利用SoC芯片驅(qū)動軟網(wǎng)絡

移動互聯(lián)網(wǎng)和智能設備的發(fā)展，極大改變了人們使用網(wǎng)絡的方式。智能設備讓人們可以隨時隨地互相協(xié)作和交流。移動互聯(lián)網(wǎng)用戶行為的特點是渴望新內(nèi)容，特別是位置感知內(nèi)容、社交網(wǎng)絡互動、照片分享、發(fā)帖和流媒體視頻。與顯而易見的消費類帶寬爆炸式增長一起發(fā)展的是，“物聯(lián)網(wǎng)”的興起。在“物聯(lián)網(wǎng)”中，利用機器與機器（M2M）之間的通信來監(jiān)測控制并自動化一切，從工業(yè)控制到安全監(jiān)控。大多數(shù)這種M2M數(shù)據(jù)傳輸量都很?。ㄒ曨l傳輸除外），但是當網(wǎng)絡需要跟蹤大量設備時，網(wǎng)絡總?cè)萘繒苡绊憽＿@些發(fā)展趨勢正在共同重塑提供內(nèi)容和機器到機器交換功能的電信網(wǎng)絡基礎(chǔ)設施和應用服務器。

網(wǎng)絡需求的急增給今天的網(wǎng)絡基礎(chǔ)設施帶來沉重的負擔，要求大規(guī)模升級和增加建設投入，才能勉強維持當前的用戶體驗。為了解決這個問題，我們需要更加強大的網(wǎng)絡基礎(chǔ)設施，以實現(xiàn)更軟性、更動態(tài)的網(wǎng)絡。下面我們將研究一些基礎(chǔ)實現(xiàn)技術(shù)，這些技術(shù)能夠提供支持未來軟網(wǎng)絡基礎(chǔ)設施的計算能力、網(wǎng)絡接入、帶寬、性能以及經(jīng)濟性。

網(wǎng)絡發(fā)展趨勢

互聯(lián)網(wǎng)從根本上重塑了今天的網(wǎng)絡基礎(chǔ)設施。再也沒有單獨的語音和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）是所有交流的主要協(xié)議。電信核心網(wǎng)絡繼續(xù)與移動網(wǎng)絡和固定線路網(wǎng)融合。無線網(wǎng)絡正從宏主導結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向多機種網(wǎng)絡（HetNet），其由各種規(guī)模的蜂窩網(wǎng)絡組成，目的是提高其覆蓋范圍和容量?；谠频囊恍┘夹g(shù)正推動應用設計和數(shù)據(jù)中心建設的復興。云技術(shù)甚至被看作是基于磁場的無線電接入網(wǎng)絡（CRAN）的替代解決方案。網(wǎng)絡的固定線路部分正越來越多地改為光纖傳輸，而數(shù)據(jù)中心連接也被以太網(wǎng)所主導；轉(zhuǎn)向40/100Gbps，可提供目前和未來應用所需的容量。深入研究使用網(wǎng)絡的新方式，給一些領(lǐng)域帶來明顯的變化。

首先，視頻傳輸現(xiàn)在很普遍，且并不僅限于YouTube流媒體。視頻聊天和實況賽事在線轉(zhuǎn)播變得更為普遍。它帶來的影響是，上游的實時視頻容量大大高于以前。傳統(tǒng)的不對稱網(wǎng)絡的下行數(shù)據(jù)吞吐量大大高于上行數(shù)據(jù)吞吐量，這將阻礙上行數(shù)據(jù)傳輸，并降低實時視頻性能。用戶觀看視頻（或其他內(nèi)容）時使用的設備屏幕分辨率不同，處理能力各異。這就需要基于網(wǎng)絡或者數(shù)據(jù)中心對視頻內(nèi)容進行速率轉(zhuǎn)換和編碼轉(zhuǎn)換，以管理網(wǎng)絡帶寬，并實現(xiàn)流暢的用戶播放體驗。

其次，M2M連接與無線傳感器結(jié)合便搭建起“物聯(lián)網(wǎng)”，產(chǎn)生實時數(shù)據(jù)，并允許通過互聯(lián)網(wǎng)對各種設備的信息進行遠程控制和處理。與下行大型應用占主導不同的是，這些機器應用通常產(chǎn)生向上發(fā)送信息或者點對點信息，會給網(wǎng)絡帶來更大的壓力。過去，這些系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)采集（SCADA）網(wǎng)絡均為單獨、私有網(wǎng)絡，因此成本高昂。利用互聯(lián)網(wǎng)接入，可降低成本，并開放許多新的應用，實現(xiàn)實時感知、監(jiān)測和控制。

M2M應用擁有更多設備，需要處理更多事務。即使數(shù)據(jù)包負載非常小，累積效應也很大，并且在進行視頻監(jiān)控時，數(shù)據(jù)傳輸量會非常大。一種替代方案是，使用智能端點和傳感器，對它們采集的數(shù)據(jù)進行預處理，然后僅發(fā)送異常數(shù)據(jù)。在一些使用視頻分析的視頻運用系統(tǒng)中，這特別有效。近場通信（NFC）是另一個推動力，如果諸如自動售貨機、報亭等零售終端將NFC作為其首選支付系統(tǒng)，它會產(chǎn)生數(shù)百萬（也可能是數(shù)十億）M2M網(wǎng)絡附件。

第三個因素是基于云的應用和云計算的興起。云計算的挑戰(zhàn)主要是，在耗電量增長不會影響該商業(yè)模型的盈利的情況下，如何加大數(shù)據(jù)中心的規(guī)模。云數(shù)據(jù)中心需要大量的并聯(lián)高性能處理器，實現(xiàn)應用處理和大容量數(shù)據(jù)包處理。今天，這些數(shù)據(jù)中心的計算平臺均使用標準服務器，但隨著使用云服務的用戶越來越多，數(shù)據(jù)中心需要擴容。新的發(fā)展趨勢是，使用專用處理器來幫助擴大規(guī)模。相比通用性處理器，它提供處理性能的成本更低，功耗更低。通常采用專用處理器需對應用進行細分，這要求更多更優(yōu)的內(nèi)部服務器通信。鑒于這個原因，應在可能的情況下，把專用應用處理與數(shù)據(jù)包處理和大容量網(wǎng)絡切換集成在一起。

對網(wǎng)絡架構(gòu)產(chǎn)生的影響

以前，互聯(lián)網(wǎng)為網(wǎng)頁瀏覽模型而建，向上請求較少，而向下發(fā)送卻爆炸式增長。新的數(shù)據(jù)傳輸模式開始利用私有和公共云應用。數(shù)據(jù)中心被重新設計，用于處理全球的需求，并把分析學應用于“大數(shù)據(jù)”。如前所述，數(shù)百萬智能設備通過互聯(lián)網(wǎng)連接，組成許多M2M網(wǎng)絡，其通常與無線傳感器相結(jié)合。隨著這種網(wǎng)絡的發(fā)展，設備種類和數(shù)據(jù)負載隨之增加，傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)（建立在交換機和路由器基礎(chǔ)上，使用客戶端服務器組網(wǎng)模型）將受到挑戰(zhàn)。依賴于放置在各個不同地點的許多不同硬件交換機和專有路由器的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸變得很難管理。另外，它還會降低網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸速度，降低可靠性和安全性，并增加成本。因此，需要徹底修改帶寬不對稱的傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)客戶端服務器模型。IP會仍會是一種主要協(xié)議，但是主動軟件管理控制且與處理資源聯(lián)系更緊密的基于流的網(wǎng)絡，將會更有利于大容量“東-西”連接。這需要一種更加開放的網(wǎng)絡，即一種“更軟性”的網(wǎng)絡，其數(shù)據(jù)傳輸管理和路由均基于流，并且可通過軟件控制。

用于未來網(wǎng)絡的最佳SoC方法

今天，大多數(shù)傳統(tǒng)網(wǎng)絡設備和處理服務器均為單獨開發(fā)。過去2年，無線基站開始從這種樣式轉(zhuǎn)向基于片上系統(tǒng)（SoC）的模型。這個行業(yè)正迅速朝著一個方向發(fā)展：數(shù)據(jù)中心的專用處理元件與網(wǎng)絡處理和交換需更加緊密。這種發(fā)展趨勢表明，網(wǎng)絡設備和服務器將采用為基站所接受的SoC策略。

利用為不同應用而優(yōu)化的SoC方法，可為網(wǎng)絡創(chuàng)新提供強大的硬件基礎(chǔ)。最佳的SoC解決方案必須為特定的任務選擇正確的處理器，而非一種適用于所有應用的設計。例如，為了提高效率和降低功耗，一種有效的方法是：選擇低功耗ARM，實現(xiàn)通用控制處理，而非高功耗通用服務器處理器；使用低功耗數(shù)字信號處理器（DSP），用于高效視頻和圖形處理。同時集成了ARM RISC內(nèi)核和DSP內(nèi)核的SoC，是專用服務器應用（通用服務器的補充）的理想選擇。

把高速、大數(shù)據(jù)吞吐量、靈活和智能的網(wǎng)絡子系統(tǒng)集成到處理SoC中，讓可升級網(wǎng)絡解決方案提高了一個層次。另外，也可以把專用硬件加速器集成到SoC中，目的是提高數(shù)據(jù)包和網(wǎng)絡安全處理，以降低延遲性和軟件復雜度。當可調(diào)數(shù)據(jù)吞吐量范圍為1-100Gbps時，以太網(wǎng)可為數(shù)據(jù)中心的外部網(wǎng)絡和內(nèi)部服務器通信提供一種理想的互連解決方案。作為一種標準化且被廣泛采用的互連解決方案，以太網(wǎng)可與其它網(wǎng)絡設備進行無縫互操作。把以太網(wǎng)交換機集成到SoC中，可降低系統(tǒng)成本，縮小系統(tǒng)體積。利用新興的軟件定義網(wǎng)絡，可提高網(wǎng)絡性能和網(wǎng)絡可靠性，并增強安全性和可管理性。

作為一種重要的軟件定義網(wǎng)絡實現(xiàn)標準，OpenFlow標準正快速發(fā)展。OpenFlow基于數(shù)據(jù)和控制層分離的概念。過去十年內(nèi)，用于媒體網(wǎng)關(guān)（MGW）控制的電信軟交換機已成功使用了類似的分離方法。OpenFlow具有開放式以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸交換接口，并且可以集中進行數(shù)據(jù)交換管理，而非像今天的網(wǎng)絡一樣由單個路由器來決定交換管理。它讓網(wǎng)絡運營商可以優(yōu)化網(wǎng)絡投資，降低網(wǎng)絡硬件成本，并實現(xiàn)創(chuàng)新型新網(wǎng)絡應用和基于流的服務。

SoC嵌入式網(wǎng)絡將不斷發(fā)展，以利用外部軟件控制和控制協(xié)議支持OpenFlow，這個控制協(xié)議是通過運用引導網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)膭討B(tài)可配置流表來定義數(shù)據(jù)流的。一旦支持OpenFlow實現(xiàn)的SoC就位，使用軟件控制網(wǎng)絡傳輸路由的功能，將讓網(wǎng)絡管理者能夠部署新的協(xié)議，并增強網(wǎng)絡安全性和彈性。另外，網(wǎng)絡管理者將可以在不對硬件進行大改動的情況下，控制網(wǎng)絡拓撲來管理服務質(zhì)量（QoS）。

把以太網(wǎng)交換技術(shù)集成到SoC中，消除了對于外部交換機的需求，并降低了硬件成本和復雜程度，從而實現(xiàn)更高的系統(tǒng)擴展性。融合了處理和組網(wǎng)功能的SoC解決方案，最終將可提供最高的每瓦特性能和互連帶寬，并為應用處理和網(wǎng)絡容量擴展提供一種最佳方法。

下圖為可擴展SoC硬件架構(gòu)例子，其揭示了未來網(wǎng)絡的潛能。

一些新興的SoC解決方案將讓網(wǎng)絡能夠跟上現(xiàn)在人們對網(wǎng)絡容量需求的爆炸式增長。強大的SoC型硬件將實現(xiàn)網(wǎng)絡流，而非路由協(xié)議規(guī)則，以動態(tài)地控制連接，并確保訪問安全和優(yōu)先順序。數(shù)據(jù)傳輸規(guī)劃和管理將結(jié)合高性能數(shù)據(jù)包處理和交換硬件。這些網(wǎng)絡組件將與DSP和ARM RISC處理組件一起嵌入，這樣高性能應用處理瞬間便可完成。具有諷刺意味的是，恰恰是SoC硬件的發(fā)展推動軟網(wǎng)絡的革命。