CPU與FPGA的優(yōu)勢如何在大數(shù)據(jù)時代脫穎而出

或許，你會認(rèn)為DPDK（Data Plan Development Kit）是一個應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層上的高速數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)；或許，你認(rèn)為DPDK是Intel制定的一套規(guī)格；或許，你認(rèn)為DPDK在CPU和ASIC界是受限的保密的；亦或許，你都沒有聽說過DPDK，考慮到它的發(fā)展歷史，確實很有可能。所以，如果以上的這些假設(shè)中有一項是正確的，那么你應(yīng)該讀讀下面的內(nèi)容。

最初，DPDK是一個數(shù)據(jù)層的庫集，后來Intel開發(fā)了專門針對Intel X86微處理器的可以快速分組處理NIC（網(wǎng)絡(luò)接口控制）的驅(qū)動，這就是DPDK的前世。而今生的DPDK，在去年四月份，已經(jīng)成為一個Linux基金項目，并且可以在DPDK.org上看到。

DPDK主要包括以下幾個大家常用的主要庫：

當(dāng)需要最小化CPU周期數(shù)時（一般小于80）發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包；

開發(fā)快速分組算法；

運行第三方快捷路徑堆棧。

迄今為止，DPDK聽起來確實像是一個特殊的網(wǎng)絡(luò)開發(fā)工具，但是，也正如Atomic Rules的CTO Shep Siegel所說：“如果你可以使你的數(shù)據(jù)傳輸問題看起來僅僅是一個數(shù)據(jù)包傳輸問題的話，那么，在你的開發(fā)流程中，DPDK可能就是一條比較有幫助捷徑”。

Arkville：

并且，關(guān)于近期更多DPDK的細節(jié)，Siegel的團隊可能更為了解，主要是因為他的團隊剛發(fā)布了Arkville，這是一個支持DPDK的FPGA/GPP的數(shù)據(jù)傳輸IP塊和DPDK PMD（Poll Mode Driver，與Linux基金開源DPDK庫17.05發(fā)行版協(xié)作，允許Linux DPDK應(yīng)用分流服務(wù)器循環(huán)到FPGA門）。同時，Atomic Rules的Arkville發(fā)行版還兼容Xilinx Vivado2017.1（這是今年四月份剛剛發(fā)布Vivado設(shè)計工具的最新版本）。此外，Atomic Rules提供了兩個簡單的demo設(shè)計（均可通過Vivado 2017.1進行編譯）：

4端口，4隊列10GbE demo（Arkville + 4 x 10 GbE MAC）

單端口單隊列 100GbE demo（Arkville + 1 x 100 GbE MAC）

以上這兩個例子都是數(shù)據(jù)移動器。準(zhǔn)確來說，Arkville是一個數(shù)據(jù)包導(dǎo)管道，這個管道有一個CPU端的DPDK接口，一個FPGA端的AXI接口，同時，在Arkville管道上還有一個可以很方便地增加用戶用于處理這些數(shù)據(jù)包的硬件設(shè)計點，同時這也是CPU分流邏輯的所在。

Atomic Rules開發(fā)的Arkville IP和所有的Xilinx UltraScale器件都協(xié)作良好，但是，與Xilinx UltraScale+ 的全可編程器件協(xié)作的更好，這主要歸功于全可編程器件內(nèi)部集成兩個PCIe Gen3 x 16控制器（包括Kintex UltraScale+和Virtex UltraScale+ FPGA系列器件和Zynq UltraScale+ MPSoC系列器件）。

為什么呢？

正如BittWare企業(yè)的VPCraig Lund主管所說 “100G的以太網(wǎng)是不太可能的，但是你是否可以在服務(wù)器端通過使用PCIe來達到這個速率 ［使用一個PCIe Gen3 x 16接口］是不明確的。從PCIe的參數(shù)來看，這看起來似乎簡單，但事實并非如此” 。Lund還說到，如果你正在處理一個最小尺寸的數(shù)據(jù)包，那么可以采用大量超過14百萬每秒來實現(xiàn)。但是如果你正在處理一個大的數(shù)據(jù)包，那將需要更多的帶寬，這或許正是一個對單PCIe Root 復(fù)合體生產(chǎn)力的挑戰(zhàn)，不過從實際出發(fā)，確實一個不夠。

應(yīng)用Atomic Rules的ArkvilleIP，BittWare開發(fā)出了自己的產(chǎn)品——XUPP3R PCIe卡，同時它還組合了一個Xilinx的Virtex UltraScale+ VU13P FPGA芯片。BittWare的XUPP3R PCIe板卡的眾多獨特特征之一就是它有兩個PCIe Gen3 x 16 端口：一個在邊緣連接器時有效，另一個是一個可選的連續(xù)擴展口。其中第二個PCIe Gen3x16口可以用作增加帶寬的第二PCIe槽。

然而，盡管Lund沒有多說，這里卻不僅僅需要兩個PCIe Gen3 x 16插槽，而是需要兩個PCIe Gen2 Root復(fù)合體，也就意味著需要一個兩組插槽的母板，然后兩個CPU工作處理數(shù)據(jù)通路。以下簡化的方框圖可以說明Lund的觀點：

BittWare不僅開發(fā)了具有兩個PCIe Gen3 x 16端口的XUPP3R PCIe卡，此外，BittWare還使用它的XUPP3R PCIe卡和Arkville IP共同開發(fā)了兩個產(chǎn)品：

StreamSleuth，一個100GbE的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包處理器具。

StreamSurge，一個1U盒子，內(nèi)有Intel E5 v4 單插座服務(wù)器和由XUPP3R PCIe 卡設(shè)計的NIC以及BittWare的StreamSurge IP。

不過，需要對號的是：Arkville是Atomic Rules提供的一個IP，XUPP3R PCIe卡是BittWare提供的產(chǎn)品，兩者不可混淆。

總結(jié)：

目前，大量數(shù)據(jù)爆發(fā)，除了固件運輸之外，最方便的總線（PCIe/ETH）線路傳輸，不僅速率高同時安全性高，但是隨著形勢的發(fā)展，對其速率的要求越來越高，期望Xilinx FPGA可以為提高數(shù)據(jù)傳輸速率方面做出更多貢獻。