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从DPU看未来网络架构的演进趋势

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《Aquila: A unified, low-latency fabric for datacenter networks》

未来DC数据中心的终极目标，是变成一台超级计算机，有着几乎无限的计算能力和存储资源，超大带宽、超低延迟，上面跑无数的虚拟机或者容器之类的云计算平台。谷歌近期发布一篇关于Aquila网络架构的文章，今天我们就顺着最近大热的DPU，来聊聊网络架构。

作为芯片和通讯行业从业者，我们先从承载网聊起（也叫传输网），然后再说数据中心网络，最后对照谷歌Aquila架构，展望一下网络架构未来的演进趋势。

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文 | 半山

从承载网聊起

一般我们说到承载网，是指基站和核心网各网元之间的组网。手机通过空口接入基站，基站通过光纤、交换机，和核心网各网元进行组网，最后通过核心路由器，汇入互联网。如图1所示。从2G时代到5G时代，承载网技术在不断演进，如图2所示。

图1 承载网位置

图2 承载网技术演进路线图（图片来源：无线深海）

SDH主要用在GSM/2G时代的语音承载（也叫CS电路交换，不是那个真人射击游戏CS，而是Circuit Switching），TDM时分复用、双向环状组网、块状帧结构，凭借着极高的服务质量和可管理性，一度统治了传输网，如图3所示。市场经济中，做生意最难的不是生产，而是找到合适、持续的买家来消费。语音时代，就是打电话，需求刚性、稳定、明确，一切都好说。

图3 SDH组网图（图片来源：ITU）

到了3/4G时代，语音通话占比急剧降低，IP业务比重越来越大，原因也不复杂，大家看一下自己打电话、玩微信、刷抖音的时间分配。IP和Eth这俩货，都是秉承着无连接、尽力而为的原则（这两点后面会反复提及），包大小变长、不固定，和SDH的刚性网络格格不入。为了填平这个GAP，MSTP（MSTP = SDH + 以太网 + ATM）、MSTP+被推了出来，给SDH续了十年左右的命。

但随着IP占比逐渐达到压倒性优势，SDH再也凑活不下去了，PTN应运而生。之前看过一个公式，PTN = MPLS + OAM + 保护 - IP，要理解这个公式，咱们得先看看MPLS是啥，如图4所示。

图4 IP与MPLS转发的基本行为对比（图片来源：《图解网络硬件》）

OSI参考模型中，ATM和Eth都位于L2（当然Eth也是有L1物理层规范的），但设计原则、帧结构完全不同。以太帧的原则是变长、无连接、尽力而为，ATM是定长、有连接（其实ATM是TDM技术的一个升级、优化版本），在两者的竞争中，凭借着和IP的设计理念一致，Eth逐渐胜出，现在ATM都不咋用了。

Eth和IP网络中，无连接和尽力而为，是柄双刃剑。在非超低延迟组网中，这个问题不大，交换机根据MAC地址，进行存储转发，路由器根据IP地址和子网掩码，进行最长匹配，而且中高端的Switch和Gateway，目前都是ASIC硬件加速，部分掩盖了QoS和延迟的缺陷。

但在超低延迟组网中，比如5G uRLLC承载和数据中心网络，QoS和延迟是关键指标。既然Eth/IP和ATM各有千秋，业界就搞出了个MPLS。简单来讲，MPLS属于OSI参考模型中的2.5层，向IP提供连接服务，本质是隧道技术的一种，L2可以采用Eth，也可以用其他的层二技术。

传统路由中，分为动态路由和静态路由。动态路由主要由RIP、OSPF、BGP这些路由协议（通过UDP/TCP承载），在Gateway之间同步路由表，实际上是无连接的分布式处理。因为IP网络是M国军方设计的，一开始的目标，就是在极端情况下，各核心部门，依然能够保持通讯畅通，所以分布式、去中心化的设计是必然的。带来的额外负担，就是每个路由器节点，都要维护一个巨大的路由表。如果你仔细阅读谷歌论文，会发现Aquila中，会在TiN中只维护一个小表，这个和MPLS类似。

MPLS架构中，为了建立连接、减少路由表的查找和维护负担，会根据路由协议下发的路由表信息，由边缘路由器节点，生成局部标签，这个Tag就相当于一条虚拟的链接标识，后面MPLS的内部路由器，根据标签直接转发，相当于对路由表进行了提取和抽象，后面直接用即可，所以MPLS和动态路由，还是有很多关联。

PTN公式中的 - IP，实际上就是把MPLS中的动态路由，改成了由控制面的网管，进行统一的配置和下发，同时L2层面，硬件支持OAM PDU帧的解析、处理，这方面借鉴了SDH中丰富的可维护性设计，大家都在互相融合，或者说互相抄袭。

聊聊数据中心网络

聊完运营商的承载网，再来看看数据中心（DC）网络。在这两种网络的组网拓扑中，都可以分为接入层、汇聚层、核心层，只是DC网络的演进更为剧烈。如图5所示。

图5 数据中心网络架构（图片来源：Cisco官网）

通信企业经常说端、管、云协同演进，这里面的端，主要指手机移动终端，管主要指承载网，云要稍微解释一下。

通常意义上，云计算是互联网厂商的领域，毕竟他们的各种业务，比如微信、支付宝、抖音的后端，都是通过PaaS、IaaS这些云计算平台，承载在数据中心机房的一堆服务器上。但实际上，现在核心网的网元，都已经云化了，这一点和互联网厂商是一致的。

早期亚马逊这些互联网巨头，发现他们自家的服务器和云服务，在满足自身业务需求的同时，还有富余，可以对外售卖，这就是目前主流的公有云由来。另外说一句，亚马逊在云计算领域，目前是无可争议的王者，引领各种技术路线的演进。

云计算都是承载在大量的服务器上，这些机器部署在数据中心机房中。本来传统的C/S架构，终端发请求，比如访问某个网站页面，通过承载网、骨干网的一堆交换机、路由器，一路到了数据中心的机房，服务器就给你返回一堆网页数据，终端收到数据后，浏览器引擎解析、展示。

但随着搜索引擎、大数据处理、人工智能这些领域的应用兴起，DC的单台服务器无法满足大量计算和存储的需求，分布式架构成为必然。同时云计算中的热迁移、备份、容灾和隔离需求日渐增多，DC原有的南北向（C/S）和东西向（内部节点之间）流量对比关系发生变化，原有的松耦合带来的通信瓶颈，日趋明显。

这里多说一句存储，在SSD固态硬盘之前，HDD是绝对的主流。受限于物理磁盘的寻道时延，HDD读写延迟早已逼近物理极限，所以那个时候DC内部存储部分的网络时延，都显得问题不大。SSD没有物理磁盘，内部是一堆Flash器件 + 控制器，速度极快，配合专为非易失性存储设计的NVMe和NVMeOF，网络时延从小头变成了大头，木桶效应之下，网络带宽、时延和QoS优化势在必行。

在DPU之前，业界整了一堆技术和解决方案，比如英特尔，他们一直是以处理器为核心，主推DPDK加速，通过用户态驱动，ByPass内核协议栈，中断改为Poll轮询，降低了用户态和内核态的切换开销，以及内存Copy负担，配合一些新增的类似AVX 512的专用指令，但本质上还是TCP/IP那一套。

Mellanox（已被Nvidia收购），搞出了个IB（Infinite Band，听名字就很牛，无限带宽），上层承载RDMA协议，凭借其超高带宽、超低延迟、超可靠传输，在DC内部大行其道，但IB需要专用的NIC网卡、连接线缆和交换机，一套下来贵的吓人，急需降成本。如图6所示。

这里说一下，RDMA和TCP/IP是并列或者说竞争关系，TCP/IP的优点是生态繁荣、稳定，缺点是软件参与过多，准确说是内核协议栈，所以延迟很大。SmartNIC中，会通过硬件offload一部分TCP/IP软件开销，但TCP/IP协议栈的设计理念和实现复杂度，就不是为了硬件设计的。

图6 Infinite Band架构（图片来源：知乎 @Savir）

RDMA则不同，设计之初，和IB的L2/Phy配合，都是硬化实现，软件开销急速降低，省出来的CPU资源，给云计算的用户和上层应用来用，如图7所示，就问你香不香。IB好是好，就是太贵，能不能像ATM和Eth融合一样，搞出了个类似MPLS的新玩意呢，这就是后来的RoCE和RoCEv2。通过以太网卡和以太交换机，来承载RDMA协议，这样一来，只要网卡升级一下，线缆和交换机都是现成的，只是上层应用需要调用Verbs接口，替换原来的Socket接口。

图7 RDMA（图片来源：知乎 @Savir）

最近DPU赛道很火，Nvidia收购Mellanox、Intel收购Barefoot，最近AMD把几位前Cisco员工创办的Pensando揽入麾下，加上亚马逊的Nitro、阿里的神龙架构，还有最近国内几家初创公司，市场热闹的一塌糊涂。

我们来看DPU几个核心的功能，首先是硬件Offload：

1、网络：RDMA、OVS交换机等

2、存储：NVMeOF（Over Fabric）等

3、虚拟化：Virtio、SR-IOV、VxLAN（基于UDP的一种大二层隧道技术）

4、安全：加解密、IPSec等

5、数据：压缩、解压

然后是IaaS/PaaS接管：

6、双Hypervisor：原有的Hyper变轻、变薄，新增的下沉到DPU内置的核，一般是ARM，最近有采用RISC-V替换的苗头。

目前关于DPU，业界还没有统一的定义或者规范，将来也不一定会有。DPU是DSA架构的一种实践，属于SmartNIC的升级版或者说下一代，同时ToR交换机、Spine - Leaf架构网络，都还是存在的。

畅想未来网络架构的演进趋势

现在，我们终于可以开始讨论谷歌的Aquila，先对照图8所示框架图，说下论文中的几个关键术语：

1、Aquila：数据中心的一种新型实验性质的网络架构

2、TiN：ToR in NIC，NIC和ToR交换机二合一，实现网卡＋交换

3、GNet：谷歌自定义二层子网和外部Eth/IP网络之间的网关。

图8 Aquila框架图（图片来源：谷歌Aquila论文）

从论文中可以看出，谷歌在现有的DC以太局域网基础上，增加了自己设计的一个二层子网，在不动现有DC Spine Leaf + Eth/IP架构的基础上，构建一个超低延迟的L2内网，满足数据中心分布式计算、存储的超低时延要求。

从架构上看，Aquila = 自建IB + 传统Eth/IP，既不是Overlay，也不是Underlay。TiN既然实现了NIC + 交换机的功能，那就绕不开SDN。Eth/IP都是尽力而为的分布式设计，加上多设备厂商混战，所以在前期，QoS、组网、网优、清障都非常麻烦，长期下去要炸毛。

原有的交换机/路由器中，控制面和数据面都有，各自为战。SDN实际上就是把各个交换机/路由器的控制面职能回收，统一管理，让SW/Gateway只负责数据面转发。控制器和交换机之间建立安全通道，通过各种消息，在合适的时机下发流表，也就是大家常说的OpenFlow，指挥交换机如何对各个以太帧/IP报文进行处理。

OpenFlow流表中，有三个关键要素，key + action + counter。交换机通过key（比如经典的五元组），查找TCAM表，进行Eth帧/IP报文匹配，然后执行流表中的action，同时更新各种counter计数。流表类似于处理器架构中的指令集，比如指令中有Opcode，取指完成后会进行译码，根据指令类型，进行ALU计算或者访存，最后将结果写回寄存器或者内存。

从生态角度，NIC和交换机/路由器大家各司其职，Aquila中的TiN搞了个二合一，相当于是把DC市场切了一份出来，搞自己独立的L2子网，这部分市场的NIC/DPU/ToR都被干掉了，然后谷歌还要搞自己的SDN控制器。

再来看一下Aquila的关键特性：

1、信元交换：取代原有的以太帧

2、无损网络：强大的流控和QoS

3、自适应路由：TiN之间协同。

回忆一下开篇介绍的ATM、Eth、MPLS，有没有发现相似之处。其实现在交换机、路由器内部设计中，Eth帧进来以后，也会转换成各家自定义的信元，进行CrossBar的交换和处理。基于信元和有连接的设计，流控和QoS实现会简单很多。

可以对照一下最近很火的Chiplet。传统的中小型SoC设计中，片上网络一般是共享总线，比如AMBA3 AXI。随着片内核的数量增多，衍生出Ring环形总线和Mesh网络，此时的片内，实际上已经有了交换/路由的影子，几十上百个核，通过内部专用信号线，连上片内的路由节点，然后多个路由节点之间，进行报文收发，实现Mesh组网，只是内部的报文，格式一般都是CPU厂商自定义的，比如ARM的AMBA5 CHI。

随着单Die面积变大，受晶圆面积和良率关系限制，单芯片方案逐渐显露瓶颈，无法集成更多的核或者加速引擎，多芯片拼接需求增多，加上2.5D/3D高级封装技术，应用日趋成熟，类似HBM这种堆叠的Chiplet方案也开始增多。前段时间英特尔搞了个UCIe联盟，想在Chiplet领域复制PCIe的辉煌，其实本质就是片间互联网络的生态，开始构建了。

回到开篇的超级计算机话题，从SoC片内总线，到Chiplet片间互联网络，再到谷歌Aquila实验性的数据中心全新二层子网，其实本质都是为了这个终极的目标来服务，从晶圆、基板、PCB，到数据中心服务器之间，超大带宽、超低延迟、超强流控的网络，在从内向外扩展。因为在数据中心领域，运营商的话语权不像电信承载网这么大，芯片巨头和云计算厂商，有动力、有预算、也有技术空间去进行重构、优化。

运营商的承载网，在5G eMMB超高带宽、URLLC超低延迟的压力和需求下，正在进行剧烈的变化和演进，5G承载和LTE承载之间，已经发生了巨大的变化和改进。MPLS、PTN、OTN这些技术能在承载网落地生根，除了其高效的OAM外，强大的QoS亦功不可没，当然前提是基站和核心网之间的组网中，网络的动态拓扑变化不是非常大。如图9所示。

图9 网络切片（图片来源：无线深海）

谷歌的Aquila数据中心网络架构，从某种程度上，也是借鉴了CT网络架构的一些理念，来解决IT网络中的时延确定性需求，撇开了传统的二层以太网，绕过了Nvidia收购Mellanox后把持的Infinite Band，构建了一个类似RDMA的软硬件全栈生态，为此还专门设计了TiN和GNet芯片（工艺节点未知），投入如此巨大的资源，相信如同其AI领域的TensorFlow框架一样，这一切只是个开始，DPU的大幕正在徐徐拉开，我们拭目以待。

正如计算机体系结构的一代宗师，David Patterson和John Hennessy，在其2017年著名的论文《计算机体系架构的新黄金时代》中所预言的那样，“计算机体系结构领域将迎来又一个黄金十年，就像20世纪80年代那时一样，新的架构设计将会带来更低的成本，更优的能耗、安全和性能。”

正所谓软件定义一切、硬件加速一切、网络连接一切。

END

小知识1：DPU是Data Processing Unit的简称，它是最新发展起来的专用处理器的一个大类，是继CPU、GPU之后，数据中心场景中的第三颗重要算力芯片，为高带宽、低延迟、数据密集的计算场景提供计算引擎。

小知识2：Aquila是一种实验性的数据中心网络架构，将超低延迟作为核心设计目标，同时也支持传统的数据中心业务。Aquila使用了一种新的二层基于单元的协议、GNet、一个集成交换机和一个定制的ASIC，ASIC和GNet一同设计，并具有低延迟远程存储访问（RMA）。Aquila能够实现40µs以下的IP流量拖尾结构往返时间 (RTT) 和低于10µs的跨数百台主机的RMA执行时间。

▎作者半山

「5G行业应用」特邀作家。近15年ICT芯片从业经历，从芯片到软件，从终端到云端，长期关注计算、通信和存储技术演进，软硬件融合践行者，对相关产业领域应用和生态建设有深度洞察。

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吴冬升，东南大学博士。现任高新兴科技集团股份有限公司高级副总裁、粤港澳大湾区自动驾驶产业联盟副理事长、广州车路协同产业创新联盟理事、广州市智能网联汽车示范区运营中心理事等。致力于5G、智能网联、自动驾驶、大数据、人工智能等技术的研究与应用创新。省市级期刊发布论文数十篇，主编《5G与车联网技术》等书籍，参与编写《广州市智能网联汽车与智慧交通产业发展报告（2020）》等。

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