基于FPGA的下一代电信虚拟网络体系架构，下篇

目 录

1. 虚拟宽带远程接入服务：从BRAS到vBRAS的演进

2. 高性能vBRAS的设计方法

3. 基于Arria10 FPGA的智能网卡解析

4. 性能测试

5. 结语

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虚拟宽带远程接入服务：

从BRAS到vBRAS的演进

上图为我们展示了传统BRAS逐步演进到vBRAS的三个主要过程：

第一阶段：传统的BRAS使用专用设备，且控制面和转发面紧耦合。图中可以看到控制路径和数据路径是相互重合的。

第二阶段：采用了虚拟化技术，且采用了服务器取代了专用BRAS设备，使用软件和虚拟机实现多个vBRAS。但同时也可以看到，此时控制面和转发面还是相互耦合实现。由于两者性能差别很大，这种实现方式很容易造成数据通路的性能瓶颈，或因数据通路流量过大而占用了控制面的带宽。反之，控制面的流量会影响数据面的线速包处理的能力。

第三阶段：采用虚拟化技术，且控制面和转发面相互分离。从图中可以看到，控制面和转发面由两个服务器分开实现，控制流量和转发流量相互不影响。此外，控制流量能在数据/转发服务器和控制服务器之间双向流动，实现控制面对转发面的控制。

这第三个阶段就是目前英特尔、HPE和中国电信北研院联合研发的最新成果。接下来就详细讲解其技术细节。

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高性能vBRAS的设计方法

设计实现上述第三阶段中高性能的vBRAS方案，需要分别实现vBRAS-c (control) 和vBRAS-d (data)，即vBRAS控制设备和vBRAS数据设备。这两类设备都应该使用标准化的通用服务器实现。此外，对于vBRAS数据设备而言，需要针对计算量庞大的应用进行专门的优化和加速，使其能进行高吞吐量、低延时的数据包处理。

下图展示了本应用实例中，vBRAS-c和vBRAS-d的设计方法。

对于vBRAS-c节点，其重要的设计思想就是轻量化和虚拟化，使其方便在数据中心或云端进行扩展和移植，同时可以分布式实现，以控制多个数据平面节点。

在本例中，vBRAS-c由一个独立的HPE DL380服务器实现。DL380服务器中包含两个CPU插槽（socket），每个插槽中均有一块14核的Xeon处理器。服务器的总内存为128GB。网络接口方面，vBRAS-c可以使用标准的网卡进行网络通信，比如一块或多块英特尔X710 10GbE网卡即可满足控制平面的流量要求。具体的vBRAS控制应用则在虚拟机中实现，多个虚拟机由SDN控制器统一控制。

对于vBRAS-d节点，总体也通过独立的DL380实现。针对上文提到的优化加速的部分，本实例中使用了基于Arria10 FPGA的智能网卡加速网络功能，如线速处理QoS和多级流量整形。在一个DL380中，可以插入多块FPGA智能网卡，实现并行数据处理，成倍提高数据吞吐量。同时，vBRAS-d节点通过OpenFlow与SDN控制器交互，且一台vBRAS-c设备可以控制多个vBRAS-d设备。

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基于Arria10 FPGA的智能网卡解析

使用FPGA智能网卡进行网络加速的好处有以下几点：

1. 解放了宝贵的CPU内核，将原本在CPU中实现的数据处理卸载到FPGA上进行加速实现。这样CPU可以用来做其他的工作，在虚拟化的基础上进一步实现了资源的有效利用。
2. FPGA拥有低功耗、灵活可编程的特点。在白皮书中提到，在选用的Arria10 GT1150 器件上实现了硬件QoS和多级流量整形后，只占用了FPGA的40%的逻辑资源。换言之，还有60%的资源可以被用来进行其他的网络功能处理和加速。同时，可以随时对FPGA进行编程，因此多种网络功能的加速都可以用一套硬件设备完成，不需要更换加速卡或其他硬件设备。即使是用户自己定义的功能，也可以实现，不需要专有设备完成。这样很好的平衡了高性能和高通用性两者间的矛盾。
3. FPGA能进行高速并行的数据包处理，且本身就广泛应用于网络通信领域，解决方案丰富且成熟。

下图概括介绍了本实例中在FPGA中实现的数据包转发的数据通路设计。

本设计包含多个模块，如Parser、Look-Up、Buffer Manager、Packet Processor，以及内存控制器和DMA等。数据包进入FPGA后，依次通过各个模块进行特征提取、分类、查找，如果需要就通过PCIe和DMA与CPU进行交互。同时，Buffer Manager会对不同来源的数据包进行流量控制、QoS和流量整形等操作。

这款FPGA智能网卡支持多种包处理模式，即可以将数据包完全在FPGA内部处理后转发，不经过CPU；也可以将数据包通过PCIe传送到CPU，使用DPDK进行包处理，再通过FPGA转发；或者二者结合，一部分功能在CPU中实现，另外一部分卸载到FPGA上完成。可见灵活度很高。

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性能测试

下图展示了进行性能测试时的硬件搭建情况。

一个DL380服务器上插了3块相互独立的FPGA智能网卡，每块网卡支持40Gbps数据吞吐量，因此一个vBRAS-d服务器支持的总吞吐量为120Gbps。每块网卡通过PCIex16接口与CPU相连，在CPU中运行DPDK L2/L3 FWD应用，将数据转发回FPGA，然后在FPGA中进行QoS和数据整形。在测试中，流量的产生和接收都通过Spirent测试仪实现。

对于QoS，每个智能网卡可以支持4000用户，故单服务器支持12000个用户。每个用户支持2个优先级，且分配给每个用户的带宽可以编程控制。例如，每个用户分配8.5Mbps带宽，则开启流量整形后单服务器总流量应为12000x8.5=102Gbps，如下图所示。

当数据包为定长512字节时，关闭流量整形功能后，高优先级流量和低优先级流量都没有损失，各为60Gbps（对应每个用户的实际流量为5Mbps高优先级+5Mbps低优先级），因此总流量为120Gbps。开启流量整形功能后，高优先级流量没有损失，仍为60Gbps。

对于低优先级，由于每个用户分配8.5Mbps带宽且高优先级已经占用了其中的5Mbps，因此只剩余3.5Mbps带宽供低优先级流量通过。可见低优先级流量遭到限流，总流量变成3.5Mx12000=42Gbps，使得总流量变成102Gbps。这在总体上证明了单个vBRAS-d节点可以支持超过100Gbps的流量处理。

此外还进行了一些功耗测试能性能对比，我在此挑选了一张结果图如下所示。

这张图表示了实现不同带宽时，总功耗性能比的一系列比较。功耗性能比的定义为，实现1Tbps时所需要的总功耗（千瓦）。图中将不含FPGA智能网卡的vBRAS实现50Gbps时的功耗性能比作为基准值（100%）。由图中可以看到，vBRAS+FPGA智能网卡的方案总能降低超过40%的总功耗，最多可达到60%。这进一步印证了上文中阐述过的使用FPGA进行网络功能加速的好处所在。

其他性能测试和对比不再赘述，详细内容在白皮书中可以看到。总体而言，相比于传统的vBRAS服务器+标准网卡的方案，使用vBRAS+FPGA智能网卡的解决方案可以减少约50%的功耗，以及带来超过3倍的性能提升。

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结语

这篇白皮书为我们展示了业界领先的企业当前在NFV和SDN领域所做的最新工作，特别是使用FPGA作为硬件加速平台，对网络功能进行卸载和加速。通过对FPGA的使用，大幅提高了硬件资源的利用率，同时带来了系统性能的提升和能耗的下降，降低了部署和运行成本。

现如今，各大互联网公司、云服务提供商、电信网络提供商都开始尝试在他们的数据中心中部署FPGA，其中微软的Azure云服务更是已经大规模采用了Intel FPGA进行硬件加速。这也为今后如何高效的使用FPGA提出了很多全新的要求，很多甚至是我们从未考虑过的。例如：

• 如何有效的设计CPU+FPGA这样的异构计算微结构；
• 如何实现狭义和广义上的计算、控制和存储资源的有效管理和分配；
• 上述设计如何在数据中心进行高效部署；
• 如何设计商业模型以明确FPGA在整个体系中的位置和作用。

老石相信，如何有效解决这些问题都将会是未来一段时间内的研究热点。

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参考文献

1. 白皮书《为下一代电信基础设施寻找有效的虚拟网络体系架构》，https://www.intel.com/content/dam/www/programmable/us/en/pdfs/literature/wp/wp-01273-finding-an-efficient-virtual-network-function-architecture.pdf