基于Trio的路由器體系結(jié)構(gòu)

可編程數(shù)據(jù)平面從根本上改變網(wǎng)絡(luò)元素的構(gòu)建和管理方式，也在一定程度上平衡了靈活性和性能之間的矛盾，這種平衡行為的關(guān)鍵是對(duì)數(shù)據(jù)包處理的良好抽象。數(shù)據(jù)包處理的常見抽象是匹配動(dòng)作流水線，最早由OpenFlow提出。通過匹配動(dòng)作抽象，可以將包處理器建模為一系列匹配和動(dòng)作流水線階段。每個(gè)流水線階段對(duì)流經(jīng)的數(shù)據(jù)包執(zhí)行不同的操作。這種抽象可以映射到FPGA和下一代ASIC。

在這種情況下，與平臺(tái)和體系結(jié)構(gòu)無關(guān)的P4語言應(yīng)運(yùn)而生。為支持P4語言，可編程數(shù)據(jù)平面大都采用可重配置匹配動(dòng)作表（Reconfigurable Match Tables，RMT）抽象轉(zhuǎn)發(fā)模型，定義了可編程解析、可編程匹配與可編程動(dòng)作等數(shù)據(jù)包處理行為，而使用P4編程語言，可以快速簡便地對(duì)數(shù)據(jù)包處理行為進(jìn)行描述。

因此，在人們的印象中，提到P4語言，大腦中就自動(dòng)出現(xiàn)解析器、逆解析器和多級(jí)流表的架構(gòu)，想到了Barefoot的Tofino芯片。認(rèn)為解析器、逆解析器加多級(jí)Match Action流表的架構(gòu)就是P4語言唯一硬件架構(gòu)。然而，實(shí)際上，除了這種架構(gòu)外，還有好幾種其它的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)。

比如在今年8月下旬即將召開的SIGCOMM會(huì)議上，MIT和Juniper的研究人員聯(lián)合發(fā)表了一篇介紹Trio芯片架構(gòu)的文章，Trio芯片就不是采用流水線架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對(duì)P4語言支持的。文章主要面向新的應(yīng)用場景與傳統(tǒng)的PISA流水線架構(gòu)的交換芯片的性能進(jìn)行對(duì)比，現(xiàn)將該文章部分譯文奉上，以饗讀者。感興趣的讀者也可以提前閱讀扎神的文章《Trio 6, Express 5 and Silicon One》以更全面了解相關(guān)內(nèi)容和背景。

本文介紹了Trio，一種用于瞻博（Juniper）網(wǎng)絡(luò)MX系列路由器和交換機(jī)的可編程芯片組。Trio的架構(gòu)基于一個(gè)多線程的可編程數(shù)據(jù)包處理引擎和一個(gè)分層的大容量內(nèi)存系統(tǒng)，這使得它與基于流水線的架構(gòu)有著根本的不同。Trio可以優(yōu)雅地處理各種網(wǎng)絡(luò)用例和協(xié)議的非同質(zhì)包處理率，使其成為新興網(wǎng)絡(luò)內(nèi)應(yīng)用的理想平臺(tái)。

我們首先描述了Trio芯片組的基本構(gòu)件，包括其多線程的包轉(zhuǎn)發(fā)和包處理引擎。然后，我們討論Trio的編程語言，稱為微代碼。為了展示Trio靈活的基于Microcode的編程環(huán)境，我們描述了兩個(gè)使用案例。

首先，我們展示了Trio為分布式機(jī)器學(xué)習(xí)執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)內(nèi)聚合的能力。其次，我們提出并設(shè)計(jì)了一種使用Trio的定時(shí)器線程的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)滯留者緩解技術(shù)。我們在測試平臺(tái)上使用三個(gè)真實(shí)的DNN模型（ResNet50、DenseNet161和VGG11）對(duì)這兩個(gè)用例進(jìn)行了原型測試，以證明Trio在執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)內(nèi)聚合的同時(shí)緩解串?dāng)_的能力。我們的評(píng)估表明，當(dāng)集群中出現(xiàn)散工問題時(shí)，Trio的性能比目前基于流水線的解決方案高1.8倍。

01?引言

數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用是當(dāng)今在線服務(wù)的基礎(chǔ)。隨著摩爾定律的逐漸放緩，硬件加速器正在努力滿足新興云應(yīng)用的性能需求，如機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)庫、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)分析。進(jìn)一步的進(jìn)展明顯受到單臺(tái)服務(wù)器所能容納的計(jì)算量和內(nèi)存的限制，推動(dòng)了數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用對(duì)高效分布式系統(tǒng)的需求。 可編程交換機(jī)的出現(xiàn)，如英特爾的Tofino[2, 20, 22]，為設(shè)計(jì)新的包處理協(xié)議和編譯器創(chuàng)造了機(jī)會(huì)[17, 20, 24, 44, 45, 58, 69, 71]。Tofino交換機(jī)也為使用網(wǎng)絡(luò)內(nèi)計(jì)算[23, 60, 74]來加速應(yīng)用鋪平了道路，如緩存[43]、數(shù)據(jù)庫查詢處理[50, 73]、機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練[36, 48, 55, 63, 77]、推理[76]和共識(shí)協(xié)議[27, 28, 52]。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)計(jì)算的關(guān)鍵思想是利用交換機(jī)的獨(dú)特優(yōu)勢，直接在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行部分計(jì)算，從而減少延遲，提高性能。 ? 盡管可編程交換機(jī)一直是這種新模式的重要推動(dòng)者，但獨(dú)立于協(xié)議的交換機(jī)架構(gòu)（PISA）[2, 20, 22, 58]往往不適合新興的網(wǎng)內(nèi)應(yīng)用，從而限制了進(jìn)一步發(fā)展，阻礙了網(wǎng)內(nèi)計(jì)算應(yīng)用的廣泛采用[35, 37, 67]。 ? 本文介紹了Trio的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)計(jì)算可編程架構(gòu)。Trio是瞻博網(wǎng)絡(luò)的可編程芯片組，擁有數(shù)十億美元的預(yù)存客戶群。它已被部署在全球核心、邊緣和數(shù)據(jù)中心環(huán)境中的數(shù)十萬臺(tái)路由器和交換機(jī)中。Trio芯片組在生產(chǎn)設(shè)備中使用已超過十年。 ? Trio建立在一套定制的處理器內(nèi)核上，其指令集針對(duì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。因此，該芯片組具有傳統(tǒng)ASIC的性能，同時(shí)享有完全可編程處理器的靈活性，允許通過軟件安裝新功能。Trio的靈活架構(gòu)使其能夠支持在芯片組發(fā)布后很長時(shí)間內(nèi)開發(fā)的功能和協(xié)議。Trio處理器內(nèi)核可以訪問一個(gè)高性能的大內(nèi)存系統(tǒng)，以存儲(chǔ)與系統(tǒng)配置和數(shù)據(jù)包有關(guān)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)。該內(nèi)存系統(tǒng)對(duì)具有大內(nèi)存足跡的新興應(yīng)用的可擴(kuò)展性至關(guān)重要。 ? Trio的結(jié)構(gòu)與Tofino的結(jié)構(gòu)有根本的不同。Trio有一個(gè)非流水線結(jié)構(gòu)，因此不同的數(shù)據(jù)包不一定流經(jīng)芯片上的相同物理路徑。Trio中的入站數(shù)據(jù)包是使用成千上萬的并行線程獨(dú)立處理的（詳情見2）。這些線程使用運(yùn)行-完成模型[12, 70]，其中一個(gè)線程將執(zhí)行所需的指令，以完成它目前正在處理的數(shù)據(jù)包的處理。Trio有專門的邏輯，以確保同一流量的數(shù)據(jù)包按順序交付，但不同流量的數(shù)據(jù)包可以不按順序處理，使其能夠有效地處理混合的并發(fā)應(yīng)用。 ? 因此，Trio可以優(yōu)雅地處理不同的數(shù)據(jù)包處理率：它可以為需要豐富的每包處理的應(yīng)用提供低于線速的支持，同時(shí)為具有簡單的每包處理需求的應(yīng)用保持線速。相比之下，基于PISA的交換機(jī)在處理數(shù)據(jù)包時(shí)，處于同一流水線的數(shù)據(jù)包需要遍歷流水線的各個(gè)階段，無論P(yáng)4程序是怎樣的；P4程序[19]的部署只有完全成功和完全失敗兩個(gè)結(jié)果，基于PISA的交換機(jī)無法支持靈活的數(shù)據(jù)包處理速率，以可編程性為代價(jià)，換取數(shù)據(jù)包的線速處理能力。 ? 在本文中，我們首先描述了Trio芯片組的基本構(gòu)件，包括其數(shù)據(jù)包處理引擎和周圍的內(nèi)存系統(tǒng)的細(xì)節(jié)（2）。接下來，我們描述了Trio的編程語言，稱為Microcode（3）。然后，我們以機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)聚合作為第一個(gè)用例，解釋Trio靈活的Microcode設(shè)計(jì)（4）。我們將網(wǎng)絡(luò)中的串?dāng)_緩解作為第二個(gè)用例，以證明Trio在啟動(dòng)高效的基于定時(shí)器的線程方面的獨(dú)特能力（5）。我們證明了在Trio中實(shí)現(xiàn)滯留者緩解是直接的，而據(jù)我們所知，在基于PISA的設(shè)備中實(shí)現(xiàn)高效的滯留者緩解是具有挑戰(zhàn)性的，甚至是不可能的。 ? 我們在一個(gè)帶有Juniper MX480設(shè)備[10]、一個(gè)64個(gè)100Gbps Tofino交換機(jī)和六個(gè)華碩ESC4000AE10服務(wù)器的測試平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)用例，每個(gè)服務(wù)器都有一個(gè)A100 Nvidia GPU[11]和一個(gè)100Gbps Mellanox ConnectX5網(wǎng)卡。我們訓(xùn)練三個(gè)DNN模型（ResNet50[41]、DenseNet161[42]和VGG11[68]），以證明Trio在執(zhí)行網(wǎng)內(nèi)聚合的同時(shí)減輕散兵線的能力。我們的評(píng)估表明，當(dāng)集群中出現(xiàn)散工時(shí)，Trio比最先進(jìn)的網(wǎng)內(nèi)聚合平臺(tái)SwitchML[63]的性能高出1.8倍。 ? 瞻博網(wǎng)絡(luò)將繼續(xù)發(fā)展Trio芯片組，為現(xiàn)有和新興應(yīng)用提供更高的帶寬、更低的功耗和更多的功能，同時(shí)還將開發(fā)軟件基礎(chǔ)架構(gòu)以支持更多的使用案例。我們邀請網(wǎng)絡(luò)界確定能夠利用Trio可編程架構(gòu)的新用例。 ? ?

02?Trio的結(jié)構(gòu)

自2009年推出以來，Trio芯片組已經(jīng)經(jīng)歷了六代[16]，具有各種性能點(diǎn)和架構(gòu)。本節(jié)詳細(xì)介紹了Trio的最新架構(gòu)。首先，我們對(duì)基于Trio的路由器1中的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)和處理做了一個(gè)高層次的概述。然后，我們轉(zhuǎn)向Trio的數(shù)據(jù)包處理引擎的細(xì)節(jié)。最后，我們解釋Trio的各種內(nèi)存類型和讀-改-寫操作。

1 、基于Trio的路由器體系結(jié)構(gòu)

圖1說明了基于Trio的路由器（或交換機(jī)）與基于PISA的交換機(jī)之間的高層區(qū)別。每個(gè)基于Trio的設(shè)備都有兩個(gè)重要的組成部分：（i）包轉(zhuǎn)發(fā)引擎和（ii）包處理引擎，下面將介紹。 ?

? 數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)引擎（PFE）。PFE是Trio轉(zhuǎn)發(fā)平面的中心處理元素，用于系統(tǒng)地將數(shù)據(jù)包移入和移出設(shè)備。一個(gè)基于Trio的設(shè)備由一個(gè)或多個(gè)PFE組成。根據(jù)不同的年代，每個(gè)Trio芯片組支持不同的數(shù)據(jù)包處理帶寬。Trio的第一代PFE用多個(gè)芯片支持40Gbps的網(wǎng)絡(luò)帶寬。今天，Trio的第六代PFE在單個(gè)芯片中支持1.6 Tbps。小型路由器可能只有一個(gè)PFE，而大型路由器則有多個(gè)PFE，通過互連結(jié)構(gòu)連接，如圖1（a）所示。通過在PFE之間提供any-to-any的全互連連接，互連結(jié)構(gòu)擴(kuò)大了設(shè)備的帶寬，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了單個(gè)芯片所能支持的范圍。每個(gè)PPE在入口和出口方向上都處理數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包通過一個(gè)入口PFE到達(dá)系統(tǒng)，并通過一個(gè)出口PFE離開。 ? 包處理引擎（PPE）。每個(gè)PFE都有數(shù)百個(gè)多線程的包處理引擎（PPE），如圖2所示。每個(gè)PPE支持幾十個(gè)線程同時(shí)處理不同的數(shù)據(jù)包。與Tofino的架構(gòu)不同，流水線不能訪問對(duì)方的寄存器，一個(gè)PFE中的PPE線程可以通過共享內(nèi)存有效地共享狀態(tài)。第2.2節(jié)更詳細(xì)地解釋了PPE的基于線程的設(shè)計(jì)。 ?

? ? 平行數(shù)據(jù)包處理。PFE的硬件邏輯自動(dòng)將每個(gè)進(jìn)入的數(shù)據(jù)包分為頭和尾部分（類似于PISA的頭和有效載荷）。數(shù)據(jù)包頭是數(shù)據(jù)包的第一部分，通常大到足以容納處理數(shù)據(jù)包所需的所有數(shù)據(jù)包頭（每一代Trio設(shè)備的數(shù)據(jù)包頭大小不同，但通常約為200字節(jié)）。尾部由數(shù)據(jù)包的剩余字節(jié)組成（如果有的話）。當(dāng)一個(gè)新的數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)，PFE內(nèi)部的一個(gè)硬件模塊，稱為調(diào)度模塊，根據(jù)可用性將數(shù)據(jù)包頭發(fā)送到PPE進(jìn)行處理，PPE為這個(gè)數(shù)據(jù)包頭生成一個(gè)新線程。數(shù)據(jù)包尾部被保存在PFE的內(nèi)存和隊(duì)列子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)包緩沖區(qū)，以避免在PPE線程中存儲(chǔ)大量的字節(jié)。默認(rèn)情況下，每個(gè)線程在一個(gè)數(shù)據(jù)包上工作。許多PPE線程并行工作以提供所需的處理帶寬。 ? 重新排序引擎。當(dāng)數(shù)據(jù)包處理完成后，修改后的數(shù)據(jù)包頭被發(fā)送到重新排序引擎。重排引擎保留更新的包頭，直到同一流程中所有較早到達(dá)的數(shù)據(jù)包都被處理，以確保按順序交付。然后，Reorder Engine將修改后的數(shù)據(jù)包頭發(fā)送到內(nèi)存和排隊(duì)子系統(tǒng)，以便排隊(duì)傳輸。 ?

2、包處理引擎

　　Trio的PPE提供了固定處理流水線或現(xiàn)有專門處理單元難以或無法實(shí)現(xiàn)的功能。每個(gè)PPE都是一個(gè)VLIW（超長指令字）多線程的微碼引擎核心。每個(gè)微指令都控制著多個(gè)ALU、操作數(shù)和結(jié)果選擇，以及復(fù)雜的多路分支。執(zhí)行一個(gè)微指令所需工作的復(fù)雜性意味著每個(gè)指令需要多個(gè)時(shí)鐘周期。因?yàn)槊總€(gè)PFE通常同時(shí)為許多數(shù)據(jù)包提供服務(wù)，所以一個(gè)PPE不需要高的單線程性能。Trio中的每個(gè)線程一次只有一條數(shù)據(jù)通路指令。Trio不會(huì)將同一線程上的指令與前一條指令分派到PPE流水線中，直到后者退出流水線。因此，不需要在同一線程的指令之間傳遞數(shù)據(jù)，因?yàn)樵跀?shù)據(jù)回寫完成之前，后續(xù)指令不依賴于前一指令的結(jié)果。

　　PPE線程。一個(gè)PPE線程通常在數(shù)據(jù)包頭到達(dá)PPE時(shí)啟動(dòng)，并在該P(yáng)PE對(duì)該數(shù)據(jù)包的處理完成后銷毀。線程的銷毀由芯片中的硬件邏輯自動(dòng)處理，盡管程序員可以控制何時(shí)放棄線程的執(zhí)行。線程也可以響應(yīng)某些內(nèi)部事件而啟動(dòng)，包括統(tǒng)計(jì)收集和定時(shí)器（更多細(xì)節(jié)見5）。外部事件有能力通過類似的機(jī)制來催生新線程的執(zhí)行。入口和出口PFE中的PPE共同處理處理數(shù)據(jù)包所需的所有功能（例如，數(shù)據(jù)包解析、路由查找、數(shù)據(jù)包重寫）。

　　每線程本地存儲(chǔ)。每個(gè)PPE有兩種主要的內(nèi)部存儲(chǔ)形式。首先，每個(gè)線程有一個(gè)專用的本地存儲(chǔ)器池（1.25 KBytes）。本地存儲(chǔ)器可以在任何字節(jié)邊界訪問，使用指針寄存器或微指令中包含的地址。在一個(gè)PPE線程啟動(dòng)之前，數(shù)據(jù)包頭被加載到該線程的本地存儲(chǔ)器中。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，修改后的數(shù)據(jù)包頭會(huì)從線程的本地存儲(chǔ)器中卸載。指針寄存器的使用允許對(duì)包頭以及其他類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的訪問。其次，每個(gè)線程都有32個(gè)64位的通用寄存器，這些寄存器對(duì)它是私有的。

　　本地存儲(chǔ)（內(nèi)存和寄存器）持有正在處理的數(shù)據(jù)包的特定信息?？绨墓蚕頎顟B(tài)被保存在所有PPE都可以訪問的共享內(nèi)存系統(tǒng)中。

　　ALU類型。有兩種ALU類型：（i）條件ALU和（ii）移動(dòng)ALU。條件ALU用于算術(shù)或邏輯運(yùn)算，產(chǎn)生32位數(shù)據(jù)結(jié)果和/或用于比較運(yùn)算，產(chǎn)生1位條件結(jié)果。移動(dòng)ALU產(chǎn)生32位的結(jié)果，可以寫進(jìn)寄存器或本地存儲(chǔ)器。來自條件ALU的結(jié)果可以作為移動(dòng)ALU的輸入。這種ALU組織允許每個(gè)指令的資源在排序控制（接下來描述）和生成邏輯/算術(shù)結(jié)果之間靈活分配，以存儲(chǔ)在寄存器/存儲(chǔ)器中。

　　重要的是，每個(gè)ALU操作數(shù)和每個(gè)移動(dòng)ALU結(jié)果可以是一個(gè)任意長度的位域（最多32位）和一個(gè)任意的位偏移。這有兩個(gè)主要的好處。首先，它提高了訪問包頭中不同大小的字段的效率。第二，它提高了內(nèi)存和寄存器容量的利用率，使每塊數(shù)據(jù)只使用它所需要的比特。Trio在PPE和共享內(nèi)存系統(tǒng)中都有ALU。前者用于對(duì)寄存器和本地存儲(chǔ)器的操作，而后者則用于對(duì)存儲(chǔ)在共享存儲(chǔ)器系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。通過將數(shù)據(jù)包尾部的部分移動(dòng)到PPE線程的本地存儲(chǔ)器，也支持對(duì)數(shù)據(jù)包尾部的操作。

　　排序邏輯。一個(gè)或多個(gè)條件ALU的條件結(jié)果可以被排序邏輯單元用來選擇下一個(gè)要執(zhí)行的微指令。每個(gè)微指令包括一個(gè)至八個(gè)微指令的目標(biāo)塊的地址。任何或所有的條件結(jié)果都可以被忽略，所使用的條件結(jié)果的組合也非常靈活。數(shù)據(jù)包處理中的許多工作涉及代碼中復(fù)雜的條件分支，特別是在解析期間。Trio在一條指令中執(zhí)行復(fù)雜的多路分支的能力與數(shù)據(jù)包處理應(yīng)用的需求非常匹配。PPE支持對(duì)子程序的調(diào)用-返回機(jī)制，子程序可以嵌套到八層深處。

　　高效的哈希計(jì)算。高效的負(fù)載平衡是所有路由器/交換機(jī)的一個(gè)重要要求。在一個(gè)基于Trio的系統(tǒng)中，一個(gè)Microcode程序負(fù)責(zé)指定哪些數(shù)據(jù)包字段被包括在哈希計(jì)算中。這使得哪些數(shù)據(jù)包字段有助于負(fù)載平衡的決定具有完全的靈活性，包括從協(xié)議尚未發(fā)明的數(shù)據(jù)包頭中選擇字段的能力。Trio中的哈希函數(shù)是一個(gè)使用專用邏輯實(shí)現(xiàn)的高質(zhì)量哈希函數(shù)。因此，哈希函數(shù)的實(shí)現(xiàn)比用軟件實(shí)現(xiàn)的類似哈希函數(shù)更有效?？删幊套侄芜x擇和硬接線哈希函數(shù)的結(jié)合，使PPE在靈活性和效率方面達(dá)到了前所未有的平衡。

　　靈活的編程。對(duì)PPE可處理的報(bào)頭數(shù)量或類型沒有固定限制。因此，PPE可以使用Trio的微碼程序（3）輕松創(chuàng)建新的報(bào)頭或消耗/刪除數(shù)據(jù)包中的現(xiàn)有報(bào)頭。隨著新協(xié)議的開發(fā)，Trio數(shù)據(jù)包處理架構(gòu)可以通過增強(qiáng)運(yùn)行在PPE上的軟件來適應(yīng)。由于PPE的多線程結(jié)構(gòu)，PPE還可以創(chuàng)建或消耗數(shù)據(jù)包來完成任務(wù)，如保持功能，其速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于控制平面CPU所能支持的速度。重要的是，處理周期在不同的應(yīng)用之間是可以互換的，從而能夠優(yōu)雅地處理不同應(yīng)用的數(shù)據(jù)包處理要求。因此，基于Trio的系統(tǒng)可以為數(shù)據(jù)包處理較豐富的應(yīng)用提供較低的數(shù)據(jù)包速率，為數(shù)據(jù)包處理較簡單的應(yīng)用提供較高的數(shù)據(jù)包速率，或兩者混合使用。

3、共享內(nèi)存系統(tǒng)

　　最近的Trio芯片組在每個(gè)PFE中支持幾個(gè)GBytes的內(nèi)存。本節(jié)對(duì)Trio的共享內(nèi)存系統(tǒng)進(jìn)行了概述。 共享內(nèi)存的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于交換機(jī)和路由器來說，一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如計(jì)數(shù)器和（流量）管制器，需要以很高的速度修改。為了支持?jǐn)?shù)百個(gè)PPE線程對(duì)這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的有效訪問，Trio的共享內(nèi)存系統(tǒng)成為所有線程訪問和修改數(shù)據(jù)的地方。

　　所有對(duì)共享內(nèi)存系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問（讀、寫和讀-修改-寫）都由位于共享內(nèi)存系統(tǒng)附近的讀-修改-寫引擎處理。當(dāng)多個(gè)線程在同一時(shí)間訪問同一內(nèi)存位置時(shí)，不需要將數(shù)據(jù)從一個(gè)線程移到另一個(gè)線程。相反，數(shù)據(jù)修改發(fā)生在讀-修改-寫引擎內(nèi)部。這允許在內(nèi)存附近高速更新數(shù)據(jù)，很好地滿足了數(shù)據(jù)包處理應(yīng)用的需要。

　　相比之下，傳統(tǒng)處理器使用的基于緩存線的一致性模型需要在訪問過程中把數(shù)據(jù)移到線程中；當(dāng)多個(gè)線程試圖修改同一內(nèi)存位置時(shí)，這會(huì)造成較長的延遲。雖然這種模型可以支持對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更復(fù)雜和更普遍的操作，但對(duì)于可以被數(shù)百個(gè)線程訪問的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來說，它的表現(xiàn)很差。

　　內(nèi)存類型。Trio存儲(chǔ)器系統(tǒng)經(jīng)過優(yōu)化，為相對(duì)較?。?字節(jié)）的請求提供了較高的訪問速率。為了實(shí)現(xiàn)所需的帶寬、延遲和容量的組合，存儲(chǔ)器系統(tǒng)使用兩種類型的存儲(chǔ)器，如圖3所示：（i）高帶寬的片上存儲(chǔ)器，從PPE的訪問延遲約為70ns；（ii）基于DRAM的大型高帶寬片外存儲(chǔ)器，從PPE的訪問延遲約為300 ns至400 ns。片上存儲(chǔ)器是由一個(gè)嚴(yán)重的多槽SRAM實(shí)現(xiàn)的，通常用于頻繁訪問的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

　　片外存儲(chǔ)器有一個(gè)幾百萬字節(jié)的片上緩存，它與片上SRAM類似，并且是大量的多Bank，以提供高吞吐量。片上SRAM和片外DRAM緩存的大小是可以軟件配置的（通常分別為2-8 MBytes和8-24 MBytes）。片外DRAM是幾GB字節(jié)。片內(nèi)和片外存儲(chǔ)器在結(jié)構(gòu)上是等同的，存在于一個(gè)統(tǒng)一的地址空間的不同范圍內(nèi)。它們只在容量、延遲和可用帶寬上有所不同。這使得數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以被放置在最符合其容量和帶寬要求的存儲(chǔ)器類型中。

? 　　內(nèi)存交易。內(nèi)存系統(tǒng)支持不同大小的讀寫操作，從8字節(jié)到64字節(jié)（以8字節(jié)為增量）。Trio可以用8字節(jié)的訪問來支持全部的內(nèi)存系統(tǒng)帶寬。此外，還支持豐富的讀-改-寫操作，包括數(shù)據(jù)包/字節(jié)計(jì)數(shù)器、Policers、邏輯獲取和操作（And/Or/Xor/Clear）、獲取和交換、屏蔽式寫入和32位添加。讀-修改-寫操作由讀-修改-寫引擎啟用，具體規(guī)定如下。

　　讀-修改-寫引擎。數(shù)據(jù)包處理需要極其高速的讀-修改-寫操作。處理一個(gè)數(shù)據(jù)包可能涉及到對(duì)多個(gè)計(jì)數(shù)器的更新，對(duì)一個(gè)或多個(gè)策略器的操作，以及應(yīng)用程序需要的其他操作。處理讀-改-寫操作的天真方法是，在操作進(jìn)行時(shí)，讓一個(gè)線程擁有一個(gè)內(nèi)存位置的所有權(quán)。但這種方法不能滿足數(shù)據(jù)包處理的高效率要求。相比之下，Trio將讀-改-寫操作卸載到它的內(nèi)存系統(tǒng)中，由一個(gè)讀-改-寫引擎來處理一系列的內(nèi)存位置。

　　如果對(duì)同一內(nèi)存位置的多個(gè)請求在同一時(shí)間到達(dá)，該引擎將依次處理這些請求，以保證更新的一致性。在混合讀、寫和讀-修改-寫操作時(shí)，不需要向內(nèi)存中的某個(gè)位置發(fā)出明確的一致性命令。每個(gè)讀-改-寫引擎以每個(gè)時(shí)鐘周期8字節(jié)的速度處理內(nèi)存請求。因此，整個(gè)共享內(nèi)存系統(tǒng)的單個(gè)讀-修改-寫引擎不能提供足夠高的速率處理數(shù)據(jù)包所需的內(nèi)存帶寬。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，Trio支持幾組SRAM和片外緩存，并有自己的讀-修改-寫引擎，使讀-修改-寫處理帶寬能夠與原始內(nèi)存帶寬一起擴(kuò)展。

　　Crossbar和共享內(nèi)存性能。Trio的Crossbar被設(shè)計(jì)為支持所有的讀-修改-寫引擎，因此Crossbar本身不會(huì)限制內(nèi)存性能。如果提供給某個(gè)讀-改-寫引擎的負(fù)載超過了每周期8字節(jié)的吞吐量，就會(huì)通過Crossbar產(chǎn)生背壓。瞻博網(wǎng)絡(luò)在每一代Trio芯片中都增加了讀-改-寫引擎的數(shù)量，以便內(nèi)存帶寬隨著數(shù)據(jù)包處理帶寬的增加而增加。

03?Trio的編程環(huán)境

本節(jié)對(duì)Trio的編程環(huán)境進(jìn)行了概述。第1節(jié)描述了Trio的編程語言和基于Trio設(shè)備的編程工具鏈。第2節(jié)提供了一個(gè)用Trio微代碼編程的數(shù)據(jù)包過濾例子。 ?

1、Trio的編程語言和工具鏈

基于Trio的設(shè)備的編程語言是一種叫做Microcode的類C語言。程序員在Microcode中實(shí)現(xiàn)所有的數(shù)據(jù)包處理操作，包括數(shù)據(jù)包解析、路由查找、數(shù)據(jù)包重寫和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)計(jì)算（如果有）。圖4顯示了在Trio上為新的應(yīng)用程序編程所需的工具。要在Trio上編程一個(gè)新的應(yīng)用程序，程序員使用Microcode語言來編寫新的應(yīng)用程序，并將新的Microcode程序添加到現(xiàn)有的代碼庫中。然后，程序員使用Trio的編譯器生成軟件圖像并配置目標(biāo)設(shè)備。 ?

　　表達(dá)式語法。Microcode支持C風(fēng)格的表達(dá)式。支持的變量類型包括標(biāo)量（label， bool， 和不同大小的整數(shù)）和復(fù)合（struct 和union）。Microcode還支持指針和數(shù)組，條件，函數(shù)調(diào)用和Gotos，以及switch語句。 指令邊界。一個(gè)Microcode程序有多個(gè)指令。一條Microcode指令可以執(zhí)行有限的操作，程序員需要明確指定指令的邊界。通常情況下，一條Microcode指令可以執(zhí)行四個(gè)寄存器或兩個(gè)本地存儲(chǔ)器的讀取，以及兩個(gè)寄存器或兩個(gè)本地存儲(chǔ)器的寫入。

　　變量存儲(chǔ)類。當(dāng)在Microcode中定義一個(gè)新的變量時(shí)，程序員需要指定存儲(chǔ)該變量的位置。有三種類型的變量存儲(chǔ)類：內(nèi)存（PPE的本地內(nèi)存和寄存器），總線（表示變量作為ALU的輸入），和虛擬（表示常量值）。對(duì)存儲(chǔ)在共享內(nèi)存系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)的訪問，如轉(zhuǎn)發(fā)表，是通過下面規(guī)定的外部事務(wù)實(shí)現(xiàn)的。

　　外部交易。PPE可以通過Crossbar向其他模塊發(fā)出外部事務(wù)（XTXN），如共享內(nèi)存系統(tǒng)、哈希查找/插入/刪除、高性能過濾器和計(jì)數(shù)器/警戒器塊。這些XTXN可以是同步的或異步的。在同步XTXN中，PPE線程被暫停，直到收到XTXN回復(fù)；在異步XTXN中，PPE線程繼續(xù)正常運(yùn)行。PPE也可以通過XTXNs從數(shù)據(jù)包尾部獲取數(shù)據(jù)。在這種情況下，數(shù)據(jù)包尾巴從內(nèi)存和隊(duì)列子系統(tǒng)發(fā)出，通過Crossbar，然后到達(dá)PPE的本地內(nèi)存。

　　一個(gè)XTXN由PPE向目標(biāo)發(fā)出的請求和目標(biāo)向PPE發(fā)回的回復(fù)組成。XTXN的格式取決于目標(biāo)塊。例如，發(fā)送到共享內(nèi)存系統(tǒng)的讀取請求以內(nèi)存地址為參數(shù)，數(shù)據(jù)在XTXN響應(yīng)寄存器中返回。 編譯器。為了編譯Microcode程序，程序員使用一個(gè)叫做Trio Compiler（TC）的工具。TC將指令的源代碼映射到指令可以控制的各種資源，包括將變量映射到它們的底層存儲(chǔ)，并將指令分配到PPE內(nèi)的Microcode內(nèi)存。TC同時(shí)具有編譯器和匯編器的特點(diǎn)。在編譯器方面，TC支持將高級(jí)C風(fēng)格的表達(dá)式翻譯成硬件指令。

　　在匯編器方面，TC的源代碼必須包含指令的劃分，即程序員標(biāo)記代表一條指令的代碼塊的開始和結(jié)束。如果指定給一條指令的代碼不合適，TC的編譯就會(huì)失敗，因?yàn)樗荒茉诙鄺l指令中實(shí)現(xiàn)要求的動(dòng)作。TC沒有一個(gè)單獨(dú)的編譯和連接階段。它需要完整的源代碼而不是單個(gè)模塊來生成二進(jìn)制文件。這個(gè)二進(jìn)制文件包含初始化PPE資源的數(shù)據(jù)，如Microcode內(nèi)存和本地內(nèi)存。它還定義了所需的符號(hào)，如本地內(nèi)存中數(shù)據(jù)包頭開始的地址。該二進(jìn)制文件是Trio的ASIC驅(qū)動(dòng)程序用于設(shè)備初始化的Junos2軟件鏡像的一部分。

　　vMX虛擬路由器。瞻博網(wǎng)絡(luò)正在共同努力，使第三方能夠訪問基于Trio的設(shè)備編程。作為第三方訪問Trio功能的第一步，瞻博網(wǎng)絡(luò)開發(fā)了vMX虛擬路由器［5］。vMX是一個(gè)虛擬化的通用路由平臺(tái)，由一個(gè)虛擬控制平面（VCP）和一個(gè)虛擬轉(zhuǎn)發(fā)平面（VFP）組成。VCP由Junos操作系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，VFP運(yùn)行為x86環(huán)境優(yōu)化的Microcode引擎。vMX可作為授權(quán)軟件，部署在基于x86的服務(wù)器和云服務(wù)上，如亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

　　高級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)接口。在Trio中，數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)是一個(gè)由PFE執(zhí)行的操作序列。每個(gè)操作都可以用潛在包轉(zhuǎn)發(fā)操作圖上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)表示。PFE根據(jù)單個(gè)數(shù)據(jù)包的類型/字段，為其執(zhí)行一系列操作。瞻博網(wǎng)絡(luò)高級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)接口（AFI）［3］提供了部分可編程性，允許第三方開發(fā)者通過一個(gè)稱為沙盒的小型虛擬容器控制和管理這個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)路徑圖的一部分。該沙盒使開發(fā)者能夠添加、刪除和改變特定數(shù)據(jù)包的操作順序。

2、Microcode程序示例（略）

04?Trio討論和未來的用例

Trio用于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)遙測。大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商需要遙測或深入了解其網(wǎng)絡(luò)中的流量，以便進(jìn)行容量規(guī)劃、服務(wù)級(jí)協(xié)議監(jiān)測、安全緩解和其他用途。目前的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通常依靠數(shù)據(jù)包采樣，使用設(shè)備中嵌入的內(nèi)部處理器或外部監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步處理。由于通過設(shè)備的流量很大，而可用于監(jiān)測的處理和帶寬有限，只有一小部分?jǐn)?shù)據(jù)包（幾萬分之一或更少）被選中進(jìn)行監(jiān)測，而且采樣數(shù)據(jù)包的決定往往是盲目的，基于一個(gè)簡單的時(shí)間間隔[62]。Trio的數(shù)據(jù)包處理的靈活性和操作資源的可用性使其適合網(wǎng)絡(luò)內(nèi)遙測。例如，服務(wù)提供商可以利用Trio的大內(nèi)存來跟蹤傳入的數(shù)據(jù)包，以保持足夠的信息用于遙測。此外，Trio的定時(shí)器線程適用于定期監(jiān)測和異常分析。為了給網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商提供更智能的遙測，可以根據(jù)Trio已經(jīng)提取的用于路由的數(shù)據(jù)包字段，對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)包執(zhí)行基于機(jī)器學(xué)習(xí)的分類技術(shù)。最后，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以更有效地存儲(chǔ)，從而減少外部監(jiān)測設(shè)備的傳輸帶寬和處理周期。

Trio用于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)安全。為了減輕DDoS攻擊，基于Trio的MX系統(tǒng)支持識(shí)別和丟棄惡意數(shù)據(jù)包的功能，充分利用了芯片組的高性能和靈活的數(shù)據(jù)包過濾機(jī)制。Trio還在SRX安全平臺(tái)上充當(dāng)基于安全流的快速轉(zhuǎn)發(fā)路徑[1]。Trio能夠?qū)魅氲臄?shù)據(jù)包進(jìn)行額外的復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)安全處理，通過聚合特征或?qū)Ψ?wù)提供商安裝的ML模型進(jìn)行推理，以識(shí)別和緩解流量中的異常情況。與基于設(shè)備的解決方案不同，Trio在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通路上進(jìn)行異常檢測的可編程架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)低延遲的威脅緩解。 ? Trio-ML中的數(shù)據(jù)包丟失。運(yùn)行各種不同應(yīng)用的數(shù)據(jù)中心可能會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)流量高峰，而這又可能導(dǎo)致聚合數(shù)據(jù)包丟失。一個(gè)實(shí)用的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)聚合系統(tǒng)需要一定程度的彈性，使長期運(yùn)行的工作能夠在這種突發(fā)事件中生存下來。SwitchML[63]建議如何實(shí)現(xiàn)這種彈性。Trio-ML的實(shí)現(xiàn)有支持這種解決方案的規(guī)定，盡管它不是當(dāng)前代碼的一部分，我們把它留給未來的工作。 ? 未來的開放源碼計(jì)劃。我們正在考慮幾個(gè)未來開源的想法。首先，我們計(jì)劃為Trio增加對(duì)P4編程的全面支持。Juniper工程公司已經(jīng)為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)做出了初步努力[6]，但最近對(duì)P4核心規(guī)范的修改和增強(qiáng)，應(yīng)該可以讓更多的靈活性和更多的功能通過P4接口公開。其次，我們計(jì)劃創(chuàng)建一種特定領(lǐng)域的語言，讓第三方開發(fā)者能夠使用Trio芯片組的全部轉(zhuǎn)發(fā)路徑功能。瞻博網(wǎng)絡(luò)正在探索這一領(lǐng)域的發(fā)展，并歡迎社區(qū)提供反饋。 ? ?

05?相關(guān)工作

　　使用可編程交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)計(jì)算。之前的幾篇論文通過利用網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的某種形式的可編程性提出了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)計(jì)算。這些方法分為兩類：（1）使用基于PISAb的架構(gòu)進(jìn)行線速計(jì)算［18， 48， 63］；（2）使用片上FPGA進(jìn)行亞線速計(jì)算［21］。我們的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)ML聚合用例與Sharp［18］、SwitchML［63］、ATP［48］、PANAMA［36］和Flare［29］密切相關(guān)。Sharp［18］是Mellanox針對(duì)專用ML訓(xùn)練集群的專有設(shè)計(jì)；它假定網(wǎng)絡(luò)帶寬可以被完全保留。相比之下，我們考慮的是多個(gè)用戶和應(yīng)用共享鏈接的網(wǎng)絡(luò)。SwitchML［63］和ATP［48］使用市面上的Tofino交換機(jī)來執(zhí)行梯度聚合。盡管Tofino交換機(jī)可以進(jìn)行線速數(shù)據(jù)包處理，但其流水線結(jié)構(gòu)的可編程性較為有限，這使得網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的散兵游勇緩解極具挑戰(zhàn)性。我們使用SwitchML作為Trio-ML的基線比較。對(duì)于我們的用例來說，SwitchML是一個(gè)蘋果對(duì)蘋果的比較，使其成為比ATP更合適的基線。更具體地說，ATP的性能改進(jìn)受到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)聚合和額外的參數(shù)服務(wù)器的影響，而SwitchML和Trio-ML更相似，因?yàn)檫@兩種方法只使用交換機(jī)/路由器進(jìn)行聚合。PANAMA的［36］網(wǎng)內(nèi)聚合硬件可以支持靈活的數(shù)據(jù)包處理，但它是基于FPGA充當(dāng)線內(nèi)顛簸，使得它在大規(guī)模部署中不切實(shí)際。然而，本文旨在利用Trio的可編程架構(gòu)，從頭開始設(shè)計(jì)新的有狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)應(yīng)用。Trio的幾個(gè)關(guān)鍵特征使這些新的應(yīng)用成為可能。首先，Trio的大內(nèi)存和對(duì)數(shù)據(jù)包尾部數(shù)據(jù)的快速訪問使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的高效計(jì)算成為可能。其次，Trio的共享內(nèi)存系統(tǒng)提供了幾GB的存儲(chǔ)空間；即使在有散兵游勇的情況下，或者在多個(gè)應(yīng)用程序同時(shí)運(yùn)行的情況下，這也足夠用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。最后，Trio對(duì)單個(gè)數(shù)據(jù)包的指令數(shù)量沒有限制，使Microcode程序能夠啟動(dòng)大型數(shù)據(jù)包所需的計(jì)算指令。

　　緩解散工問題。在理解和緩解分布式系統(tǒng)中散工問題的影響方面，之前有大量的工作［13 15， 25， 26， 30， 31， 33， 34， 38， 46， 51， 56， 57， 59， 61， 72， 75， 78， 79］ 。特別是，Harlap等人提出了FlexRR，以減輕散工問題對(duì)分布式學(xué)習(xí)工作的影響［38］。FlexRR要求工人之間進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，以檢測速度慢的工人并進(jìn)行工作重新分配。相比之下，我們考慮在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部減輕散兵游勇的影響，不需要工人之間的任何消息傳遞，也不需要參數(shù)服務(wù)器。Tandon等人［72］和Raviv等人［61］提出了編碼理論框架，通過在工人之間重復(fù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)來緩解分布式學(xué)習(xí)中的散兵游勇；然而，Trio-ML不需要數(shù)據(jù)重復(fù)。

　　替代傳統(tǒng)交換機(jī)架構(gòu)。研究界一直在研究替代的交換機(jī)架構(gòu)，以解決基于PISA的架構(gòu)的一些限制，如缺乏共享內(nèi)存和淺層流水線深度。最有競爭力的例子是dRMT（Disaggregated Programmable Switching）［24］。dRMT開關(guān)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)集中的、共享的內(nèi)存池，所有的匹配動(dòng)作階段都可以訪問。dRMT不是在一個(gè)流水線上執(zhí)行匹配動(dòng)作階段，而是將這些階段聚集在一個(gè)集群中，并以輪流的順序執(zhí)行。

　　一個(gè)控制邏輯單元對(duì)這些階段進(jìn)行調(diào)度，以便在尊重程序依賴性的前提下最大限度地提高集群的吞吐量。然而，集中式內(nèi)存池由一個(gè)連接各階段和內(nèi)存的多路復(fù)用器控制，在一個(gè)給定的時(shí)鐘周期內(nèi)，只有一個(gè)階段可以訪問內(nèi)存。當(dāng)一個(gè)應(yīng)用程序需要在多個(gè)階段訪問內(nèi)存時(shí)，這可能導(dǎo)致程序執(zhí)行速度減慢。

　　在Trio中，多個(gè)線程可以在同一時(shí)間向同一內(nèi)存位置發(fā)送內(nèi)存訪問請求，Trio的讀-改-寫引擎依次處理這些請求，保證了更新的一致性。此外，dRMT通過crossbar的內(nèi)存訪問是在編譯時(shí)調(diào)度的，這降低了增量更新和重新編譯應(yīng)用程序代碼的靈活性。

　　橫杠調(diào)度算法的復(fù)雜性會(huì)限制該架構(gòu)擴(kuò)展到更多數(shù)量的匹配行動(dòng)處理器的能力。相比之下，Trio的crossbar是實(shí)時(shí)調(diào)度的，從而提供對(duì)內(nèi)存的有效訪問。這種動(dòng)態(tài)調(diào)度機(jī)制使Trio能夠從第一代的16個(gè)PPE擴(kuò)展到第六代的160個(gè)PPE，而且將來還會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大規(guī)模。

　　此外，在dRMT中，數(shù)據(jù)包解析器和分離器位于匹配動(dòng)作處理器之外。對(duì)依賴查找結(jié)果的數(shù)據(jù)包的內(nèi)部頭的任何解析（例如MPLS封裝的數(shù)據(jù)包）都必須重新循環(huán)到解析器中進(jìn)行處理。相比之下，Trio的PPE是完全可編程的處理器，能夠以運(yùn)行完成的方式處理數(shù)據(jù)包解析/分離，以及其余的數(shù)據(jù)包查找和處理。Trio的多線程PPE還允許數(shù)據(jù)包由不同的Microcode程序根據(jù)其處理要求進(jìn)行處理。

06?結(jié)論

本文介紹了瞻博網(wǎng)絡(luò)的可編程芯片組Trio，以及它在新興數(shù)據(jù)密集型網(wǎng)絡(luò)內(nèi)應(yīng)用中的應(yīng)用。Trio已經(jīng)生產(chǎn)了十多年，建立了一個(gè)龐大的客戶群，擁有數(shù)十億美元的市場份額。我們描述了Trio的多線程和可編程的包轉(zhuǎn)發(fā)和包處理引擎。然后，我們使用分布式機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)聚合和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)散工問題緩解作為兩個(gè)用例來說明Trio的微代碼和編程環(huán)境。我們的評(píng)估表明，Trio的性能比今天基于流水線的解決方案高出1.8倍。

編輯：黃飛

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