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利用 FPGA 的靈活性和可編程性，Corsa Technology 在不到六個(gè)月的時(shí)間內設計并銷(xiāo)售了其首款軟件定義網(wǎng)絡(luò )交換機。 作者：Yatish Kumar 首席技術(shù)官 Corsa Technology yatish@corsa.com 一些人可能認為，就具體效果而言，軟件定義網(wǎng)絡(luò ) (SDN) 受到了人們過(guò)多的關(guān)注。在 SDN 的早期，部署的出現源自于領(lǐng)先研究機構與快速定制其現有非 SDN 固件的硬件公司的共同不懈努力。盡管這些工作驗證了 SDN 的理論，但概念證明階段的 SDN 與專(zhuān)門(mén)針對全球精心策劃架構的生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò )實(shí)施的 SDN 之間仍有很大差別。 在 Corsa Technology，我們與網(wǎng)絡(luò )架構師和運營(yíng)商一起制定了 SDN 的愿景。他們一遍又一遍地告訴我們，正確實(shí)施的 SDN 意味著(zhù)您的網(wǎng)絡(luò )架構將實(shí)時(shí)改變和適應流量模式和用戶(hù)需求。這一靈活性以傳統成本的一小部分實(shí)現了性能的大幅提升。 以這一理念作為指導原則，Corsa 將 SDN 定義為簡(jiǎn)單設計模式。很多其他公司也認同這一基本概念：將軟件與硬件分離，通過(guò)開(kāi)放接口進(jìn)行通信，給予軟件所有控制權（大腦）并讓硬件（體力）盡可能地高性能。但是在 Corsa，我們從性能硬件的角度進(jìn)一步認真研究了網(wǎng)絡(luò )新世界秩序需要（圖 1）。 我們提出的硬件定義與網(wǎng)絡(luò )架構師的SDN愿景不謀而合。我們將其稱(chēng)之為“精益硬件”：規模適合部署，具有超高性能，并且靈活性和可擴展性極高，即便是最大網(wǎng)絡(luò )流量，也能輕松應對。如果僅需要約 10% 的功能，為何要購買(mǎi)龐大且昂貴的大型機器？相反，如果硬件的靈活性和可編程性足夠，則您可以對其進(jìn)行調整和修改以滿(mǎn)足特定網(wǎng)絡(luò )需求。無(wú)論是在 WAN 邊緣還是園區邊緣，同一精益硬件可以在您的網(wǎng)絡(luò )中肩負著(zhù)各種元件的作用。 正確實(shí)施的 SDN 使您可以擺脫本地、苛刻、固定式、復雜、專(zhuān)有硬件和軟件的束縛。簡(jiǎn)單設計模式中 Corsa 的性能 SDN 可幫助您通過(guò)靈活、高性能、可擴展硬件平臺實(shí)現軟件定義網(wǎng)絡(luò )。 重重壓力下的硬件設計 這種靈活的 SDN 網(wǎng)絡(luò )概念對于網(wǎng)絡(luò )硬件設計必須如何變化有著(zhù)直接影響。得益于新的創(chuàng )新，SDN 網(wǎng)絡(luò )架構可能快速變化，因此 SDN 硬件解決方案的上市時(shí)間比以往變得更為重要。 硬件平臺是系統設計、板級別設計、機械設計與 SoC 選擇或設計的組合體。通常，在 SDN 等新興市場(chǎng)中，SoC 無(wú)法以商用芯片的方式提供，并且硬件解決方案需要采取 ASIC、NPU 或 FPGA 途徑得以實(shí)現。對于 SDN，鑒于其網(wǎng)絡(luò )變化的節奏，我們很難做出決策。 使用定制 ASIC，通常需要三年時(shí)間才能完成網(wǎng)絡(luò )硬件的設計、構建與實(shí)現工作：六個(gè)月的時(shí)間進(jìn)行硬件選型和架構；一年時(shí)間進(jìn)行 ASIC 設計；四個(gè)月時(shí)間進(jìn)行開(kāi)發(fā)板設計和制造；十二個(gè)月時(shí)間進(jìn)行軟件集成和測試。如果所有流程一次性通過(guò)，便可實(shí)現上述結果。 對于 Corsa，這種時(shí)間優(yōu)先的原型設計方式不可接受。 另一方面，網(wǎng)絡(luò )處理單元 (NPU) 是一種專(zhuān)為網(wǎng)絡(luò )應用而設計的可編程商用芯片。盡管它們的確具備高靈活性并且可以重新編程，但它們的帶寬有限，這對于大規模交換功能是一大障礙。它們還提供了復雜的專(zhuān)有編程模型，很難更改。由于 SDN 需要全面的靈活性、高性能和大規模，我們同樣排除了 NPU。 為通過(guò)適當的解決方案滿(mǎn)足 SDN 上市時(shí)間需求，Corsa 選擇了 FPGA，并且利用賽靈思 Virtex®-7 器件的靈活性，用六個(gè)月時(shí)間開(kāi)發(fā)了一種解決方案。 利用 FPGA 進(jìn)行設計，我們可以并行進(jìn)行以下工作（請參見(jiàn)圖 2）： • 系統架構（四個(gè)月） • RTL 代碼編寫(xiě)（六個(gè)月） • 軟件設計（六個(gè)月） • PCB 設計和制造 （四個(gè)月） 一個(gè)重要的事實(shí)是，我們可以在 FPGA 平臺上即時(shí)修改 RTL，同時(shí)各種設計活動(dòng)繼續進(jìn)行并針對性能和規模進(jìn)行優(yōu)化。 增量設計的優(yōu)勢 我們采用基于一系列 FPGA 的 Slice 來(lái)開(kāi)發(fā)我們的系統架構。這種方法能夠開(kāi)發(fā)出具有最小可行特性的單個(gè) Slice，同時(shí)為全特性集留下預算容量。不需要像通過(guò)基于 ASIC 或 NPU 的方法那樣預先全面設計整個(gè)架構，然后再遷移到 RTL 中。因此，我們可以與系統并行開(kāi)發(fā)工作碼，并能夠更加快速地交付給領(lǐng)先客戶(hù)。 并非每一個(gè)用例或應用都需要所有功能。通過(guò)利用 FPGA 的硬件級可編程性，我們可以創(chuàng )造更小的 RTL 實(shí)現，這些實(shí)現與特定用例所需要的功能集和性能相匹配。在設計期間甚至是在現在，可以取代 10G 和 100G MAC，將資源從交換架構轉移到分類(lèi)引擎，以及添加或移除用于特定協(xié)議的硬件加速功能。相比 ASIC 或 NPU ，這一靈活性有助于減少門(mén)數，進(jìn)而縮減物理封裝尺寸。它還使我們可以回應那些一旦客戶(hù)參與就會(huì )必然出現的無(wú)法預見(jiàn)用例。序列設計通常會(huì )導致出現先有雞還是先有蛋的定義難題，即：完全指定 ASIC 或 NPU 要求，但是在產(chǎn)品到達實(shí)驗室之前，沒(méi)有詳細的客戶(hù)參與。 SDN 交換設計 SDN 表示就有關(guān)如何構建網(wǎng)絡(luò )設備方面與傳統觀(guān)念分道揚鑣。SDN 的一項關(guān)鍵要求是，較之于傳統的固定功能硬件，可重編程硬件在構建和銷(xiāo)售方面極富競爭力。發(fā)揮這一理念，SDN 為網(wǎng)絡(luò )推出方式帶來(lái)革命性變化。傳統網(wǎng)絡(luò )設計的原理現在可以顯著(zhù)改進(jìn)。 以下是激起人們對 SDN 的關(guān)注的三個(gè)主要因素。 1. 用于解決新網(wǎng)絡(luò )問(wèn)題的新網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的速度 一項新的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議至少需要三年時(shí)間才能完成其標準化流程。還需要兩到三年時(shí)間在硬件中實(shí)現，然后才能最終部署。通過(guò) SDN，新協(xié)議是通過(guò)軟件實(shí)現，并且幾乎是立即部署在安裝的系統中。這將周期從五年降至短短數月。 2. 基于開(kāi)放硬件平臺，創(chuàng )新網(wǎng)絡(luò )創(chuàng )意的精英化 標準更注重策略而非技術(shù)。經(jīng)各方爭執和修改，最終的規范是代表各方立場(chǎng)的妥協(xié)版本。在此過(guò)程中，實(shí)力較小的一方通常被忽略或無(wú)視。通過(guò) SDN，任何人都可以制定協(xié)議并供行業(yè)使用。如果運營(yíng)商看到優(yōu)勢，協(xié)議便會(huì )繁榮發(fā)展，否則便會(huì )消亡。要讓最佳技術(shù)理念取勝，這種“適者生存”的方法是更加可靠的選擇過(guò)程。 3. 針對尚未開(kāi)發(fā)的協(xié)議，通過(guò)現場(chǎng)升級來(lái)復用基礎設施 每年在新網(wǎng)絡(luò )設備方面的花費達到了數十億美元。這些設備的生命周期是三到五年。在購買(mǎi)設備時(shí)尚未開(kāi)發(fā)的任何協(xié)議或功能通常必須等待三到五年，直到設備更新后方可使用。通過(guò) SDN，新協(xié)議很有可能能夠立即部署在現場(chǎng)的設備中。將設備的生命周期延長(cháng)到超過(guò)五年已成為現實(shí)，同時(shí)為即將出現的新功能提供即時(shí)可用性。 FPGA 對比 ASIC 為增強競爭力，SDN 交換要求高性能、靈活性和大規模，這些要求都以?xún)r(jià)格合理的套裝形式提供。傳統觀(guān)念認為，需要固定功能 ASIC 才能構建此類(lèi)有競爭力的系統。這在 28nm 技術(shù)節點(diǎn)出現之前的確如此。但是，在 28nm 及之后，FPGA 已經(jīng)達到了顛覆性規模。它們不再是用于膠合邏輯的大型 PLD 器件。相反，它們終于實(shí)至名歸，不負上世紀九十年代早期賦予它們的“現場(chǎng)可編程門(mén)控陣列”這一稱(chēng)號。 FPGA 技術(shù)現在的性能、靈活性和可擴展性如此之高，足以滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò )架構師所需的 SDN 屬性列表要求。首先 IP 庫、存儲器和 I/O 等一些關(guān)鍵方面凸顯了 FPGA 技術(shù)會(huì )給 SDN 帶來(lái)明顯優(yōu)勢。 就 IP 而言，已經(jīng)使用 FPGA 中的標準單元實(shí)現了基本網(wǎng)絡(luò )功能。其中有大型模塊，包括數十個(gè) 10/100G 以太網(wǎng) MAC、PCIe® 接口、Interlaken 接口、嵌入式 ARM® 內核和 DDR3 接口。這些 IP 核為 SDN 交換機設計師提供了大量預先設計和預先優(yōu)化的模塊。 在網(wǎng)絡(luò )設備中，規模很關(guān)鍵。有助于形成規模的一個(gè)特定方面就是存儲器，對于包交換，需要大量小型存儲結構。這些存儲結構提供的帶寬和容量，可支持 TB 級或更多流量輸入輸出處理單元。FPGA 存儲器進(jìn)行了優(yōu)化且占用芯片面積最小，因此有助于實(shí)現 TB 級路由規模。 就 I/O 而言，網(wǎng)絡(luò )需要大量串行解串器接口，每個(gè)接口均包含大量模擬組件、功率放大器和數字邏輯。I/O 專(zhuān)用芯片面積可能過(guò)多。FPGA 技術(shù)具有卓越的 I/O 模塊，就其芯片面積占用而言，能夠與網(wǎng)絡(luò ) ASIC 媲美。 在對芯片面積增加了上述促進(jìn)因素以后，顯然可以看到，基礎 FPGA 技術(shù)以最佳方式至少將 ASIC 的復雜度降低一半，另外 50% 或更低的芯片面積可考慮用于 CLB 或標準單元。鑒于銷(xiāo)量相對較低的網(wǎng)絡(luò ) ASIC 業(yè)務(wù)的價(jià)值定價(jià)（10 萬(wàn)套被視為大數量），任何差價(jià)都會(huì )水落石出。 這對于 SDN 則意味著(zhù)我們突然擁有了一個(gè)現場(chǎng)可編程的高度可編程平臺，以支持先前需要百萬(wàn)美元 NRE 和巨大 ASIC 開(kāi)發(fā)的多種系統。這類(lèi)似于在所有書(shū)籍需要用羽毛筆和墨水瓶書(shū)寫(xiě)一次的時(shí)代發(fā)明了印刷術(shù)。 CORSA 的性能 SDN 在 Corsa，我們認識到，網(wǎng)絡(luò )市場(chǎng)中有兩種顛覆性的趨勢。第一種是對可編程網(wǎng)絡(luò )元件的渴望；第二種是 FPGA 作為固定功能芯片替代品的出現。因此我們開(kāi)始了設計理想的 SDN 交換機的任務(wù)。圖 3 中顯示了此類(lèi)設備的系統架構。 高性能 SDN 交換機有兩個(gè)組件。其具有性能很高的包分類(lèi)引擎，這是交換機結構的先驅。分類(lèi)器在 OpenFlow 規范中定義為一系列匹配操作表，這些操作表檢查包報頭并根據包中各種協(xié)議的源和目標字段來(lái)制定轉發(fā)決策。一旦制定了轉發(fā)決策，包進(jìn)入第二個(gè)組件：能夠緩沖和交換 TB 級數據的高速交換機結構。 這些數據速率所必需的帶寬和容量對于性能 SDN 交換機的物理架構有著(zhù)顯著(zhù)影響。這些交換機需要 100ms 或更多的包緩沖，以在大量聚合點(diǎn)中（比如在 WAN 或園區邊緣）存在流量堵塞的情況下保持高吞吐量。對于 640 Gb 的前面板帶寬，可用以下計算得出： 640 Gbps * 0.1 s = 64 Gb 包緩沖存儲器 對于 Corsa，這是使用 FPGA 脫穎而出的地方。實(shí)現性能 SDN 所需要的存儲密度的唯一存儲技術(shù)是 DDR3 存儲器。在 28nm 中，DDR3-1600 是最快速的存儲器。為了以全線(xiàn)路速率寫(xiě)入并讀取每個(gè)包，我們需要 1.28Tb 的存儲帶寬。在考慮了訪(fǎng)問(wèn)效率低下這一因素之后，單個(gè) DDR3 DIMM 模塊能夠處理約 64Gb 的流量。這意味著(zhù)我們需要 10 個(gè) DDR3 DIMM 模塊才能為 Internet 規模的 SDN 交換機提供包緩沖。 由于單個(gè) FPGA 無(wú)法托管如此多的 RAM，因此導致我們立即通過(guò)每個(gè) FPGA 大約三個(gè) DIMM 來(lái)尋求分布式架構。我們隨后增加了額外的內存容量和帶寬以存儲 OpenFlow 流水線(xiàn)的包分類(lèi)數據，如 IPv4 地址、MAC 地址、隧道 ID 等。這為我們帶來(lái)了每個(gè)流水線(xiàn)兩個(gè) FPGA 的通道實(shí)現方案（每個(gè)流水線(xiàn)六個(gè) DDR3 DIMM）。流水線(xiàn)通道與通過(guò)架構 FGPA 構建的定制交換機結構綁定在一起，并且控制層通過(guò)具備 PCIe 3.0 連接的 Xeon 處理器綁定到包轉發(fā)引擎（圖 4）。 這種設計為我們提供了大量門(mén)控，海量的存儲帶寬和容量以及超高速的控制層連接。利用 OpenFlow 的靈活性，Corsa 構建了用于 Internet 協(xié)議規模的路由器、MPLS 交換機、100-Gig 防火墻和 DPI 負載均衡器的線(xiàn)路速率處理引擎，以及眾多其他網(wǎng)絡(luò )用例，絕對無(wú)需修改硬件架構，且不影響性能。我們看到網(wǎng)絡(luò )功能虛擬化 (NFV) 服務(wù)鏈的出現令人有些滿(mǎn)意；網(wǎng)絡(luò )服務(wù)報頭和協(xié)議仍在草擬之中。 規模、性能和靈活性 可編程網(wǎng)絡(luò )是未來(lái)之路。網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商從服務(wù)速度、基礎架構重用及其通過(guò) DevOps 管理復雜性的能力等方面看到了優(yōu)勢。在對可編程網(wǎng)絡(luò )元件新興需求的同時(shí)，FPGA 正將性能和規模推到全新的高度。在 Corsa，我們認識到這一交會(huì )點(diǎn)并在我們的 SDN 硬件平臺中使用 FPGA 來(lái)實(shí)現 SDN 規模、性能和靈活性。 在固定功能廠(chǎng)商繼續多年來(lái)等待標準、制造 ASIC 并延遲其產(chǎn)品上市的老路的同時(shí)，Corsa 能夠立即通過(guò)我們交付的新系統部署這些新協(xié)議。更好的是，由于使用賽靈思 FPGA，我們可以將以前交付的系統升級以支持未來(lái)開(kāi)發(fā)的協(xié)議。 
圖 1– SDN 將包轉發(fā)數據層與控制層隔離。
圖 2 – Corsa 的基于 FPGA 的設計周期比典型 ASIC 設計周期明顯縮短。
圖 3 – 高性能 SDN 交換機的兩個(gè)主要元件元素是能夠進(jìn)行包分類(lèi)的引擎和快速交換機結構。
圖 4 – Corsa 的高帶寬和高容量系統架構具有基于 FPGA 的流水線(xiàn)和交換機結構。 |
