數據中心網絡設備擴容的三種實現方案

數據中心建設速度越來越快，規模越來越大，數據中心對網絡的需求也越來越高，對單鏈路傳輸的速度和容量都有更高要求，我們會看到這幾年從10G到100G普及的速度比從1G到10G要快得多。不僅是帶寬，對網絡設備的容量也是要求越來越大。比如：路由、ACL、MAC這些規格表項的需求很大，網絡芯片容量已經無法滿足了，所以很多人通過外擴的方式來變相實現滿足。因此，我們會在市場上看到一些容量超大的設備，容量明顯超過了現有專用網絡芯片所能支持的，其實是采用外擴表項的方式來實現，網絡設備擴容主要用三種外掛器件實現。

CAM

CAM(Content Addressable Memory，內容尋址存儲器)是一個并行比較處理器，也被稱作NSE(Network Search Engine網絡搜索引擎)。CAM可以像RAM一樣進行讀寫操作，最大優勢就是輸入數據，返回該數據被存儲的地址。它能夠從巨大的數據庫中進行快速查找，并返回最佳匹配的地址，CAM可以在一個硬件時鐘周期內完成關鍵字的精確匹配查找。更為重要的是，CAM可以提供較大的表項存儲空間，當網絡芯片的規則不夠大時，可以用CAM來補足，從而滿足市場競爭需要。

當然，CAM容量并不能隨心所欲地去擴，一方面受CAM能力的限制，另一方面CAM容量越大，價格呈指數級別增加，對適配的CPU也有要求，高容量的CAM需要性能較強的CPU才能帶動，這樣才能避免出現大馬拉小車的情況，或者小馬拉大車的局面，這都會使得整個設備的性能無法提升。

TCAM

TCAM(Ternary Content Addressable Memory，三態內容尋址存儲器)是CAM表的一種擴展。在CAM表中使用索引查找結果值，TCAM同樣使用表查找操作，但被改進并可以完成更復雜的操作。CAM在存儲表項時，長度固定不夠靈活。比如對于下發路由，地址前綴長度具體分布沒有準確的了解之前，為了能夠保證存儲多個前綴表項，每個CAM都需要有多個表項的空間，因此CAM存儲空間利用率大大降低了。TCAM則在長度要求上非常靈活，可以在同一個TCAM芯片中保存任意長度的關鍵字表項。一般CAM存儲器中每個BIT的狀態只有兩個0和1，TCAM則每個BIT數據除了表示0和1，還有第三種狀態“don’t care”，這也是TCAM被稱為三態內容尋址寄存器的原因。

TCAM的最大優勢就是速度，單周期查找平均速度是SRAM的六倍，最壞情況下，查找速度提高128倍。不過，TCAM也有明顯的缺陷。首先是與一般RAM相比，單位比特的TCAM價格更昂貴，而且存儲容量相對還要小一些，TCAM的器件引入大大增加了整個網絡設備的設計成本;其次是TCAM采用并行的匹配比較方式，功耗較大，當引入的TCAM片數較多時，設備的散熱問題凸顯，要引入TCAM必須要解決掉散熱的問題。查找過程所有關鍵字表項都進行了比較，但實際能夠匹配上的關鍵字只有幾項，大部分比較操作都被浪費了，運行效率并不高;第三是TCAM需要對表項進行排隊，以便實現最長掩碼匹配，這使得表項的更新過程實現較為復雜，尤其當有路由頻繁變化時，容易出錯。

FPGA

FPGA(Field-Programmable Gate Array，現場可編程門陣列)是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物。FPGA作為專用集成電路領域中的一種半訂制電路而出現的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點。

采用TCAM方式，會增加片間延時，同時減少設備上可用空間，從而降低電路板的系統性能，采用FPGA方式則要好得多。還有FPGA要比CAM和TCAM靈活很多，FPGA可以完成比匹配更復雜的功能，所以FPGA不僅可以用來存儲表項，還可以實現一些CAM和TCAM無法實現的功能，比如Netstream，通過FPGA完全可以實現對整個設備流量的Netstream過濾和統計分析，使整個設備變得更加智能。FPGA可以實現報文分類、過濾、提取關鍵字、進行高速查找等工作，還能夠制定專門的通信模塊負責與主控單元進行通信。

FPGA擁有強大的性能、低時延、深度邏輯可實現、并行性，低功耗等特點，只不過因為價格昂貴，一直未被用于網絡設備中。如今，隨著FPGA技術的成熟，FPGA價格因素并不突出，這使得很多網絡廠商開始引入FPGA，采用FPGA替代現有主流的TCAM方案，這一下子將網絡設備的容量提升了好幾倍(原來TCAM若存儲路由表項，能達到512K已經很大了，現在采用FPGA輕松達到幾M容量，而且還實現更加靈活，表項下發和匹配只是它的一項絕活而已)。FPGA補足了現有網絡芯片無法達到的容量規則，從而滿足一些特定數據中心用戶的需求。當然，FPGA不能包治百病，FPGA可以做并行運算，但靈活性很差，所以FPGA最適合用做高速但重復性強的工作，這點正是網絡設備所需要的，兩者的結合互補了優缺點。

短時期內，網絡芯片表項的容量仍無法滿足現有市場需求，網絡設備需求表項擴容的訴求不會改變。從CAM到TCAM，再到FPGA，就是網絡設備需求擴容的發展史，現在采用FPGA的實現方式逐漸成為主流，FPGA將在相當長的一段時間里長期存在。

未來，數據中心網絡設備容量肯定會越來越大，這是市場的需求，也是競爭的需要。有不少人擔心網絡設備會和PC、服務器一樣，最后比拼的就是性能和價格。這種擔心是對的，現在網絡設備已經開始了比拼性能和價格，你能提供1M的路由表設備，我就能提供10M的路由表設備，很多時候就看誰的容量大。相同的價格客戶能買到更大容量的設備，總覺得是占到了便宜，所以不僅是一味地提供大容量的設備，關鍵還是性價比，要實現單位面積上的容量越大，才越有競爭力。