通信网络虚拟化面临的重大问题及解决：软硬件联合设计技术

由于可将网络功能/特征仿真到软件并部署于通用服务器来实现，以NFV（网络功能虚拟化）与SDN（软件定义网络）为代表的“网络虚拟化技术”成为最近一个非常热门的行业话题。但是，半导体性能的未来速率演进将会落后于网络容量的增长，随着网络数据容量正在进入太比特时代，预计将难以通过NFV技术的灵活性来获得所需的数据速率与功率效率。为解决此问题，业界有机构正在研究可用于网络虚拟化的硬件/软件联合设计技术[1]，在技术理念与具体技术上都有较大的参考价值，下文对其进行详细介绍。

1、引言

随着商用型服务器的性能得到逐步提升，全球通信业界开始大力探索通过部署网络虚拟化技术来大幅降低网络建设成本与运维成本。

SDN（Software-Defined Networking，软件定义网络）即是网络虚拟化技术的代表，其可将电信网络设备的控制功能与数据传送功能分离解耦，从而可以集中处理网络配置与设置（可通过相关软件进行自动化的流程控制）。

为了能把SDN技术应用到电信运营商的广域网络，业界已经发布了开源的SDN应用。该应用包括两大部分：（1）Ryu SDN框架——其为一种SDN控制器，为SDN网络的设置提供便捷的工具与能力库；（2）Lagopus——其为一种高性能的SDN软件交换机，具备可广泛应用部署于数据中心及广域网络的能力与特性。

2、对硬件加速器（用于网络虚拟化）的研发

随着网络虚拟化技术的进步，传统上由专用硬件设备所提供的网络功能，也将有望通过在标准化的通用服务器中部署虚拟化成软件的网络功能来实现。

可以预见的是，随着网络虚拟化技术的实际应用越来越普遍，部署有很多网络功能的通用服务器的CPU（中央处理单元，用于进行与网络相关的处理）将会承受很大的负载。

从而，为了使网络虚拟化技术能满足更高级网络服务与系统的需求，就需要研发能减轻通用服务器CPU负载的技术，以期提高通用型服务器处理能力的功率与性能的比值，为更多网络功能的正常运行提供稳定的环境。

为了使网络虚拟化系统中的软硬件能协同工作，NTT设备创新中心正在研发硬件/软件联合设计技术，已设计出具有如图1所示理念的HWA（HardWare Accelerator，硬件加速器）——其具有性能、灵活性及可用性三个维度，并涉及SDN软件交换机、SDN硬件交换机、硬件加速器。总体而言，硬件加速器可在提升性能、提高可靠性的同时，保证高性能SDN软件交换机（Lagopus）的灵活性。

图1 硬件加速器的设计理念

3、硬件加速器的技术原理与特性

1）技术原理

在用于网络虚拟化的通用型服务器中，能与硬件加速器HWA协同工作的SDN软件交换机的系统配置如图2所示。其中：（1）虚线的上半部分为数据平面，以SDN软件交换机为核心进行软件（网络功能虚拟化应用）处理（采取x86 CPU）；（2）虚线的下半部分执行硬件处理功能，其主体为内置于通用服务器NIC（网卡）之中的一个可重构/重配置的FPGA（现场可编程门阵列）电路——硬件加速器HWA。通常地，硬件研发比软件研发要花费多得多的时间。但是，由于此方案中采取了可对程序中的功能进行重写的FPGA，就不仅可加速硬件研发，还具备在后续对网络功能进行更新、迅速解决故障的能力。

图2 SDN软件交换机的系统配置

（注——API：应用编程接口；DPDK：Intel的数据平面开发工具包；NFV：网络功能虚拟化）

图2中所示的SDN软件交换机通过网卡中的FPGA硬件加速器HWA向相关的软件转发网络分组/数据包以待处理。除了网卡通常的数据包处理功能，硬件加速器也具备相关的预处理能力以减轻Lagopus（SDN软件交换机）转发组件（即数据平面）的负载压力。但是，硬件加速器的预处理功能与SDN软件交换机的数据包处理是相互独立的，并不直接与之通信。这就使得SDN软件交换机能保持其灵活性，同时减轻软件处理负载，并可进一步地提高SDN软件交换机的性能。

2）技术特性

（1）高速的流量调度