由于可將網絡功能/特征仿真到軟件并部署于通用服務器來實現(xiàn)，以NFV（網絡功能虛擬化）與SDN（軟件定義網絡）為代表的“網絡虛擬化技術”成為最近一個非常熱門的行業(yè)話題。但是，半導體性能的未來速率演進將會落后于網絡容量的增長，隨著網絡數據容量正在進入太比特時代，預計將難以通過NFV技術的靈活性來獲得所需的數據速率與功率效率。為解決此問題，業(yè)界有機構正在研究可用于網絡虛擬化的硬件/軟件聯(lián)合設計技術[1]，在技術理念與具體技術上都有較大的參考價值，下文對其進行詳細介紹。

1、引言

隨著商用型服務器的性能得到逐步提升，全球通信業(yè)界開始大力探索通過部署網絡虛擬化技術來大幅降低網絡建設成本與運維成本。

SDN（Software-Defined Networking，軟件定義網絡）即是網絡虛擬化技術的代表，其可將電信網絡設備的控制功能與數據傳送功能分離解耦，從而可以集中處理網絡配置與設置（可通過相關軟件進行自動化的流程控制）。

為了能把SDN技術應用到電信運營商的廣域網絡，業(yè)界已經發(fā)布了開源的SDN應用。該應用包括兩大部分：（1）Ryu SDN框架——其為一種SDN控制器，為SDN網絡的設置提供便捷的工具與能力庫；（2）Lagopus——其為一種高性能的SDN軟件交換機，具備可廣泛應用部署于數據中心及廣域網絡的能力與特性。

2、對硬件加速器（用于網絡虛擬化）的研發(fā)

隨著網絡虛擬化技術的進步，傳統(tǒng)上由專用硬件設備所提供的網絡功能，也將有望通過在標準化的通用服務器中部署虛擬化成軟件的網絡功能來實現(xiàn)。

可以預見的是，隨著網絡虛擬化技術的實際應用越來越普遍，部署有很多網絡功能的通用服務器的CPU（中央處理單元，用于進行與網絡相關的處理）將會承受很大的負載。

從而，為了使網絡虛擬化技術能滿足更高級網絡服務與系統(tǒng)的需求，就需要研發(fā)能減輕通用服務器CPU負載的技術，以期提高通用型服務器處理能力的功率與性能的比值，為更多網絡功能的正常運行提供穩(wěn)定的環(huán)境。

為了使網絡虛擬化系統(tǒng)中的軟硬件能協(xié)同工作，NTT設備創(chuàng)新中心正在研發(fā)硬件/軟件聯(lián)合設計技術，已設計出具有如圖1所示理念的HWA（HardWare Accelerator，硬件加速器）——其具有性能、靈活性及可用性三個維度，并涉及SDN軟件交換機、SDN硬件交換機、硬件加速器?？傮w而言，硬件加速器可在提升性能、提高可靠性的同時，保證高性能SDN軟件交換機（Lagopus）的靈活性。

圖1 硬件加速器的設計理念

3、硬件加速器的技術原理與特性

1）技術原理

在用于網絡虛擬化的通用型服務器中，能與硬件加速器HWA協(xié)同工作的SDN軟件交換機的系統(tǒng)配置如圖2所示。其中：（1）虛線的上半部分為數據平面，以SDN軟件交換機為核心進行軟件（網絡功能虛擬化應用）處理（采取x86 CPU）；（2）虛線的下半部分執(zhí)行硬件處理功能，其主體為內置于通用服務器NIC（網卡）之中的一個可重構/重配置的FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）電路——硬件加速器HWA。通常地，硬件研發(fā)比軟件研發(fā)要花費多得多的時間。但是，由于此方案中采取了可對程序中的功能進行重寫的FPGA，就不僅可加速硬件研發(fā)，還具備在后續(xù)對網絡功能進行更新、迅速解決故障的能力。

圖2 SDN軟件交換機的系統(tǒng)配置

（注——API：應用編程接口；DPDK：Intel的數據平面開發(fā)工具包；NFV：網絡功能虛擬化）

圖2中所示的SDN軟件交換機通過網卡中的FPGA硬件加速器HWA向相關的軟件轉發(fā)網絡分組/數據包以待處理。除了網卡通常的數據包處理功能，硬件加速器也具備相關的預處理能力以減輕Lagopus（SDN軟件交換機）轉發(fā)組件（即數據平面）的負載壓力。但是，硬件加速器的預處理功能與SDN軟件交換機的數據包處理是相互獨立的，并不直接與之通信。這就使得SDN軟件交換機能保持其靈活性，同時減輕軟件處理負載，并可進一步地提高SDN軟件交換機的性能。

2）技術特性

（1）高速的流量調度