使用 SDNet 开发创新型可编程网络

作者：Koji Yamazaki 日本电报电话公司 (NTT)

日本电报电话公司 (NTT) 是一家全球电信集团控股公司，负责制定管理策略和推动研发工作发展。   我们是 NTT 研发部的研究人员，正领导两个针对软件定义网络 (SDN) 和网络功能虚拟化 (NFV) 的创新型项目。针对其中的一个项目，我们已经开发出一个名为 Lagopus 的高性能软件 SDN/OpenFlow 交换机[1]，我们认为这是迄今为止作为开源软件发布的 OpenFlow 1.3 兼容交换机中的佼佼者。针对第二个项目，我们开发出一个具有软件包处理感知功能的 40 Gbps FPGA 网络接口卡 (NIC)——Lagopus FPGA。
早期阶段采用赛灵思面向网络的 SDNet? 软件定义规范环境，是我们能够成功开发这些技术的关键所在。在本文中我们将介绍如何使用 SDNet 满足我们的项目目标。

实现 SDN/NFV 卓越性能的 LAGOPUS FPGA
云服务供应商和网络服务运营商正在转向采用 SDN，将其作为自动配置系统的关键支持技术。NFV 通过将网络系统从专有硬件设备转变为商用硬件系统，充分运用 PC 服务器、基于商用芯片的交换机和软件工具，在帮助电信运营商降低资本支出和运营支出方面起着至关重要的作用。许多云服务提供商和电信运营商将为其新一代商用网络部署 SDN 和 NFV。
NTT 集团是商业服务和研发领域的 SDN 和 NFV 领跑者。在日本总务省的自助下，NTT 已经启动一项与先进 SDN/NFV 相关的研究工作——O3 项目。
Lagopus 是 O3 项目的主要可交付成果，其结合使用开放网络基金会 (Open Networking Foundation) 的 OpenFlow 1.3 协议、商用英特尔 x86 服务器和商用 NIC,可实现高性能软件包处理和灵活的流程控制。  Lagopus 的主要优势有：能在商用服务器上实现超过 10Gbps 的高性能软件包处理、高达百万流量输入的弹性网络流控制、针对虚拟提供商边缘 (vPE)/虚拟客户端设备 (vCPE) /虚拟演进分组核心网 (vEPC) 框架的可扩展流程分配器。Lagopus FPGA 项目旨在通过在运行于商用服务器上的 FPGA 上灵活地对软件加速和硬件加速功能进行分区，实现 40/100Gbps 的高性能包处理。图 1 显示了 Lagopus FPGA 的概念和架构。这种灵活的架构能借助 FPGA 加速并以纯软件实现方式将 Lagopus 交换机的 10Gpbs 线速提高到 40Gbps 线速。这一性能提升的代价仅仅是 x86 CPU 的功耗增大不到 10%。该架构还能极大地增强我们的网络故障排除能力，这对真正虚拟化的网络有实质性意义。目前,我们正在使用先进的 FPGA 和设计工具联合为 Lagopus 和网络运营商的原始硬件知识产权 (IP) 设计一种先进的软件可编程数据层面，其目的不仅是获得更高的系统性能，也是为降低功耗和成本。通过与赛灵思团队合作，我们已经在基于赛灵思 Virtex?-7 All Programmable FPGA 的 80Gbps NIC 演示板上成功集成了 Lagopus 和我们的 IP。2015 年 2 月，我们在东京举办的 NTT2015 年研发论坛上首次演示了 Lagopus FPGA。同年 8 月，我们还在加州库比蒂诺举办的 Hot Chips 27 大会上展示了我们的卓越成功。
我们使用 SDNet 开发环境创建 Lagopus FPGA 系统。这种新颖的动态可重编程数据层面包处理工具链让我们能够在不影响性能的情况下，把数据包分类、编辑、搜索、负载均衡和统计测量等高强度数据层面运算转交给 FPGA NIC 处理（均在 10/40/100GbE 千兆位级以太网线速下实现)，为 Lagopus 和 NFV 应用提速。我们认为这是我们项目的最佳解决方案，可增强 SDN/NFV 技术的关键组成部分——分类 IP 的功能。该环境的快速可重配置包流水线功能让我们能够迅速方便地更新网络协议和功能。
SDNet 环境涵盖云计算数据中心和广域网中丰富多样的用例，从而扩大了 Lagopus FPGA 的使用潜力。对 NTT 而言，这种灵活、软件定义硬件设计技术能实现差异化网络业务的灵活部署。

SDNet 环境奠定设计基础
随着新兴市场上 SDN/NFV 技术竞争日趋激烈，Lagopus FPGA 项目的一大设计挑战是在紧凑的开发期内完成开发，以如期进行部署和推广。我们从 2014 年 10 月开始设计 Lagopus FPGA 系统，三个月后，即在 2015 年 1 月完成首次集成。