NFV遇到FPGA 會擦出怎樣的火花

隨著市場對網絡服務需求的持續增長，運營商所面臨的挑戰也不斷加劇。比如滿足客戶對于更多設備、更多視頻以及下一代應用的需求，然而這些都無一例外地對延遲和帶寬有著極為苛刻的要求。需求不斷增長，網絡資源消耗殆盡，運營商陷入進退兩難的困境。

運營商需要在擴展系統容量和功能的同時還必須控制資本支出和運營支出。此外，他們還必須加強對網絡功能的完善，以便在降低提供傳統網絡服務成本的同時加快創收服務的進度。

英特爾網絡功能虛擬化 （NFV） 基于商用現貨 （COTS） 基礎設施構建，因此在部署時有助于節約成本。此外，它能夠為用戶提供所需要的資源靈活性，不僅有助于確保較高的利用率，還能夠針對各種不同的工作負載提供較高級別的可編程性。FPGA可用作額外的可編程 COTS 組件，以便更快地實現能源和成本節約，從而進一步提高虛擬化系統的性能和成本效益。

英特爾？ FPGA 可通過編程提供廣泛的高帶寬和低延遲功能，從而能夠顯著增強運營商云平臺上運行的虛擬網絡功能 （VNF） 的能力。

虛擬網絡世界締造之始——“NFV+5G”目前，最快進行遷移以實施 NFV 的應用是 5G 電信。移動設備數據速率可能達到 10 Gbps、客戶端和服務的地理分布快速變化、本地熱點密集分布、供應整個城區網絡以應對峰值本地工作負載不具備可行性，以及希望 5G 部署早期的資本投資與創收相匹配，這些因素相互作用，有利于基于 NFV，而非固定功能硬件設備，構建軟件定義網絡。

但哪些功能將實現虛擬化？NFV 開發人員沒有對假想的 5G 網絡進行自上而下的系統分析以衍生出一組核心功能 — 定義數學或應用庫的方法，而是采用了一種更加實用的方法。他們進行虛擬化的功能與 NFV 之前網絡世界中已經存在的設備和產品一一對應。這樣虛擬化網絡功能 （VNF） 開發人員可以將他們的產品稱作現有網絡軟硬件的臨時替代品，無需向系統管理員提出新的概念，至少在探討早期是這樣。

因此，5G 服務提供商主要提供對 4G LTE 網絡至關重要的功能，包括寬帶網絡網關、路由器、IPsec 功能、演進分組核心 （EPC）、以及支持連接和資源管理的控制平面處理。

其中部分功能 — 尤其是控制平面任務 — 已經在軟件中執行了很長時間，因此虛擬化只是將代碼從一種執行環境移到另一種執行環境的問題。但其他功能一直以來都是通過 ASIC 或 FPGA 在專用硬件中實施，而且必須完成更多的工作才能轉化為 VNF。

大多數 5G NFV 討論中最突出的一個示例就是寬帶網絡網關 （BNG）。這種設備位于網絡客戶端和外部互聯網協議網絡之間，實際上就是蜂窩服務提供商的基帶設備和公共互聯網之間的網關。經過仔細研究，BNG 不是單一功能，而是提供控制網關所必需的一組功能。最簡單地說，BNG 提供本地地址和互聯網地址之間的地址映射功能、雙向數據包路由功能，以及控制平面接口功能，支持管理和編排 （MANO） 模塊設置地址映射和路由表。

在全面實施過程中，BNG 還包含會話層驗證 — 一種加密任務 — 與核算、某種級別的安全功能，以及數據包級別的策略執行和服務質量管理等功能（圖 2）。路由通常只涉及從數據包提取地址字段、執行表查詢，以及將數據包轉發至相應的緩沖區，而核算、安全、策略和服務質量需要檢查數據包的有效負載、使用正則表達式處理器，以及快速、深度的緩沖，以便將優先級授予特權數據包。

?概念化 BNG 包含多項重要的內部功能

原則上，在數據中心的軟件中實施這些任務沒有任何問題。在適當的數據包速率下，地址映射、檢查、策略應用、路由等數據平面任務可分配至多個服務器 CPU 內核實現并行處理。在為了安全起見獲取更高級的內容檢查方法之前，數據包之間不存在任何阻止并行處理的鏈接。但隨著數據包速率逐步提高，達到大型 5G 網絡的期待范圍 — 更不用說數據中心網絡的速度 — 擴展就成了一個問題。

相比在專用硬件中執行一項功能，在軟件中執行的速度肯定要慢，功耗也更大：通常會慢很多。而且，當系統集成商在軟件功能之外組建一個虛擬 BNG （如果愿意可以稱作 VBNG），會遇到另一個問題。在硬件 BNG 數據平面中，功能模塊是流水線式的，階段之間只有淺緩沖。但在虛擬化系統中，在任務之間移動數據包通常意味著將數據包從一個內核的高速緩存寫入共享二級高速緩存或三級高速緩存，或者更糟糕的是寫入 DRAM。

而最糟糕的是通過背板網絡寫入另一個服務器卡的 DRAM，然后進入另一個內核的一級高速緩存。硬件中的本地 FIFO 讀寫變成了高速緩存、DRAM 和網絡活動的級聯爆發，隨之而來的風險是專用 DRAM 通道達到飽和，或出現緩存抖動。而且這些問題與流量有著密切的關系，設計時不容易預測。因此，這就導致許多設計人員將硬件加速器視作純軟件實施數據平臺功能的替代方案。