利用SoC芯片驅(qū)動(dòng)軟網(wǎng)絡(luò)

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和智能設(shè)備的發(fā)展，極大改變了人們使用網(wǎng)絡(luò)的方式。智能設(shè)備讓人們可以隨時(shí)隨地互相協(xié)作和交流。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)用戶行為的特點(diǎn)是渴望新內(nèi)容，特別是位置感知內(nèi)容、社交網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)、照片分享、發(fā)帖和流媒體視頻。與顯而易見的消費(fèi)類帶寬爆炸式增長一起發(fā)展的是，“物聯(lián)網(wǎng)”的興起。在“物聯(lián)網(wǎng)”中，利用機(jī)器與機(jī)器(M2M)之間的通信來監(jiān)測控制并自動(dòng)化一切，從工業(yè)控制到安全監(jiān)控。大多數(shù)這種M2M數(shù)據(jù)傳輸量都很小(視頻傳輸除外)，但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)需要跟蹤大量設(shè)備時(shí)，網(wǎng)絡(luò)總?cè)萘繒?huì)受影響。這些發(fā)展趨勢正在共同重塑提供內(nèi)容和機(jī)器到機(jī)器交換功能的電信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和應(yīng)用服務(wù)器。

網(wǎng)絡(luò)需求的急增給今天的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施帶來沉重的負(fù)擔(dān)，要求大規(guī)模升級(jí)和增加建設(shè)投入，才能勉強(qiáng)維持當(dāng)前的用戶體驗(yàn)。為了解決這個(gè)問題，我們需要更加強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，以實(shí)現(xiàn)更軟性、更動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)。下面我們將研究一些基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)技術(shù)，這些技術(shù)能夠提供支持未來軟網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的計(jì)算能力、網(wǎng)絡(luò)接入、帶寬、性能以及經(jīng)濟(jì)性。

網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢

互聯(lián)網(wǎng)從根本上重塑了今天的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。再也沒有單獨(dú)的語音和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)是所有交流的主要協(xié)議。電信核心網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和固定線路網(wǎng)融合。無線網(wǎng)絡(luò)正從宏主導(dǎo)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向多機(jī)種網(wǎng)絡(luò)(HetNet)，其由各種規(guī)模的蜂窩網(wǎng)絡(luò)組成，目的是提高其覆蓋范圍和容量?；谠频囊恍┘夹g(shù)正推動(dòng)應(yīng)用設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)中心建設(shè)的復(fù)興。云技術(shù)甚至被看作是基于磁場的無線電接入網(wǎng)絡(luò)(CRAN)的替代解決方案。網(wǎng)絡(luò)的固定線路部分正越來越多地改為光纖傳輸，而數(shù)據(jù)中心連接也被以太網(wǎng)所主導(dǎo);轉(zhuǎn)向40/100Gbps，可提供目前和未來應(yīng)用所需的容量。深入研究使用網(wǎng)絡(luò)的新方式，給一些領(lǐng)域帶來明顯的變化。

首先，視頻傳輸現(xiàn)在很普遍，且并不僅限于YouTube流媒體。視頻聊天和實(shí)況賽事在線轉(zhuǎn)播變得更為普遍。它帶來的影響是，上游的實(shí)時(shí)視頻容量大大高于以前。傳統(tǒng)的不對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)的下行數(shù)據(jù)吞吐量大大高于上行數(shù)據(jù)吞吐量，這將阻礙上行數(shù)據(jù)傳輸，并降低實(shí)時(shí)視頻性能。用戶觀看視頻(或其他內(nèi)容)時(shí)使用的設(shè)備屏幕分辨率不同，處理能力各異。這就需要基于網(wǎng)絡(luò)或者數(shù)據(jù)中心對(duì)視頻內(nèi)容進(jìn)行速率轉(zhuǎn)換和編碼轉(zhuǎn)換，以管理網(wǎng)絡(luò)帶寬，并實(shí)現(xiàn)流暢的用戶播放體驗(yàn)。

其次，M2M連接與無線傳感器結(jié)合便搭建起“物聯(lián)網(wǎng)”，產(chǎn)生實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并允許通過互聯(lián)網(wǎng)對(duì)各種設(shè)備的信息進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和處理。與下行大型應(yīng)用占主導(dǎo)不同的是，這些機(jī)器應(yīng)用通常產(chǎn)生向上發(fā)送信息或者點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信息，會(huì)給網(wǎng)絡(luò)帶來更大的壓力。過去，這些系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)采集(SCADA)網(wǎng)絡(luò)均為單獨(dú)、私有網(wǎng)絡(luò)，因此成本高昂。利用互聯(lián)網(wǎng)接入，可降低成本，并開放許多新的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)感知、監(jiān)測和控制。

M2M應(yīng)用擁有更多設(shè)備，需要處理更多事務(wù)。即使數(shù)據(jù)包負(fù)載非常小，累積效應(yīng)也很大，并且在進(jìn)行視頻監(jiān)控時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸量會(huì)非常大。一種替代方案是，使用智能端點(diǎn)和傳感器，對(duì)它們采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后僅發(fā)送異常數(shù)據(jù)。在一些使用視頻分析的視頻運(yùn)用系統(tǒng)中，這特別有效。近場通信(NFC)是另一個(gè)推動(dòng)力，如果諸如自動(dòng)售貨機(jī)、報(bào)亭等零售終端將NFC作為其首選支付系統(tǒng)，它會(huì)產(chǎn)生數(shù)百萬(也可能是數(shù)十億)M2M網(wǎng)絡(luò)附件。

第三個(gè)因素是基于云的應(yīng)用和云計(jì)算的興起。云計(jì)算的挑戰(zhàn)主要是，在耗電量增長不會(huì)影響該商業(yè)模型的盈利的情況下，如何加大數(shù)據(jù)中心的規(guī)模。云數(shù)據(jù)中心需要大量的并聯(lián)高性能處理器，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用處理和大容量數(shù)據(jù)包處理。今天，這些數(shù)據(jù)中心的計(jì)算平臺(tái)均使用標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器，但隨著使用云服務(wù)的用戶越來越多，數(shù)據(jù)中心需要擴(kuò)容。新的發(fā)展趨勢是，使用專用處理器來幫助擴(kuò)大規(guī)模。相比通用性處理器，它提供處理性能的成本更低，功耗更低。通常采用專用處理器需對(duì)應(yīng)用進(jìn)行細(xì)分，這要求更多更優(yōu)的內(nèi)部服務(wù)器通信。鑒于這個(gè)原因，應(yīng)在可能的情況下，把專用應(yīng)用處理與數(shù)據(jù)包處理和大容量網(wǎng)絡(luò)切換集成在一起。

對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)產(chǎn)生的影響

以前，互聯(lián)網(wǎng)為網(wǎng)頁瀏覽模型而建，向上請(qǐng)求較少，而向下發(fā)送卻爆炸式增長。新的數(shù)據(jù)傳輸模式開始利用私有和公共云應(yīng)用。數(shù)據(jù)中心被重新設(shè)計(jì)，用于處理全球的需求，并把分析學(xué)應(yīng)用于“大數(shù)據(jù)”。如前所述，數(shù)百萬智能設(shè)備通過互聯(lián)網(wǎng)連接，組成許多M2M網(wǎng)絡(luò)，其通常與無線傳感器相結(jié)合。隨著這種網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，設(shè)備種類和數(shù)據(jù)負(fù)載隨之增加，傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)(建立在交換機(jī)和路由器基礎(chǔ)上，使用客戶端服務(wù)器組網(wǎng)模型)將受到挑戰(zhàn)。依賴于放置在各個(gè)不同地點(diǎn)的許多不同硬件交換機(jī)和專有路由器的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸變得很難管理。另外，它還會(huì)降低網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速度，降低可靠性和安全性，并增加成本。因此，需要徹底修改帶寬不對(duì)稱的傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)客戶端服務(wù)器模型。IP會(huì)仍會(huì)是一種主要協(xié)議，但是主動(dòng)軟件管理控制且與處理資源聯(lián)系更緊密的基于流的網(wǎng)絡(luò)，將會(huì)更有利于大容量“東-西”連接。這需要一種更加開放的網(wǎng)絡(luò)，即一種“更軟性”的網(wǎng)絡(luò)，其數(shù)據(jù)傳輸管理和路由均基于流，并且可通過軟件控制。

用于未來網(wǎng)絡(luò)的最佳SoC方法

今天，大多數(shù)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和處理服務(wù)器均為單獨(dú)開發(fā)。過去2年，無線基站開始從這種樣式轉(zhuǎn)向基于片上系統(tǒng)(SoC)的模型。這個(gè)行業(yè)正迅速朝著一個(gè)方向發(fā)展：數(shù)據(jù)中心的專用處理元件與網(wǎng)絡(luò)處理和交換需更加緊密。這種發(fā)展趨勢表明，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和服務(wù)器將采用為基站所接受的SoC策略。

利用為不同應(yīng)用而優(yōu)化的SoC方法，可為網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新提供強(qiáng)大的硬件基礎(chǔ)。最佳的SoC解決方案必須為特定的任務(wù)選擇正確的處理器，而非一種適用于所有應(yīng)用的設(shè)計(jì)。例如，為了提高效率和降低功耗，一種有效的方法是：選擇低功耗ARM，實(shí)現(xiàn)通用控制處理，而非高功耗通用服務(wù)器處理器;使用低功耗數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，用于高效視頻和圖形處理。同時(shí)集成了ARM RISC內(nèi)核和DSP內(nèi)核的SoC，是專用服務(wù)器應(yīng)用(通用服務(wù)器的補(bǔ)充)的理想選擇。

把高速、大數(shù)據(jù)吞吐量、靈活和智能的網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)集成到處理SoC中，讓可升級(jí)網(wǎng)絡(luò)解決方案提高了一個(gè)層次。另外，也可以把專用硬件加速器集成到SoC中，目的是提高數(shù)據(jù)包和網(wǎng)絡(luò)安全處理，以降低延遲性和軟件復(fù)雜度。當(dāng)可調(diào)數(shù)據(jù)吞吐量范圍為1-100Gbps時(shí)，以太網(wǎng)可為數(shù)據(jù)中心的外部網(wǎng)絡(luò)和內(nèi)部服務(wù)器通信提供一種理想的互連解決方案。作為一種標(biāo)準(zhǔn)化且被廣泛采用的互連解決方案，以太網(wǎng)可與其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行無縫互操作。把以太網(wǎng)交換機(jī)集成到SoC中，可降低系統(tǒng)成本，縮小系統(tǒng)體積。利用新興的軟件定義網(wǎng)絡(luò)，可提高網(wǎng)絡(luò)性能和網(wǎng)絡(luò)可靠性，并增強(qiáng)安全性和可管理性。[!--empirenews.page--]

作為一種重要的軟件定義網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，OpenFlow標(biāo)準(zhǔn)正快速發(fā)展。OpenFlow基于數(shù)據(jù)和控制層分離的概念。過去十年內(nèi)，用于媒體網(wǎng)關(guān)(MGW)控制的電信軟交換機(jī)已成功使用了類似的分離方法。OpenFlow具有開放式以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸交換接口，并且可以集中進(jìn)行數(shù)據(jù)交換管理，而非像今天的網(wǎng)絡(luò)一樣由單個(gè)路由器來決定交換管理。它讓網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商可以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)投資，降低網(wǎng)絡(luò)硬件成本，并實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型新網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和基于流的服務(wù)。

SoC嵌入式網(wǎng)絡(luò)將不斷發(fā)展，以利用外部軟件控制和控制協(xié)議支持OpenFlow，這個(gè)控制協(xié)議是通過運(yùn)用引導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)可配置流表來定義數(shù)據(jù)流的。一旦支持OpenFlow實(shí)現(xiàn)的SoC就位，使用軟件控制網(wǎng)絡(luò)傳輸路由的功能，將讓網(wǎng)絡(luò)管理者能夠部署新的協(xié)議，并增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全性和彈性。另外，網(wǎng)絡(luò)管理者將可以在不對(duì)硬件進(jìn)行大改動(dòng)的情況下，控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋪砉芾矸?wù)質(zhì)量(QoS)。

把以太網(wǎng)交換技術(shù)集成到SoC中，消除了對(duì)于外部交換機(jī)的需求，并降低了硬件成本和復(fù)雜程度，從而實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)擴(kuò)展性。融合了處理和組網(wǎng)功能的SoC解決方案，最終將可提供最高的每瓦特性能和互連帶寬，并為應(yīng)用處理和網(wǎng)絡(luò)容量擴(kuò)展提供一種最佳方法。

下圖為可擴(kuò)展SoC硬件架構(gòu)例子，其揭示了未來網(wǎng)絡(luò)的潛能。

一些新興的SoC解決方案將讓網(wǎng)絡(luò)能夠跟上現(xiàn)在人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量需求的爆炸式增長。強(qiáng)大的SoC型硬件將實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流，而非路由協(xié)議規(guī)則，以動(dòng)態(tài)地控制連接，并確保訪問安全和優(yōu)先順序。數(shù)據(jù)傳輸規(guī)劃和管理將結(jié)合高性能數(shù)據(jù)包處理和交換硬件。這些網(wǎng)絡(luò)組件將與DSP和ARM RISC處理組件一起嵌入，這樣高性能應(yīng)用處理瞬間便可完成。具有諷刺意味的是，恰恰是SoC硬件的發(fā)展推動(dòng)軟網(wǎng)絡(luò)的革命。