念，至少在探討早期是這樣。

因此，5G 服務(wù)提供商主要提供對 4G LTE 網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要的功能，包括寬帶網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)、路由器、IPsec 功能、演進(jìn)分組核心 （EPC）、以及支持連接和資源管理的控制平面處理。

其中部分功能 — 尤其是控制平面任務(wù) — 已經(jīng)在軟件中執(zhí)行了很長時(shí)間，因此虛擬化只是將代碼從一種執(zhí)行環(huán)境移到另一種執(zhí)行環(huán)境的問題。但其他功能一直以來都是通過 ASIC 或 FPGA 在專用硬件中實(shí)施，而且必須完成更多的工作才能轉(zhuǎn)化為 VNF。

大多數(shù) 5G NFV 討論中最突出的一個(gè)示例就是寬帶網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān) （BNG）。這種設(shè)備位于網(wǎng)絡(luò)客戶端和外部互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)之間，實(shí)際上就是蜂窩服務(wù)提供商的基帶設(shè)備和公共互聯(lián)網(wǎng)之間的網(wǎng)關(guān)。經(jīng)過仔細(xì)研究，BNG 不是單一功能，而是提供控制網(wǎng)關(guān)所必需的一組功能。最簡單地說，BNG 提供本地地址和互聯(lián)網(wǎng)地址之間的地址映射功能、雙向數(shù)據(jù)包路由功能，以及控制平面接口功能，支持管理和編排 （MANO） 模塊設(shè)置地址映射和路由表。

在全面實(shí)施過程中，BNG 還包含會話層驗(yàn)證 — 一種加密任務(wù) — 與核算、某種級別的安全功能，以及數(shù)據(jù)包級別的策略執(zhí)行和服務(wù)質(zhì)量管理等功能（圖 2）。路由通常只涉及從數(shù)據(jù)包提取地址字段、執(zhí)行表查詢，以及將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的緩沖區(qū)，而核算、安全、策略和服務(wù)質(zhì)量需要檢查數(shù)據(jù)包的有效負(fù)載、使用正則表達(dá)式處理器，以及快速、深度的緩沖，以便將優(yōu)先級授予特權(quán)數(shù)據(jù)包。

?概念化 BNG 包含多項(xiàng)重要的內(nèi)部功能

原則上，在數(shù)據(jù)中心的軟件中實(shí)施這些任務(wù)沒有任何問題。在適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)包速率下，地址映射、檢查、策略應(yīng)用、路由等數(shù)據(jù)平面任務(wù)可分配至多個(gè)服務(wù)器 CPU 內(nèi)核實(shí)現(xiàn)并行處理。在為了安全起見獲取更高級的內(nèi)容檢查方法之前，數(shù)據(jù)包之間不存在任何阻止并行處理的鏈接。但隨著數(shù)據(jù)包速率逐步提高，達(dá)到大型 5G 網(wǎng)絡(luò)的期待范圍 — 更不用說數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的速度 — 擴(kuò)展就成了一個(gè)問題。

相比在專用硬件中執(zhí)行一項(xiàng)功能，在軟件中執(zhí)行的速度肯定要慢，功耗也更大：通常會慢很多。而且，當(dāng)系統(tǒng)集成商在軟件功能之外組建一個(gè)虛擬 BNG （如果愿意可以稱作 VBNG），會遇到另一個(gè)問題。在硬件 BNG 數(shù)據(jù)平面中，功能模塊是流水線式的，階段之間只有淺緩沖。但在虛擬化系統(tǒng)中，在任務(wù)之間移動數(shù)據(jù)包通常意味著將數(shù)據(jù)包從一個(gè)內(nèi)核的高速緩存寫入共享二級高速緩存或三級高速緩存，或者更糟糕的是寫入 DRAM。

而最糟糕的是通過背板網(wǎng)絡(luò)寫入另一個(gè)服務(wù)器卡的 DRAM，然后進(jìn)入另一個(gè)內(nèi)核的一級高速緩存。硬件中的本地 FIFO 讀寫變成了高速緩存、DRAM 和網(wǎng)絡(luò)活動的級聯(lián)爆發(fā)，隨之而來的風(fēng)險(xiǎn)是專用 DRAM 通道達(dá)到飽和，或出現(xiàn)緩存抖動。而且這些問題與流量有著密切的關(guān)系，設(shè)計(jì)時(shí)不容易預(yù)測。因此，這就導(dǎo)致許多設(shè)計(jì)人員將硬件加速器視作純軟件實(shí)施數(shù)據(jù)平臺功能的替代方案。