摘要：基于主機的網絡包括了諸如網絡虛擬化、安全性、負載平衡和遙測等網絡功能的實現。軟件定義的網絡（SDN）和網絡功能虛擬化（NFV）則是建立在基于主機的網絡基礎之上的，旨在運行在配備了通用的x86 CPU和網絡適配器(NICs)的商用現成(Commercial Off-The-Shelf，COTS)硬件設備上。但是，這樣的配置是否能夠當服務器在被用來作為計算機或服務節點時，帶來真正有效的執行及峰值價格/性能呢？廣泛的測試已然為此提供了一個明確的答案：否。

通用的CPU一般都不是專為高性能的基于主機的網絡而設計的，這會導致CPU周期(和內核)以一個非常高的比例被原本可以被卸載到一個智能服務器適配器的網絡任務所消耗。在關鍵的用例中，使用這種智能服務器適配器能夠提供超過20倍的整體價格/性能改善。

在本系列文章中，我們將分三部分為大家深入剖析在基于主機的網絡應用程序采用通用CPU的相關優勢和缺陷，并將探討當前被應用于智能服務器適配器的各種不同的技術。

基于主機的網絡的擴散

基于主機的網絡已然在業界引發了相當大的興趣。其已被廣泛部署在大型云計算數據中心，以顯著提高效率，并加快創新的步伐。諸如虛擬化、安全、負載均衡和遙測等先進的網絡功能已經遠離了如交換機和專用設備等網絡基礎設施設備，并已然通過在COTS服務器上使用軟件付諸實施了。虛擬交換機的數據路徑、虛擬網絡功能(VNFs)及其它操作系統的數據路徑元素，如IP表格便是這類軟件應用程序的例子。這種方法所帶來的優點是雙重的。首先，它簡化了網絡基礎設施，其現在可以在服務器之間處理簡單的任務，而更復雜的功能是在終端實現，從而導致更有效的規模化縮放。其次，利用基于軟件的數據路徑類似于SDN，從而實現了快速創新和新功能的推出。

事實上，當前基于主機網絡的領頭羊們——即大型數據中心運營商，長期以來一直致力于網絡的發展，這也是最自然的了。而在服務器方面，運營商能夠完全控制網絡協議堆棧。當然，網絡進化到接近應用程序實際使用網絡運行的地方，這是非常合情合理的。

隨著虛擬機(VMs) 在云計算基礎設施中越來越多地使用，在服務器中靠近虛擬機的虛擬交換機已經成為一大創新的重點。更具體地說，虛擬交換機的數據路徑處理流量或數據包到虛擬機中的應用程序已成為一個領域，而在該領域，基于主機的網絡已經看到其大部分成功或將時指日可待了。下圖1描述了這樣的一款虛擬交換機的數據路徑，其是基于x86服務器的。此處所存在的機遇是獲得SDN和NFV的本質，其它們所承諾為全球數據中心帶來的包括運營支出和資本支出的巨大節約。　　

　　圖1：基于主機的網絡使用虛擬交換機數據路徑。

因為虛擬交換機數據路徑是在軟件中實現的，并且是運行在熟悉的和無處不在的基于x86的CPU環境下，數據中心運營商們已經能夠自由地添加新的功能，并在其生產部署過程中快速的推出了。這樣的一種新功能，涉及到多租戶網絡虛擬化的網絡隧道(Tunnelling)，這也演變成最初在大型數據中心內部的各種形式，而且直到最近才被跨行業的諸如虛擬可擴展局域網(VXLAN)和網絡虛擬化使用通用路由封裝(NVGRE)等標準化所規范。

其他最近的創新包括了專有的和開源的虛擬交換機領域(如Open vSwitch)，涉及到網絡虛擬化和流量工程的新的網絡隧道技術，以及更快的，用于實現更具可擴展性的處理匹配操作規則，以執行應用程序和用戶訪問管理政策。未來的增強功能可能包括使用Linux連接跟蹤，先進的負載均衡或流量跟蹤，提供直通轉發技術(cut-through)或數據路徑的加速處理，以確保狀態安全。如圖2所示。

　　圖2：不斷發展的具有新功能的虛擬交換機的數據路徑。

除了虛擬交換機，其他形式的基于主機的網絡也在不斷發展。例如，基于層的方法，包括虛擬路由器，如瞻博網絡公司的開源版open-source Contrail解決方案，或open-source Project Calico解決方案。

基于主機的網絡的影響

在主機軟件上實現復雜的網絡相關處理的需求將會需要大量的x86 CPU周期。當然，這一需求也導致了可用于虛擬機、VNF和其他應用程序的CPU周期的減少。CPU周期對于網絡處理的要求是隨著數據速率的不斷增長而急劇增加的，如從今天10GbE服務器連接過渡到25、40和50GbE的連接，以及越來越多的租戶，使得每臺服務器的虛擬機需要處理更多的網絡隧道、服務和安全政策。而隨著部署container容器替代虛擬機，這種情況只會加劇。

想象一個相對簡單的借助基本的安全匹配策略，處理網絡虛擬化隧道終端的例子，其可能消耗多達四個Intel Xeon級CPU核心，而在一個10GbE只能實現50%的數據傳輸速率。對于CPU的需求是更復雜的基于主機的網絡功能，而在未來幾年，隨著服務器連接轉移到25、40和50GbE的網絡，這個問題會顯著的變得更糟。圖3顯示了一個典型的數據路徑處理方案的例子，其每美元和每瓦吞吐量(功率)的效率均降低。　　

圖3：從軟件進行數據路徑處理產生的每美元的吞吐量和每瓦(功率)的吞吐量的下降。

基于主機的網絡部署中還有兩大額外的影響。首先，在網絡交換基礎設施對于部署復雜的安全性和擁塞管理政策在可擴展的每款應用程序和每位用戶的基礎上對于智能情報的需求顯著降低。而由于相對于硅技術的物理規律使得在交換硅有效實現復雜的策略管理變的很難，這一效果變得特別有用，同時也為多個太比特每秒的數據包處理增加了帶寬，提供了最低的端到端的延遲時間。在數據中心的交換基礎設施的這種簡化方便了對于所謂的“白盒”交換機與分類聯網操作系統的采用，從而大大節約了資本和運行成本。

第二大影響是對于網絡設備而言的。例如負載均衡和防火墻的部署實施。隨著網絡基礎設施的簡化，數據中心運營商對于開發和部署新的功能的控制欲的增強，對基于COTS服務器的應用程序的訴求越來越多。這些“超級服務器”實現了最苛刻的網絡功能，有時也被稱為服務節點或網絡節點，特別是對于那些運營商們而言。當然，許多的這些相同的網絡功能也可以在分布式計算節點使用基于主機聯網的元素實現，如內核網絡堆棧和虛擬交換機數據路徑。

基于主機的網絡硬件加速的出現

在服務器中，基于硬件的網絡加速功能并不是新事物。新一類的服務器適配器已經有了周期性地發展，通過在服務器增加數據速率和復雜的網絡功能來驅動。例如，當無卸載網絡功能需求變得重要時，對于新一類的1Gb以太網服務器適配器的需求也會變的重要。對于諸如校驗和卸載等簡單功能的支持將演變成更先進的支持，如大型發送卸載、接收端縮放和其他功能，而這是由保護日益減少的服務器CPU周期的實際需要所驅動的。

隨著10GbE網絡的采用，這種特定的應用程序加速和卸載已變得更加普遍。其結果是，應用程序優化的服務器適配器實現了更廣泛的應用。這方面的例子包括存儲區域網(SAN，storage area network)使用互聯網小型計算機系統接口(iSCSI)和光纖通道以太網(FCoE)優化的適配器，以及高性能計算和集群存儲優化的適配器，使用內核旁路和遠程直接內存訪問(RDMA)卸載技術，如iWARP和RoCE (RDMA over Converged Ethernet) 。

最近，隨著10, 25, 40和50GbE速率的基于主機的網絡的迅速崛起，服務器適配器被稱為智能服務器適配器或網絡數據路徑加速的SmartNICs變得越來越重要。這樣的適配器被稱為智能，因為他們為兩大領域帶來了最好的性能：它們促進了基于硬件的加速;提升了服務器的效率，但他們也能夠迅速發展，這是一大保持與軟件創新的步伐協調一致的相當關鍵的新功能。

本系列文章的第二部分，我們將與大家探討被用于基于主機的網絡應用程序的智能服務器適配器設計的三大基本技術，其為提供最佳的價格/性能的解決方案提供了指導。

關于作者

本文作者Nick Tausanovitch擁有電子和網絡相關行業超過25年的經驗，從業的范圍涵蓋了從FPGA和芯片設計到系統架構和產品營銷。Nick目前是Netronome公司解決方案架構資深總監，他主要負責該公司的數據中心應用程序企業智能服務器適配器產品。此前，他曾負責Broadcom公司的高端網絡處理器產品線。在此之前，Nick曾擔任IDT公司的電子設計主管，在那里他開發了TCAMs和搜索引擎算法。并曾在Nortel公司擔任過系統架構師，負責開發交換機、路由器和網絡處理器。Nick持有羅切斯特大學的電氣工程科學學士學位及紐約大學理工學院電氣工程碩士學位。