以網(wǎng)絡(luò)為中心的性能：關(guān)鍵任務(wù)有效性的關(guān)鍵

當(dāng)今的高需求數(shù)據(jù)環(huán)境依賴于有效的以網(wǎng)絡(luò)為中心的通信，這可以決定任務(wù)的成功并決定作戰(zhàn)人員的生存能力。傳統(tǒng)方法導(dǎo)致效率低下的系統(tǒng)遇到瓶頸和網(wǎng)絡(luò)流量停滯。需要新一代的網(wǎng)絡(luò)加速系統(tǒng)來緩解痛苦。

TCP和UDP［傳輸控制協(xié)議和用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議］等傳統(tǒng)架構(gòu)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中普遍存在。從歷史上看，這些協(xié)議要求主機(jī) CPU 承擔(dān)繁重的處理負(fù)擔(dān)，并且是網(wǎng)絡(luò)流量瓶頸的主要原因。隨著網(wǎng)絡(luò)速度從 1G 到 10G 再到 40G/100G bps 甚至更高，主機(jī)處理器繼續(xù)受到瓶頸的困擾，這些瓶頸限制了關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)流量，導(dǎo)致系統(tǒng)停滯和效率低下。這些瓶頸可能對(duì)高需求、競爭環(huán)境、任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用程序有害。在突發(fā)網(wǎng)絡(luò)流量環(huán)境中，服務(wù)器和客戶端由交換機(jī)和路由器層隔開，導(dǎo)致明顯的延遲、抖動(dòng)和不穩(wěn)定的行為，問題會(huì)變得更糟。

行業(yè)嘗試的重點(diǎn)是通過在通信控制器芯片（如媒體訪問控制器 （MAC））中實(shí)現(xiàn) TCP/IP 協(xié)議套件的某些功能、集成 CPU 或在適配器卡 （NIC） 上引入 ASIC ［特定于應(yīng)用的集成電路］ 來運(yùn)行堆棧，從而緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞并提高吞吐量。其中大多數(shù)是以部分卸載的形式出現(xiàn)的，并導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)利用率從10%逐步提高到30%，這仍然有60%到70%的未使用容量和效率。

當(dāng)前格局中的技術(shù)優(yōu)勢

技術(shù)已經(jīng)發(fā)展，支持解決基于網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)的不同方法，包括部分卸載功能，這主要在TCP連接保持打開相當(dāng)長一段時(shí)間的情況下提高性能。CPU 軟件仍會(huì)處理連接設(shè)置、重試和異常，從而導(dǎo)致其他應(yīng)用程序任務(wù)的執(zhí)行停止。它還使操作系統(tǒng)能夠?qū)⑼ㄐ诺乃?TCP/IP 數(shù)據(jù)段移動(dòng)到網(wǎng)絡(luò)適配器上的專用硬件，同時(shí)將 TCP/IP 控制決策留給主機(jī)服務(wù)器。

減少 CPU 開銷的兩種常用方法包括 TCP/IP 校驗(yàn)和卸載，這是一種將 TCP 和 IP 校驗(yàn)和數(shù)據(jù)包的計(jì)算從主機(jī) CPU 移動(dòng)到網(wǎng)絡(luò)適配器的技術(shù)，從而降低 CPU 利用率;或大型發(fā)送卸載 （LSO），它使操作系統(tǒng)無需將應(yīng)用程序的傳輸數(shù)據(jù)分段為 MTU ［最大傳輸單元］ 大小的塊。

這些技術(shù)為發(fā)送的流量提供了性能優(yōu)勢，盡管對(duì)接收的流量幾乎沒有改進(jìn)。

完全卸載能力

相反，考慮完全卸載功能，這是一種卸載 TCP 通信堆棧的所有組件的方法：

通過處理所有與協(xié)議和數(shù)據(jù)處理相關(guān)的任務(wù)，提高效率和數(shù)據(jù)完整性

支持多個(gè)并發(fā)會(huì)話（從 4 個(gè)到 1，000 個(gè)或更多），擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)帶寬和可維護(hù)性

最大限度地減少網(wǎng)絡(luò)爭用和中斷，從而專注于改進(jìn)應(yīng)用程序 I/O 事務(wù)性能

通過主機(jī)處理器在通過內(nèi)存進(jìn)行的每次 I/O 傳輸中僅涉及一次，從而大幅減少請(qǐng)求數(shù)量，而不會(huì)中斷 CPU

通過將數(shù)據(jù)直接從分配的緩沖區(qū)復(fù)制到應(yīng)用程序內(nèi)存緩沖區(qū)來提高系統(tǒng)性能，從而消除 TCP/IP 開銷的三個(gè)主要原因：中斷處理、內(nèi)存復(fù)制和協(xié)議處理

這種完全卸載架構(gòu)在不同的技術(shù)層中實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新方法，提供了超快的硬件搜索引擎功能，專為動(dòng)態(tài)陣列中的TCP狀態(tài)高效搜索而設(shè)計(jì);搜索引擎的可擴(kuò)展深度/寬度，通過現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的超寬處理路徑，可以同時(shí)搜索更多的“狀態(tài)字段”;以及高度并行的流水線構(gòu)建塊，根據(jù)活動(dòng) TCP 會(huì)話的數(shù)量自動(dòng)擴(kuò)展或縮減。這些方法可實(shí)現(xiàn)無抖動(dòng)處理和數(shù)據(jù)傳輸。

將技術(shù)付諸實(shí)踐

正如行業(yè)經(jīng)驗(yàn)所證明的那樣，以CPU為中心的硅技術(shù)無法提供足夠的CPU功率來滿足最苛刻的網(wǎng)絡(luò)要求，盡管這種在高性能FPGA中實(shí)現(xiàn)的TCP/UDP加速技術(shù)在過去13年多的商業(yè)、工業(yè)和軍事應(yīng)用中一直在解決這個(gè)問題。

以下是幾個(gè)國防和軍事應(yīng)用領(lǐng)域以及用例示例。目標(biāo)領(lǐng)域包括數(shù)字戰(zhàn)場、網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)、軍事指揮中心間超快關(guān)鍵任務(wù)精確通信、戰(zhàn)區(qū)管理、衛(wèi)星基站到基站通信、城市戰(zhàn)和星地通信。

實(shí)際客戶項(xiàng)目：

多個(gè)通道接收來自需要發(fā)送/接收實(shí)時(shí)任務(wù)數(shù)據(jù)圖像的許多來源的大型復(fù)雜數(shù)據(jù)集

通過多個(gè)同時(shí)通道在地面站之間傳輸TCP/UDP通信數(shù)據(jù)，具有低納秒級(jí)延遲和零抖動(dòng)

在需要網(wǎng)絡(luò)安全和高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡孛嬲局g傳輸TCP/UDP加密數(shù)據(jù)

需要以接近 10G 或 40G 線速實(shí)時(shí)傳輸大圖像（每張圖像 》 GB 字節(jié)）的圖像傳輸應(yīng)用

支持衛(wèi)星系統(tǒng)的地面站將數(shù)據(jù)和圖像實(shí)時(shí)分發(fā)到活躍的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)

在當(dāng)今的遠(yuǎn)程工作環(huán)境中，數(shù)百個(gè)客戶使用 Zoom（或其他遠(yuǎn)程通信平臺(tái)）來共享實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)文件，傳統(tǒng)的 TCP 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)會(huì)導(dǎo)致演示抖動(dòng)和峰值。在服務(wù)器級(jí)別使用 TCP 卸載解決方案來處理多個(gè)范圍的客戶端交互可以完全消除抖動(dòng)和峰值，從而消除數(shù)據(jù)丟失和誤解的事件?，F(xiàn)在考慮一下這種網(wǎng)絡(luò)保真度對(duì)軍事行動(dòng)的重要性。

與傳統(tǒng)方法相比，這些客戶項(xiàng)目的網(wǎng)絡(luò)加速性能提升了 5 到 60 倍，具體取決于目標(biāo)服務(wù)器/客戶端網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性。

審核編輯：郭婷