通信網(wǎng)絡(luò)虛擬化面臨的重大問題及解決：軟硬件聯(lián)合設(shè)計技術(shù)

由于可將網(wǎng)絡(luò)功能/特征仿真到軟件并部署于通用服務(wù)器來實現(xiàn)，以NFV（網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）與SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）為代表的“網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)”成為最近一個非常熱門的行業(yè)話題。但是，半導(dǎo)體性能的未來速率演進將會落后于網(wǎng)絡(luò)容量的增長，隨著網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)容量正在進入太比特時代，預(yù)計將難以通過NFV技術(shù)的靈活性來獲得所需的數(shù)據(jù)速率與功率效率。為解決此問題，業(yè)界有機構(gòu)正在研究可用于網(wǎng)絡(luò)虛擬化的硬件/軟件聯(lián)合設(shè)計技術(shù)[1]，在技術(shù)理念與具體技術(shù)上都有較大的參考價值，下文對其進行詳細介紹。

1、引言

隨著商用型服務(wù)器的性能得到逐步提升，全球通信業(yè)界開始大力探索通過部署網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)來大幅降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本與運維成本。

SDN（Software-Defined Networking，軟件定義網(wǎng)絡(luò)）即是網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)的代表，其可將電信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制功能與數(shù)據(jù)傳送功能分離解耦，從而可以集中處理網(wǎng)絡(luò)配置與設(shè)置（可通過相關(guān)軟件進行自動化的流程控制）。

為了能把SDN技術(shù)應(yīng)用到電信運營商的廣域網(wǎng)絡(luò)，業(yè)界已經(jīng)發(fā)布了開源的SDN應(yīng)用。該應(yīng)用包括兩大部分：（1）Ryu SDN框架——其為一種SDN控制器，為SDN網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置提供便捷的工具與能力庫；（2）Lagopus——其為一種高性能的SDN軟件交換機，具備可廣泛應(yīng)用部署于數(shù)據(jù)中心及廣域網(wǎng)絡(luò)的能力與特性。

2、對硬件加速器（用于網(wǎng)絡(luò)虛擬化）的研發(fā)

隨著網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)的進步，傳統(tǒng)上由專用硬件設(shè)備所提供的網(wǎng)絡(luò)功能，也將有望通過在標(biāo)準化的通用服務(wù)器中部署虛擬化成軟件的網(wǎng)絡(luò)功能來實現(xiàn)。

可以預(yù)見的是，隨著網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)的實際應(yīng)用越來越普遍，部署有很多網(wǎng)絡(luò)功能的通用服務(wù)器的CPU（中央處理單元，用于進行與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的處理）將會承受很大的負載。

從而，為了使網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)能滿足更高級網(wǎng)絡(luò)服務(wù)與系統(tǒng)的需求，就需要研發(fā)能減輕通用服務(wù)器CPU負載的技術(shù)，以期提高通用型服務(wù)器處理能力的功率與性能的比值，為更多網(wǎng)絡(luò)功能的正常運行提供穩(wěn)定的環(huán)境。

為了使網(wǎng)絡(luò)虛擬化系統(tǒng)中的軟硬件能協(xié)同工作，NTT設(shè)備創(chuàng)新中心正在研發(fā)硬件/軟件聯(lián)合設(shè)計技術(shù)，已設(shè)計出具有如圖1所示理念的HWA（HardWare Accelerator，硬件加速器）——其具有性能、靈活性及可用性三個維度，并涉及SDN軟件交換機、SDN硬件交換機、硬件加速器。總體而言，硬件加速器可在提升性能、提高可靠性的同時，保證高性能SDN軟件交換機（Lagopus）的靈活性。

圖1 硬件加速器的設(shè)計理念

3、硬件加速器的技術(shù)原理與特性

1）技術(shù)原理

在用于網(wǎng)絡(luò)虛擬化的通用型服務(wù)器中，能與硬件加速器HWA協(xié)同工作的SDN軟件交換機的系統(tǒng)配置如圖2所示。其中：（1）虛線的上半部分為數(shù)據(jù)平面，以SDN軟件交換機為核心進行軟件（網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化應(yīng)用）處理（采取x86 CPU）；（2）虛線的下半部分執(zhí)行硬件處理功能，其主體為內(nèi)置于通用服務(wù)器NIC（網(wǎng)卡）之中的一個可重構(gòu)/重配置的FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）電路——硬件加速器HWA。通常地，硬件研發(fā)比軟件研發(fā)要花費多得多的時間。但是，由于此方案中采取了可對程序中的功能進行重寫的FPGA，就不僅可加速硬件研發(fā)，還具備在后續(xù)對網(wǎng)絡(luò)功能進行更新、迅速解決故障的能力。

圖2 SDN軟件交換機的系統(tǒng)配置

（注——API：應(yīng)用編程接口；DPDK：Intel的數(shù)據(jù)平面開發(fā)工具包；NFV：網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）

圖2中所示的SDN軟件交換機通過網(wǎng)卡中的FPGA硬件加速器HWA向相關(guān)的軟件轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)分組/數(shù)據(jù)包以待處理。除了網(wǎng)卡通常的數(shù)據(jù)包處理功能，硬件加速器也具備相關(guān)的預(yù)處理能力以減輕Lagopus（SDN軟件交換機）轉(zhuǎn)發(fā)組件（即數(shù)據(jù)平面）的負載壓力。但是，硬件加速器的預(yù)處理功能與SDN軟件交換機的數(shù)據(jù)包處理是相互獨立的，并不直接與之通信。這就使得SDN軟件交換機能保持其靈活性，同時減輕軟件處理負載，并可進一步地提高SDN軟件交換機的性能。

2）技術(shù)特性

（1）高速的流量調(diào)度