從2015年到2021年，移動(dòng)數(shù)據(jù)流量將增長高達(dá)10倍以上。數(shù)據(jù)和新服務(wù)的需求大量涌現(xiàn)，數(shù)據(jù)和需求的來源不僅來自智能手機(jī)，還保留物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備。電信運(yùn)營商需要通過提供更快更新的服務(wù)來增強(qiáng)競爭力，尤其是隨著5G的采用，電信運(yùn)營商目前正在著手構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)基礎(chǔ)設(shè)施必須滿足這種迫在眉睫的需求。電信運(yùn)營商目前面臨的一個(gè)根本挑戰(zhàn)是，以***的NFV基礎(chǔ)設(shè)施成本提供最多的創(chuàng)新服務(wù)。

Figure 1 – Mobile data traffic growth driven primarily by video, gaming, data, and IoT applications

敏捷高效的服務(wù)器基礎(chǔ)設(shè)施是關(guān)鍵

服務(wù)器是NFV基礎(chǔ)設(shè)施的核心模塊，它承載了虛擬機(jī)(VM)中運(yùn)行的web、業(yè)務(wù)邏輯、網(wǎng)絡(luò)和安全的應(yīng)用程序。他們是運(yùn)營商向移動(dòng)設(shè)備和IoT設(shè)備以及用戶提供的服務(wù)和獲取收入來源，每個(gè)月有超過60%的數(shù)據(jù)中心的成本花費(fèi)在這些服務(wù)器以及相關(guān)的電力和冷卻上。因此，提高NFV基礎(chǔ)設(shè)施中每個(gè)服務(wù)器的效率是電信運(yùn)營商首要關(guān)注的，其次是使用云編排工具(如OpenStack)管理服務(wù)器相關(guān)的運(yùn)營效率。

Figure 2 – Server monthly costs based on 3-year server and 10-year infrastructure amortization.

影響服務(wù)器性能的因素

為了提供必要的服務(wù)，VM以及其中運(yùn)行的應(yīng)用程序，需要在服務(wù)器中訪問足夠的資源，例如CPU核心、內(nèi)存、存儲、安全策略規(guī)則、網(wǎng)絡(luò)帶寬和分析處理等。基于它們在NFV基礎(chǔ)設(shè)施中托管的應(yīng)用程序，VM根據(jù)其資源需求有不同的配置文件，一些VM是計(jì)算密集型的，一些是內(nèi)存密集型的，另外一些是I/O密集型的。

VM需要安全和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，這些服務(wù)是通過OpenStack網(wǎng)絡(luò)管理的虛擬交換機(jī)(如Open vSwitch，OVS)或虛擬路由(如Contrail vRouter)提供的。他們需要報(bào)告實(shí)時(shí)分析，在大多數(shù)情況下，虛擬交換機(jī)或虛擬路由代表VM收集分析數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)報(bào)告給中央分析處理引擎。

當(dāng)使用傳統(tǒng)的服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(如10/25/40 Gb以太網(wǎng)網(wǎng)卡(NIC))時(shí)，使用虛擬交換機(jī)或虛擬路由提供安全、網(wǎng)絡(luò)和分析服務(wù)可消耗高達(dá)12個(gè)CPU內(nèi)核。對于互聯(lián)網(wǎng)混合(IMIX)流量，向VM傳輸?shù)腎/O吞吐量被限制到低于6 Gb/s。來自移動(dòng)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的流量在到達(dá)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)檫B接和連接建立速率(connection setup rates)。在這些情況下，連接建立速率(connection setup rates)被限制到每秒5000個(gè)，消耗12個(gè)額外CPU核心，在服務(wù)器軟件中處理連接建立邏輯。因此，計(jì)算密集型虛擬機(jī)無法獲得所需的CPU核心，而網(wǎng)絡(luò)密集型虛擬機(jī)無法獲得他們所需的I/O吞吐量。結(jié)果是服務(wù)器效率很差，其中每個(gè)服務(wù)器的輸出減少到預(yù)期值的六分之一。

服務(wù)器基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營效率

有一個(gè)常識是管理很多相同的事物比管理不同事物的孤島容易的多，OpenStack管理的同構(gòu)服務(wù)器是NFV基礎(chǔ)設(shè)施或任何數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的理想選擇。使用服務(wù)器中的傳統(tǒng)NIC(或商用NIC)，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的同質(zhì)性目標(biāo)。然而，這樣做的后果是每個(gè)服務(wù)器的效率被降到***。當(dāng)傳統(tǒng)網(wǎng)卡與基于軟件的虛擬交換機(jī)或虛擬路由搭配使用時(shí)，只能使用專用網(wǎng)絡(luò)配置滿足特定虛擬機(jī)配置文件的需求。

例如，一個(gè)需要低I/O吞吐量的VM可以用來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)配置，在其內(nèi)核中執(zhí)行基于軟件的虛擬交換機(jī)或虛擬路由器，并且為這樣的處理分配四到六個(gè)CPU核心。在另一種情況下，使用DPDK在用戶空間中執(zhí)行基于軟件的虛擬交換機(jī)或虛擬路由器，并且可以為這樣的處理分配八到十個(gè)CPU核心以向VM提供更高的I/O吞吐量。第三種情況是，可以使用諸如SR-IOV技術(shù)將***I/O吞吐量傳輸?shù)侥承┖啓n的VM。這樣做的優(yōu)勢是，服務(wù)器可以為滿足VM的配置文件需求而配置，缺陷是我們要有不同的服務(wù)器配置。VM不能自由放置和移動(dòng)，這些缺陷影響了NFV服務(wù)器基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)營效率。

Figure 3 – Network configuration silos resulting in significantly reduced operational efficiencies

智能NIC時(shí)代到來

無論是為了提高每個(gè)服務(wù)器的效率，還是整個(gè)數(shù)據(jù)中心和NFV基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)營效率，智能網(wǎng)卡(SmartNIC)都能為這些問題提供解決方案。智能網(wǎng)卡(SmartNIC)是可編程的網(wǎng)卡，針對COTS(common off-the-shelf)服務(wù)器和基于開源部署進(jìn)行了優(yōu)化，使用***版本的Open vSwitch(OVS)和Contrail vRouter提供完整的OpenStack管理解決方案。

在單個(gè)服務(wù)器效率方面，智能網(wǎng)卡可以將每臺服務(wù)器的輸出提高6倍，從而帶來以下優(yōu)勢：

• 節(jié)省10個(gè)以上CPU核心
• 5倍以上I/O吞吐量，同時(shí)保持OVS和Contrail vRouter提供的豐富的聯(lián)網(wǎng)服務(wù)
• 20多倍的連接建立速率
• 提高10倍以上的實(shí)時(shí)分析的價(jià)格/性能

此外，智能網(wǎng)卡還支持統(tǒng)一的OpenStack管理的COTS服務(wù)器基礎(chǔ)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)用戶虛擬機(jī)和第三方虛擬網(wǎng)絡(luò)功能(VNF)的無縫和快速入門，同時(shí)保持完整的虛擬機(jī)移動(dòng)性。因此，使用智能網(wǎng)卡可顯著提高整個(gè)數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營效率。