Lagopus FPGA 可最大化電信和云服務(wù)的SDN/NFV 功能。

日本電報(bào)電話公司 (NTT) 是一家全球電信集團(tuán)控股公司，負(fù)責(zé)制定管理策略和推動(dòng)研發(fā)工作發(fā)展。 我們是 NTT 研發(fā)部的研究人員，正領(lǐng)導(dǎo)兩個(gè)針對(duì)軟件定義網(wǎng)絡(luò) (SDN) 和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化 (NFV) 的創(chuàng)新型項(xiàng)目。針對(duì)其中的一個(gè)項(xiàng)目，我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一個(gè)名為 Lagopus 的高性能軟件 SDN/OpenFlow交換機(jī)[1]，我們認(rèn)為這是迄今為止作為開(kāi)源軟件發(fā)布的 OpenFlow 1.3 兼容交換機(jī)中的佼佼者。針對(duì)第二個(gè)項(xiàng)目，我們開(kāi)發(fā)出一個(gè)具有軟件包處理感知功能的 40 Gbps FPGA 網(wǎng)絡(luò)接口卡 (NIC) ——Lagopus FPGA。

早期階段采用賽靈思面向網(wǎng)絡(luò)的 SDNet ?軟件定義規(guī)范環(huán)境，是我們能夠成功開(kāi)發(fā)這些技術(shù)的關(guān)鍵所在。在本文中我們將介紹如何使用SDNet滿(mǎn)足我們的項(xiàng)目目標(biāo)。

實(shí)現(xiàn) SDN/NFV 卓越性能的 LAGOPUS FPGA
云服務(wù)供應(yīng)商和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)運(yùn)營(yíng)商正在轉(zhuǎn)向采用SDN，將其作為自動(dòng)配置系統(tǒng)的關(guān)鍵支持技術(shù)。NFV 通過(guò)將網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)從專(zhuān)有硬件設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)樯逃糜布到y(tǒng)，充分運(yùn)用 PC 服務(wù)器、基于商用芯片的交換機(jī)和軟件工具，在幫助電信運(yùn)營(yíng)商降低資本支出和運(yùn)營(yíng)支出方面起著至關(guān)重要的作用。許多云服務(wù)提供商和電信運(yùn)營(yíng)商將為其新一代商用網(wǎng)絡(luò)部署 SDN 和 NFV。

NTT 集團(tuán)是商業(yè)服務(wù)和研發(fā)領(lǐng)域的 SDN 和NFV 領(lǐng)跑者。在日本總務(wù)省的自助下，NTT 已經(jīng)啟動(dòng)一項(xiàng)與先進(jìn) SDN/NFV 相關(guān)的研究工作——O3 項(xiàng)目。Lagopus 是 O3 項(xiàng)目的主要可交付成果，其結(jié)合使用開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)基金會(huì) (Open Networking Foundation)的 OpenFlow 1.3 協(xié)議、商用英特爾 x86 服務(wù)器和商用 NIC, 可實(shí)現(xiàn)高性能軟件包處理和靈活的流程控制。 Lagopus 的主要優(yōu)勢(shì)有： 能在商用服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)超過(guò) 10Gbps 的高性能軟件包處理、高達(dá)百萬(wàn)流量輸入的彈性網(wǎng)絡(luò)流控制、針對(duì)虛擬提供商邊緣 (vPE)/ 虛擬客戶(hù)端設(shè)備 (vCPE) / 虛擬演進(jìn)分組核心網(wǎng) (vEPC) 框架的可擴(kuò)展流程分配器。

Lagopus FPGA 項(xiàng)目旨在通過(guò)在運(yùn)行于商用服務(wù)器上的 FPGA 上靈活地對(duì)軟件加速和硬件加速功能進(jìn)行分區(qū)，實(shí)現(xiàn) 40/100Gbps 的高性能包處理。圖 1顯示了 Lagopus FPGA 的概念和架構(gòu)。這種靈活的架構(gòu)能借助 FPGA 加速并以純軟件實(shí)現(xiàn)方式將 Lagopus交換機(jī)的 10Gpbs 線速提高到 40Gbps 線速。這一性能提升的代價(jià)僅僅是 x86 CPU 的功耗增大不到 10%。該架構(gòu)還能極大地增強(qiáng)我們的網(wǎng)絡(luò)故障排除能力，這對(duì)真正虛擬化的網(wǎng)絡(luò)有實(shí)質(zhì)性意義。

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圖 1 — Lagopus FPGA 的概念和架構(gòu)

目前, 我們正在使用先進(jìn)的 FPGA 和設(shè)計(jì)工具聯(lián)合為 Lagopus 和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的原始硬件知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP) 設(shè)計(jì)一種先進(jìn)的軟件可編程數(shù)據(jù)層面，其目的不僅是獲得更高的系統(tǒng)性能，也是為降低功耗和成本。通過(guò)與賽靈思團(tuán)隊(duì)合作，我們已經(jīng)在基于賽靈思 Virtex?-7 All Programmable FPGA 的 80Gbps NIC演示板上成功集成了 Lagopus 和我們的 IP。2015 年2 月，我們?cè)跂|京舉辦的 NTT2015 年研發(fā)論壇上首次演示了 Lagopus FPGA。同年 8 月，我們還在加州庫(kù)比蒂諾舉辦的 Hot Chips 27 大會(huì)上展示了我們的卓越成功。

我們使用 SDNet 開(kāi)發(fā)環(huán)境創(chuàng)建 Lagopus FPGA系統(tǒng)。這種新穎的動(dòng)態(tài)可重編程數(shù)據(jù)層面包處理工具鏈讓我們能夠在不影響性能的情況下，把數(shù)據(jù)包分類(lèi)、編輯、搜索、負(fù)載均衡和統(tǒng)計(jì)測(cè)量等高強(qiáng)度數(shù)據(jù)層面運(yùn)算轉(zhuǎn)交給 FPGA NIC 處理（均在10/40/100GbE 千兆位級(jí)以太網(wǎng)線速下實(shí)現(xiàn))，為 Lagopus和 NFV 應(yīng)用提速。我們認(rèn)為這是我們項(xiàng)目的最佳解決方案，可增強(qiáng) SDN/NFV 技術(shù)的關(guān)鍵組成部分—— 分類(lèi) IP 的功能。該環(huán)境的快速可重配置包流水線功能讓我們能夠迅速方便地更新網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和功能。

SDNet 環(huán)境涵蓋云計(jì)算數(shù)據(jù)中心和廣域網(wǎng)中豐富多樣的用例，從而擴(kuò)大了 Lagopus FPGA 的使用潛力。對(duì) NTT 而言，這種靈活、軟件定義硬件設(shè)計(jì)技術(shù)能實(shí)現(xiàn)差異化網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的靈活部署。

SDNet 擴(kuò)大了 Lagopus FPGA 的使用潛力：這種靈活的軟件定義硬件設(shè)計(jì)技術(shù)能實(shí)現(xiàn)差異化網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的靈活部署。

SDNet 環(huán)境奠定設(shè)計(jì)基礎(chǔ)
隨著新興市場(chǎng)上 SDN/NFV 技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，Lagopus FPGA 項(xiàng)目的一大設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是在緊湊的開(kāi)發(fā)期內(nèi)完成開(kāi)發(fā)，以如期進(jìn)行部署和推廣。我們從 2014 年 10 月開(kāi)始設(shè)計(jì) Lagopus FPGA 系統(tǒng)，三個(gè)月后，即在 2015 年 1 月完成首次集成。

鑒于該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，這是一項(xiàng)了不起的成就。圖 1 所示是 Lagopus FPGA 系統(tǒng)的頂層架構(gòu)，它由包含軟件 FPGA IP 包在內(nèi)的四個(gè)技術(shù)軟件層組成：(1) NFV 應(yīng)用；(2) Lagopus 軟件交換機(jī)；(3)硬件抽象層，例如應(yīng)用編程接口 (API)、英特爾數(shù)據(jù)面開(kāi)發(fā)套件 (DPDK)、一組用于x86 快速包處理的庫(kù)和驅(qū)動(dòng)程序；以及 (4) FPGA NIC IP 內(nèi)核套件。該多重技術(shù)軟件層會(huì)增大追蹤問(wèn)題根源的難度，如丟包和性能降低，削弱調(diào)試和立即隔離故障的能力。實(shí)際上這也是所有 SDN/NFV 架構(gòu)的重大難題。為克服這些難題，我們采用了 SDNet 環(huán)境和賽靈思Vivado? Design Suite。

我們?cè)趩?dòng) Lagopus FPGA 的設(shè)計(jì)工作時(shí)，先確定我們對(duì)包處理功能的要求，并且制定出一個(gè)開(kāi)發(fā)流程。圖 2 是這一開(kāi)發(fā)流程的一般性介紹和SDNet規(guī)范的示例代碼段。我們決定創(chuàng)建一個(gè)完美匹配的濾波器。該過(guò)濾器采用來(lái)自虛擬 LAN 的關(guān)鍵信息。借助這個(gè)過(guò)濾器，我們可以把硬件分類(lèi)功能卸載到FPGA NIC，在 x86 上為 Lagopus 的軟件數(shù)據(jù)層面提速。我們可使用 Lagopus 和 SDN 控制器之間的OpenFlow 協(xié)議注入流程項(xiàng)，進(jìn)而通過(guò) DPDK 流程指示器 API 配置濾波器項(xiàng)。

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圖 2 — SDNet 環(huán)境的設(shè)計(jì)流程

為實(shí)現(xiàn)這一策略，我們創(chuàng)建了相應(yīng)的 SDNet 功能描述，如圖 2 的代碼段所示。我們隨后把該代碼輸入 SDNet 編譯器，設(shè)定總線類(lèi)型、總線寬度和生成的 RTL 類(lèi)型等選項(xiàng)。編譯在數(shù)秒鐘內(nèi)完成。SDNet功能描述的實(shí)際代碼規(guī)模大約為 250 行代碼。相比之下，等效的 RTL 需要由數(shù)萬(wàn)行代碼構(gòu)成?？紤]到我們的工作日程緊張，我們十分欣賞 SDNet 規(guī)范的簡(jiǎn)潔性。受我們開(kāi)發(fā)時(shí)間的約束，要在 RTL 中重新設(shè)計(jì)并驗(yàn)證這一復(fù)雜模塊是無(wú)法做到的。

下一步我們使用工具命令語(yǔ)言 (Tcl) 外殼程序，將生成的 RTL 與 Vivado Design Suite 上的其他外設(shè)IP 集成在一起。圖 3 所示為集成式 SDNet 分類(lèi)器和我們定制的流程分配器。我們的目標(biāo)編程器件是賽靈思 Virtex-7 XC7VX690T FPGA。

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圖 3 — FPGA 流程分類(lèi)與分配

借助 Lagopus FPGA，我們僅以 x86 功耗上升不足10% 為代價(jià)，便實(shí)現(xiàn)了 40Gbps 線速軟件包處理能力。

由于分類(lèi)后的包流（指向 32 個(gè)接收 [rx]DMA隊(duì)列）通過(guò)在 x86 多核 CPU 上工作的 Lagopus 的軟件數(shù)據(jù)層面能夠得到有效分配，這種集成 FPGA 設(shè)計(jì)讓系統(tǒng)不僅能減少 Lagopus 的 OpenFlow 工作線程占用的 CPU 周期，而且還可平衡每個(gè)內(nèi)核的工作負(fù)荷（圖 3）。因此，, 我們使用 Lagopus FPGA 實(shí)現(xiàn)了更高性能—— 達(dá)到 40Gpbs 線速軟件包處理能力，而且付出的代價(jià)僅僅是 x86 CPU 的功耗增大不到 10%（如圖 4 所示）。

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圖 4 — 性能與功耗關(guān)系圖

SDNet 環(huán)境與 Vivado Design Suite 結(jié)合運(yùn)用，有助于我們項(xiàng)目的啟動(dòng)，讓我們能夠最大程度地豐富Lagopus FPGA 系統(tǒng)的特性集，優(yōu)化性能并降低功耗。NTT 研發(fā)部在 SDN/NFV 領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，加上我們對(duì)賽靈思 SDNet 開(kāi)發(fā)環(huán)境的運(yùn)用，讓我們?yōu)殡娦藕驮苹A(chǔ)架構(gòu)將帶來(lái)革命性變化。為此，我們將繼續(xù)運(yùn)用軟定義、可重編程的 SDNet 負(fù)載模塊來(lái)優(yōu)化我們的設(shè)計(jì)方法。包括 API 在內(nèi)的 SDNet 規(guī)范的不斷快速修改在我們?cè)O(shè)計(jì)未來(lái)平臺(tái)時(shí)能為我們提供更多益處。