在IT業(yè)，軟件和硬件一直在高速發(fā)展，為什么NFV直到最近才被運營商提上議事日程呢？最重要的原因是CPU 的技術(shù)發(fā)展改變了方向。從2000年開始，由于功耗和散熱的限制，X86 CPU時鐘頻率達(dá)到了上限，因此采用并行計算包括超標(biāo)量和多核技術(shù)成為提供更強處理能力的關(guān)鍵。多核技術(shù)為計算虛擬化打開了大門，為了充分利用計算能力，人們開始考慮網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化。毫無疑問，控制平面功能更加適合通用CPU，許多現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)控制功能也是基于X86的通用處理器實現(xiàn)。然而，由于通用服務(wù)器的設(shè)計不是為了實現(xiàn)分組的高效轉(zhuǎn)發(fā)，因此直到近四、五年CPU技術(shù)的最新進(jìn)展才使得NFV 技術(shù)成為可能。這些技術(shù)包括CPU多核技術(shù)帶來的并行處理能力增長，CPU高速緩存的不斷增加和CPU外圍芯片增加了整體帶寬等。多核技術(shù)引發(fā)了虛擬化技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬機在管理器的監(jiān)控之下成為資源池。借助于云計算的編排技術(shù)，人們可以自動化創(chuàng)建、動態(tài)遷移虛擬機，實現(xiàn)計算資源的最佳調(diào)配。這種運維成本的節(jié)省將是NFV所帶來的最大優(yōu)勢。
NFV是運營商主導(dǎo)的演進(jìn)技術(shù)。長期以來，設(shè)備商主導(dǎo)的專用硬件加專用軟件的設(shè)計開發(fā)模式，不僅費時費力，而且價格昂貴。專用硬件設(shè)備的發(fā)貨量遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)化的X86服務(wù)器，專用硬件的更新?lián)Q代通常需要4到5年，而同期遵循摩爾定律的IT硬件則實現(xiàn)了2到3代的更新，每一代都可以提供更高的性價比。封閉的專用硬件開發(fā)模式也意味著電信市場存在很高的進(jìn)入門檻，中小企業(yè)無法參與創(chuàng)新。與此相反，標(biāo)準(zhǔn)化的服務(wù)器硬件由于規(guī)模效應(yīng)，發(fā)展出高度競爭的市場，通過購買廉價的計算能力來驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)無疑是運營商降低成本的選擇。
（三）SDN和NFV的關(guān)系
當(dāng)前，SDN技術(shù)普遍部署在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，而NFV中的各種VNF 也都建立在數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施之上。比如開源的云計算管理平臺Openstack的網(wǎng)絡(luò)管理部分Neutron包含SDN控制器插件，支持Openflow對下層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施編程，用來創(chuàng)建子網(wǎng)和路由規(guī)則等。SDN的控制平面可以作為NFV的VNF來部署。在小規(guī)模受限網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，所有的控制和數(shù)據(jù)平面功能都可以VNF的方式部署，因此所有的交換和路由都采用軟件實現(xiàn)。
SDN和NFV有許多相似之處，它們的核心之處都在于在網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)軟件和硬件分離，同時盡量采用標(biāo)準(zhǔn)的硬件和獨立開發(fā)的軟件。在業(yè)務(wù)提供方面，它們都與數(shù)據(jù)中心和云計算環(huán)境相關(guān)，并實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的自動部署和管理。然而，SDN更是革命性的技術(shù)，它打破了傳統(tǒng)路由協(xié)議的局限，各種新的路由協(xié)議和路由策略可以更加方便地引入網(wǎng)絡(luò)。
軟件開發(fā)和高資本投入的硬件開發(fā)不同，它的進(jìn)入門檻不高，而且軟件通過不斷累積可以實現(xiàn)增量開發(fā)。因此可以預(yù)期基于軟件的網(wǎng)絡(luò)功能將形成高度競爭的市場，并給運營商帶來更多的選擇。運營商也將發(fā)現(xiàn)基于軟件的網(wǎng)絡(luò)功能更易于部署，更容易實現(xiàn)擴展性和自動化管理。為了實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新，運營商可以在網(wǎng)絡(luò)中低成本部署各種實驗功能。在虛擬機上對各種業(yè)務(wù)進(jìn)行驗證的成本很低，對現(xiàn)有業(yè)務(wù)的干擾也可以通過沙盒技術(shù)顯著降低。不成功的創(chuàng)新業(yè)務(wù)可以馬上下線，而成功的業(yè)務(wù)也可以馬上批量大規(guī)模展開，這種“快速”正是大量OTT 運營商業(yè)務(wù)創(chuàng)新成功的關(guān)鍵所在。
三、網(wǎng)絡(luò)處理器（NPU）和CPU的比較
當(dāng)前的X86 CPU通常可以支持8～16核，每核可以支持10個或者更多的并發(fā)執(zhí)行單元。這些并發(fā)單元可以執(zhí)行浮點運算、數(shù)據(jù)加密和內(nèi)存管理等功能。然而，CPU大部分功能對數(shù)據(jù)平面的包轉(zhuǎn)發(fā)是沒有意義的，比如在包轉(zhuǎn)發(fā)期間，浮點運算執(zhí)行單元將完全處于空閑狀態(tài)。如果將相應(yīng)不使用的執(zhí)行單元和指令集去除，那么每個核將占用更小的空間，或者說在每塊芯片上可以集成更多的內(nèi)核，因而芯片每秒鐘指令執(zhí)行數(shù)也將大大提升。比如，阿爾卡特朗訊的FP3網(wǎng)絡(luò)處理器有288核，接近通常X86處理器內(nèi)核數(shù)量的30倍。
為了充分利用處理器的并行計算能力，各種超標(biāo)量計算體系架構(gòu)層出不窮。各種并行技術(shù)包括：并行處理、指令亂序和多線程等。通常內(nèi)存訪問，算邏單元和浮點運算單元可以并行處理。通過對指令重新排序，算術(shù)和浮點運算單元可以保持高負(fù)荷運行，而內(nèi)存訪問單元則保持不斷把新的數(shù)據(jù)加載到寄存器。多線程技術(shù)則在內(nèi)核實現(xiàn)了多任務(wù)切換調(diào)度。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，通常NPU 只需執(zhí)行更少的指令，因此指令亂序基本上沒有什么優(yōu)勢。此外，大部分指令與內(nèi)存讀取相關(guān)，因此多線程更加重要。由于內(nèi)存數(shù)據(jù)讀取的相關(guān)性非常高，為了實現(xiàn)擴展性，需要更多的線程。
現(xiàn)代的CPU通常都有片上內(nèi)存（L1/L2/L3），它們的讀取速度遠(yuǎn)快于RAM。高檔的CPU有20～30M字節(jié)L3緩沖。如果前后包之間有很強的相關(guān)性，那么緩沖的命中率會非常高，這也意味著每個包會經(jīng)歷相同的處理流程。對虛擬的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)而言，這個假設(shè)可以滿足實時性需求，因此網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)可以通過虛擬機實現(xiàn)橫向線性擴展。然而，對于IP 網(wǎng)絡(luò)核心和匯聚層而言，大量的業(yè)務(wù)流毫不相干，它們要經(jīng)歷不同的路由查表、計數(shù)和指令處理，因此網(wǎng)絡(luò)的處理能力必須能夠?qū)崿F(xiàn)縱向線性擴展。為了達(dá)到線速轉(zhuǎn)發(fā)能力，網(wǎng)絡(luò)處理器內(nèi)存管理需要提供大容量緩沖，通常需要2G 字節(jié)L3緩沖。此外，在網(wǎng)絡(luò)處理器中通常會集成TCAM，它可以在單個時鐘周期內(nèi)高速實現(xiàn)特定的查表功能，這樣NPU可以保證對各種業(yè)務(wù)的實時處理。
在過去的幾十年中，CPU變得越來越強大，各種特殊計算功能包括浮點運算、多媒體處理和IO等層出不窮。CPU可以高效地支持服務(wù)器和PC的需求。同時，NPU的發(fā)展和CPU一樣服從摩爾定律，但是NPU專注于分組處理，因此兩者發(fā)展出完全不同的能力集（表1）。
表1 NPU和CPU的比較
四、結(jié)論
IT技術(shù)在很大程度上驅(qū)動著網(wǎng)絡(luò)向SDN和NFV方向演進(jìn)。網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)需求是SDN產(chǎn)生的背景，采用通用硬件降低成本并提供靈活性是NFV的目標(biāo)�；诰W(wǎng)絡(luò)處理器和CPU的比較，我們可以發(fā)現(xiàn)，NPU和CPU在SDN和NFV演進(jìn)中將發(fā)展出互補關(guān)系。未來，虛擬化的網(wǎng)絡(luò)功能和網(wǎng)絡(luò)的控制平面將基于X86通用處理器。通用CPU可以執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)平面和控制平面的功能。在網(wǎng)絡(luò)的接入和邊緣，各種虛擬的網(wǎng)絡(luò)功能可以實現(xiàn)橫向線性擴展。疊加在物理網(wǎng)絡(luò)之上的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能將減輕網(wǎng)絡(luò)的處理負(fù)擔(dān)。基于NPU的硬件在高端（匯聚和核心）應(yīng)用中將繼續(xù)扮演關(guān)鍵角色。在網(wǎng)絡(luò)的核心，隨著網(wǎng)絡(luò)接口速度從100Gbps向400Gbps和1Tbps邁進(jìn)，業(yè)界需要處理能力更強大的網(wǎng)絡(luò)處理器。
