NFV遇到FPGA会擦出怎样的火花

随着市场对网络服务需求的持续增长，运营商所面临的挑战也不断加剧。比如满足客户对于更多设备、更多视频以及下一代应用的需求，然而这些都无一例外地对延迟和带宽有着极为苛刻的要求。需求不断增长，网络资源消耗殆尽，运营商陷入进退两难的困境。

运营商需要在扩展系统容量和功能的同时还必须控制资本支出和运营支出。此外，他们还必须加强对网络功能的完善，以便在降低提供传统网络服务成本的同时加快创收服务的进度。

英特尔网络功能虚拟化 （NFV） 基于商用现货 （COTS） 基础设施构建，因此在部署时有助于节约成本。此外，它能够为用户提供所需要的资源灵活性，不仅有助于确保较高的利用率，还能够针对各种不同的工作负载提供较高级别的可编程性。FPGA可用作额外的可编程 COTS 组件，以便更快地实现能源和成本节约，从而进一步提高虚拟化系统的性能和成本效益。

英特尔？ FPGA 可通过编程提供广泛的高带宽和低延迟功能，从而能够显著增强运营商云平台上运行的虚拟网络功能 （VNF） 的能力。

虚拟网络世界缔造之始——“NFV+5G”目前，最快进行迁移以实施 NFV 的应用是 5G 电信。移动设备数据速率可能达到 10 Gbps、客户端和服务的地理分布快速变化、本地热点密集分布、供应整个城区网络以应对峰值本地工作负载不具备可行性，以及希望 5G 部署早期的资本投资与创收相匹配，这些因素相互作用，有利于基于 NFV，而非固定功能硬件设备，构建软件定义网络。

但哪些功能将实现虚拟化？NFV 开发人员没有对假想的 5G 网络进行自上而下的系统分析以衍生出一组核心功能 — 定义数学或应用库的方法，而是采用了一种更加实用的方法。他们进行虚拟化的功能与 NFV 之前网络世界中已经存在的设备和产品一一对应。这样虚拟化网络功能 （VNF） 开发人员可以将他们的产品称作现有网络软硬件的临时替代品，无需向系统管理员提出新的概念，至少在探讨早期是这样。

因此，5G 服务提供商主要提供对 4G LTE 网络至关重要的功能，包括宽带网络网关、路由器、IPsec 功能、演进分组核心 （EPC）、以及支持连接和资源管理的控制平面处理。

其中部分功能 — 尤其是控制平面任务 — 已经在软件中执行了很长时间，因此虚拟化只是将代码从一种执行环境移到另一种执行环境的问题。但其他功能一直以来都是通过 ASIC 或 FPGA 在专用硬件中实施，而且必须完成更多的工作才能转化为 VNF。

大多数 5G NFV 讨论中最突出的一个示例就是宽带网络网关 （BNG）。这种设备位于网络客户端和外部互联网协议网络之间，实际上就是蜂窝服务提供商的基带设备和公共互联网之间的网关。经过仔细研究，BNG 不是单一功能，而是提供控制网关所必需的一组功能。最简单地说，BNG 提供本地地址和互联网地址之间的地址映射功能、双向数据包路由功能，以及控制平面接口功能，支持管理和编排 （MANO） 模块设置地址映射和路由表。

在全面实施过程中，BNG 还包含会话层验证 — 一种加密任务 — 与核算、某种级别的安全功能，以及数据包级别的策略执行和服务质量管理等功能（图 2）。路由通常只涉及从数据包提取地址字段、执行表查询，以及将数据包转发至相应的缓冲区，而核算、安全、策略和服务质量需要检查数据包的有效负载、使用正则表达式处理器，以及快速、深度的缓冲，以便将优先级授予特权数据包。

 概念化 BNG 包含多项重要的内部功能

原则上，在数据中心的软件中实施这些任务没有任何问题。在适当的数据包速率下，地址映射、检查、策略应用、路由等数据平面任务可分配至多个服务器 CPU 内核实现并行处理。在为了安全起见获取更高级的内容检查方法之前，数据包之间不存在任何阻止并行处理的链接。但随着数据包速率逐步提高，达到大型 5G 网络的期待范围 — 更不用说数据中心网络的速度 — 扩展就成了一个问题。

相比在专用硬件中执行一项功能，在软件中执行的速度肯定要慢，功耗也更大：通常会慢很多。而且，当系统集成商在软件功能之外组建一个虚拟 BNG （如果愿意可以称作 VBNG），会遇到另一个问题。在硬件 BNG 数据平面中，功能模块是流水线式的，阶段之间只有浅缓冲。但在虚拟化系统中，在任务之间移动数据包通常意味着将数据包从一个内核的高速缓存写入共享二级高速缓存或三级高速缓存，或者更糟糕的是写入 DRAM。

而最糟糕的是通过背板网络写入另一个服务器卡的 DRAM，然后进入另一个内核的一级高速缓存。硬件中的本地 FIFO 读写变成了高速缓存、DRAM 和网络活动的级联爆发，随之而来的风险是专用 DRAM 通道达到饱和，或出现缓存抖动。而且这些问题与流量有着密切的关系，设计时不容易预测。因此，这就导致许多设计人员将硬件加速视作纯软件实施数据平台功能的替代方案。