以太轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)的困境

衡量交換機(jī)性能的指標(biāo)很多，如吞吐量、延時(shí)、可管理性、安全性等，而其中最本質(zhì)的一點(diǎn)，則是交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)。

從多年前的十兆到百兆、千兆直至萬兆，以太網(wǎng)交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)能力在飛速發(fā)展，而ASIC芯片則是為以太交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)能力提供源動(dòng)力的核心。隨著視頻、移動(dòng)、BYOD、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，以太網(wǎng)本身也在發(fā)生巨變。這種變化體現(xiàn)在以太網(wǎng)不僅要具備大規(guī)模轉(zhuǎn)發(fā)能力，且網(wǎng)絡(luò)本身要具備彈性、智能控制、管理簡易等特性，這就要求以太網(wǎng)交換機(jī)的功能要進(jìn)行靈活、敏捷的擴(kuò)充。目前，雖然交換機(jī)的功能已經(jīng)由最初的僅二層交換發(fā)展到全面支持路由交換，但需求仍然集中在為企業(yè)終端提供聯(lián)通性方面，不能滿足云計(jì)算下新業(yè)務(wù)的快速變化，其根本原因就在于ASIC芯片只能識(shí)別預(yù)先定義的協(xié)議類型且轉(zhuǎn)發(fā)流程固定。

ASIC的先天缺陷：固定架構(gòu)無法隨需應(yīng)變

圖1: ASIC芯片組成架構(gòu)

ASIC面臨的最大挑戰(zhàn)，就是無法靈活擴(kuò)展。因?yàn)锳SIC只能解析預(yù)先定義的應(yīng)用協(xié)議，如果要支持新的應(yīng)用協(xié)議，模塊內(nèi)的數(shù)字電路必須重新設(shè)計(jì)，對(duì)芯片來說哪怕是增加一個(gè)寄存器，整個(gè)芯片就需要重新設(shè)計(jì)。這意味著，每新增一項(xiàng)業(yè)務(wù)就需要新增一個(gè)模塊，也就意味著整個(gè)芯片需要從頭再來。而一個(gè)芯片從設(shè)計(jì)到樣片返回，再從樣片測試到設(shè)備上市一般需要兩年以上的時(shí)間，這種開發(fā)模式阻礙了設(shè)備廠商對(duì)業(yè)務(wù)的快速響應(yīng)。

于是，市場上就應(yīng)運(yùn)而生一種ASIC的替代方案——商用NP。那么，商用NP是否能夠補(bǔ)上ASIC的短板，成為一種理想的以太網(wǎng)交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)核心呢?

商用NP：編程靈活，功耗較高

圖2: NP芯片組成架構(gòu)

商用NP一般由五個(gè)部分組成：NPU、指令Memory、Table Memory(片內(nèi))、Packet Memory(片內(nèi))和Table DRAM(片外)。這種設(shè)計(jì)思路使每個(gè)模塊的靈活性得到了提高，但是，在實(shí)際部署業(yè)務(wù)時(shí)，需要細(xì)致地考慮如何進(jìn)行業(yè)務(wù)流程切分，而每個(gè)NPU組的指令空間都是有限的，如果某個(gè)指令空間即將耗盡，則無法支持新的業(yè)務(wù)。如果業(yè)務(wù)切分不好，則會(huì)導(dǎo)致某些NPU組負(fù)載過重，產(chǎn)生業(yè)務(wù)處理瓶頸，所以實(shí)際上NP芯片的總體靈活性并沒有比ASIC提高多少，總體性能仍然不能令人滿意。

可編程ASIC的誕生，雖然在一定程度上緩解了業(yè)務(wù)擴(kuò)展性的迫切需求，但可編程ASIC無法實(shí)現(xiàn)完全可編程，只能算是一個(gè)過渡方案。到底是繼續(xù)發(fā)展ASIC，還是采取其他的技術(shù)?交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)芯片的前進(jìn)之路究竟在何方?

ENP：性能和靈活性的完美結(jié)合

ASIC性能高、功耗小，但架構(gòu)固化不靈活，無法適應(yīng)企業(yè)IT應(yīng)用的快速發(fā)展;商用NP雖然靈活，但性能和功耗卻成為瓶頸。針對(duì)這種現(xiàn)狀，華為公司立足于二十多年芯片研發(fā)積累，開創(chuàng)性地推出了以太網(wǎng)絡(luò)處理器ENP，其性能和功耗比平ASIC，同時(shí)具有商用NP的靈活性，是性能和靈活性的完美結(jié)合。該芯片具有以下一些卓爾不群的特點(diǎn)：

圖3: ENP芯片組成架構(gòu)

1、 完整的指令空間與硬加速，克服了商用NP的性能短板

ENP中的NPU與商用NP中的NPU有所不同，可訪問完整的指令空間，因此每個(gè)NPU組都能執(zhí)行從Parse到Modify的任何指令。這樣就不需要像商用NP那樣，將業(yè)務(wù)處理切分到不同的NPU組上，節(jié)省了開發(fā)過程，可以快速開發(fā)出新業(yè)務(wù)。另外，ENP采用了多線程技術(shù)，有效降低了IO訪問延時(shí)對(duì)NPU性能的影響。

2、 華為SmartMemory，解決了內(nèi)存訪問的性能瓶頸

商用NP或商用ASIC在架構(gòu)上將計(jì)算與存儲(chǔ)嚴(yán)格分離開來，導(dǎo)致計(jì)算邏輯單元與存儲(chǔ)單元物理距離增大，計(jì)算單元和存儲(chǔ)單元交互增多，進(jìn)而導(dǎo)致訪問延時(shí)大，功耗高。如果多個(gè)源對(duì)同一地址進(jìn)行讀寫操作，為保證數(shù)據(jù)的一致性，必須鎖存地址，這樣很容易形成訪問瓶頸。針對(duì)這種情況，華為ENP集成了SmartMemory，讓存儲(chǔ)單元集成了一些計(jì)算和判斷處理的能力，用以減少主計(jì)算單元與SmartMemory之間的操作交互，大大提高了計(jì)算單元與存儲(chǔ)單元之間的訪問效率。

另外，SmartMemory還集成了華為自研的查找算法引擎(Search Engine)、協(xié)處理器(Co-Processor)和流量管理器(Traffic Management)，囊括了商用NP或ASIC對(duì)內(nèi)存操作的所有算法，如查找、運(yùn)算、讀寫等等，可以被ENP任何功能單元(如流量限速、統(tǒng)計(jì))所調(diào)用。

3、 百萬級(jí)別流表，全面支持Hybrid Openflow

基于Hybrid Openflow的SDN網(wǎng)絡(luò)方案，采用Openflow和傳統(tǒng)路由雙平面來進(jìn)行不同的轉(zhuǎn)發(fā)控制，用于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)向SDN進(jìn)行過渡。通過可編程的方式和高達(dá)16M的流表資源，基于ENP的交換機(jī)可同時(shí)支持Openflow和傳統(tǒng)以太數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)，幫助用戶實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)向SDN的遷移 。

4、 先進(jìn)的降功耗措施使得ENP具有和ASIC比平的能耗表現(xiàn)

ENP可以從三個(gè)方面降低設(shè)備功耗。

首先，ENP集成度高，一個(gè)ENP可完成多個(gè)芯片的功能。交換機(jī)的功耗主要來源于設(shè)備內(nèi)的芯片，芯片數(shù)量越多整機(jī)的功耗就越高。一般來說，完成大表項(xiàng)和大緩存功能需要用分離的兩個(gè)芯片來完成，一個(gè)完成轉(zhuǎn)發(fā)，另一個(gè)用于報(bào)文緩存。而華為ENP將兩顆芯片集成為一顆芯片，有效地降低了功耗。

其次，通過業(yè)界先進(jìn)的電壓控制器來減少靜態(tài)功耗。芯片的功耗由兩部分組成，一部分是靜態(tài)功耗，另一部分是動(dòng)態(tài)功耗，前者占總體功耗的40%，后者占60%。靜態(tài)功耗與晶體管工作電壓成正比，晶體管工作電壓可根據(jù)各芯片在加工過程中形成獨(dú)特的電氣屬性來調(diào)整。

最后，可通過改變晶體管工作電壓和時(shí)鐘頻率來降低動(dòng)態(tài)功耗。ENP集成華為獨(dú)創(chuàng)的測速器，可以檢測芯片內(nèi)部流量，自動(dòng)調(diào)整工作時(shí)鐘頻率。例如原有的時(shí)鐘頻率是400MHz，若降低到300MHz，則動(dòng)態(tài)功耗會(huì)降低到原有的75%。另外，當(dāng)流量減少時(shí)，還可以關(guān)閉空閑的NPU組來減少功耗。

選擇ENP 選擇未來

以太網(wǎng)在向更敏捷、更智能、更安全、更高速、更高服務(wù)品質(zhì)的方向持續(xù)演進(jìn)，新一代以太網(wǎng)產(chǎn)品和技術(shù)山雨欲來，靈活敏捷、智能應(yīng)對(duì)業(yè)務(wù)需求是新一代以太網(wǎng)絡(luò)的核心競爭力。