來源：內容由半導體行業觀察（ID：icbank）轉載自公眾號【5G行業應用】，作者：半山，謝謝。
未來DC數據中心的終極目標，是變成一台超級計算機，有着幾乎無限的計算能力和存儲資源，超大帶寬、超低延遲，上面跑無數的虛擬機或者容器之類的雲計算平台。谷歌近期發布一篇關於Aquila網絡架構的文章，今天我們就順着最近大熱的DPU，來聊聊網絡架構。作為芯片和通訊行業從業者，我們先從承載網聊起（也叫傳輸網），然後再說數據中心網絡，最後對照谷歌Aquila架構，展望一下網絡架構未來的演進趨勢。一般我們說到承載網，是指基站和核心網各網元之間的組網。手機通過空口接入基站，基站通過光纖、交換機，和核心網各網元進行組網，最後通過核心路由器，匯入互聯網。如圖1所示。從2G時代到5G時代，承載網技術在不斷演進，如圖2所示。
圖1 承載網位置
圖2 承載網技術演進路線圖（圖片來源：無線深海）SDH主要用在GSM/2G時代的語音承載（也叫CS電路交換，不是那個真人射擊遊戲CS，而是Circuit Switching），TDM時分復用、雙向環狀組網、塊狀幀結構，憑藉着極高的服務質量和可管理性，一度統治了傳輸網，如圖3所示。市場經濟中，做生意最難的不是生產，而是找到合適、持續的買家來消費。語音時代，就是打電話，需求剛性、穩定、明確，一切都好說。
圖3 SDH組網圖（圖片來源：ITU）到了3/4G時代，語音通話占比急劇降低，IP業務比重越來越大，原因也不複雜，大家看一下自己打電話、玩微信、刷抖音的時間分配。IP和Eth這倆貨，都是秉承着無連接、盡力而為的原則（這兩點後面會反覆提及），包大小變長、不固定，和SDH的剛性網絡格格不入。為了填平這個GAP，MSTP（MSTP = SDH + 以太網 + ATM）、MSTP+被推了出來，給SDH續了十年左右的命。但隨着IP占比逐漸達到壓倒性優勢，SDH再也湊活不下去了，PTN應運而生。之前看過一個公式，PTN = MPLS + OAM + 保護 - IP，要理解這個公式，咱們得先看看MPLS是啥，如圖4所示。
圖4 IP與MPLS轉發的基本行為對比（圖片來源：《圖解網絡硬件》）OSI參考模型中，ATM和Eth都位於L2（當然Eth也是有L1物理層規範的），但設計原則、幀結構完全不同。以太幀的原則是變長、無連接、盡力而為，ATM是定長、有連接（其實ATM是TDM技術的一個升級、優化版本），在兩者的競爭中，憑藉着和IP的設計理念一致，Eth逐漸勝出，現在ATM都不咋用了。Eth和IP網絡中，無連接和盡力而為，是柄雙刃劍。在非超低延遲組網中，這個問題不大，交換機根據MAC地址，進行存儲轉發，路由器根據IP地址和子網掩碼，進行最長匹配，而且中高端的Switch和Gateway，目前都是ASIC硬件加速，部分掩蓋了QoS和延遲的缺陷。但在超低延遲組網中，比如5G uRLLC承載和數據中心網絡，QoS和延遲是關鍵指標。既然Eth/IP和ATM各有千秋，業界就搞出了個MPLS。簡單來講，MPLS屬於OSI參考模型中的2.5層，向IP提供連接服務，本質是隧道技術的一種，L2可以採用Eth，也可以用其他的層二技術。傳統路由中，分為動態路由和靜態路由。動態路由主要由RIP、OSPF、BGP這些路由協議（通過UDP/TCP承載），在Gateway之間同步路由表，實際上是無連接的分布式處理。因為IP網絡是M國軍方設計的，一開始的目標，就是在極端情況下，各核心部門，依然能夠保持通訊暢通，所以分布式、去中心化的設計是必然的。帶來的額外負擔，就是每個路由器節點，都要維護一個巨大的路由表。如果你仔細閱讀谷歌論文，會發現Aquila中，會在TiN中只維護一個小表，這個和MPLS類似。MPLS架構中，為了建立連接、減少路由表的查找和維護負擔，會根據路由協議下發的路由表信息，由邊緣路由器節點，生成局部標籤，這個Tag就相當於一條虛擬的鏈接標識，後面MPLS的內部路由器，根據標籤直接轉發，相當於對路由表進行了提取和抽象，後面直接用即可，所以MPLS和動態路由，還是有很多關聯。PTN公式中的 - IP，實際上就是把MPLS中的動態路由，改成了由控制面的網管，進行統一的配置和下發，同時L2層面，硬件支持OAM PDU幀的解析、處理，這方面借鑑了SDH中豐富的可維護性設計，大家都在互相融合，或者說互相抄襲。聊完運營商的承載網，再來看看數據中心（DC）網絡。在這兩種網絡的組網拓撲中，都可以分為接入層、匯聚層、核心層，只是DC網絡的演進更為劇烈。如圖5所示。
圖5 數據中心網絡架構（圖片來源：Cisco官網）通信企業經常說端、管、雲協同演進，這裡面的端，主要指手機移動終端，管主要指承載網，雲要稍微解釋一下。通常意義上，雲計算是互聯網廠商的領域，畢竟他們的各種業務，比如微信、支付寶、抖音的後端，都是通過PaaS、IaaS這些雲計算平台，承載在數據中心機房的一堆服務器上。但實際上，現在核心網的網元，都已經雲化了，這一點和互聯網廠商是一致的。早期亞馬遜這些互聯網巨頭，發現他們自家的服務器和雲服務，在滿足自身業務需求的同時，還有富餘，可以對外售賣，這就是目前主流的公有雲由來。另外說一句，亞馬遜在雲計算領域，目前是無可爭議的王者，引領各種技術路線的演進。雲計算都是承載在大量的服務器上，這些機器部署在數據中心機房中。本來傳統的C/S架構，終端發請求，比如訪問某個網站頁面，通過承載網、骨幹網的一堆交換機、路由器，一路到了數據中心的機房，服務器就給你返回一堆網頁數據，終端收到數據後，瀏覽器引擎解析、展示。但隨着搜索引擎、大數據處理、人工智能這些領域的應用興起，DC的單台服務器無法滿足大量計算和存儲的需求，分布式架構成為必然。同時雲計算中的熱遷移、備份、容災和隔離需求日漸增多，DC原有的南北向（C/S）和東西向（內部節點之間）流量對比關係發生變化，原有的鬆耦合帶來的通信瓶頸，日趨明顯。這裡多說一句存儲，在SSD固態硬盤之前，HDD是絕對的主流。受限於物理磁盤的尋道時延，HDD讀寫延遲早已逼近物理極限，所以那個時候DC內部存儲部分的網絡時延，都顯得問題不大。SSD沒有物理磁盤，內部是一堆Flash器件 + 控制器，速度極快，配合專為非易失性存儲設計的NVMe和NVMeOF，網絡時延從小頭變成了大頭，木桶效應之下，網絡帶寬、時延和QoS優化勢在必行。在DPU之前，業界整了一堆技術和解決方案，比如英特爾，他們一直是以處理器為核心，主推DPDK加速，通過用戶態驅動，ByPass內核協議棧，中斷改為Poll輪詢，降低了用戶態和內核態的切換開銷，以及內存Copy負擔，配合一些新增的類似AVX 512的專用指令，但本質上還是TCP/IP那一套。Mellanox（已被Nvidia收購），搞出了個IB（Infinite Band，聽名字就很牛，無限帶寬），上層承載RDMA協議，憑藉其超高帶寬、超低延遲、超可靠傳輸，在DC內部大行其道，但IB需要專用的NIC網卡、連接線纜和交換機，一套下來貴的嚇人，急需降成本。如圖6所示。這裡說一下，RDMA和TCP/IP是並列或者說競爭關係，TCP/IP的優點是生態繁榮、穩定，缺點是軟件參與過多，準確說是內核協議棧，所以延遲很大。SmartNIC中，會通過硬件offload一部分TCP/IP軟件開銷，但TCP/IP協議棧的設計理念和實現複雜度，就不是為了硬件設計的。
圖6 Infinite Band架構（圖片來源：知乎 @Savir）RDMA則不同，設計之初，和IB的L2/Phy配合，都是硬化實現，軟件開銷急速降低，省出來的CPU資源，給雲計算的用戶和上層應用來用，如圖7所示，就問你香不香。IB好是好，就是太貴，能不能像ATM和Eth融合一樣，搞出了個類似MPLS的新玩意呢，這就是後來的RoCE和RoCEv2。通過以太網卡和以太交換機，來承載RDMA協議，這樣一來，只要網卡升級一下，線纜和交換機都是現成的，只是上層應用需要調用Verbs接口，替換原來的Socket接口。
圖7 RDMA（圖片來源：知乎 @Savir）最近DPU賽道很火，Nvidia收購Mellanox、Intel收購Barefoot，最近AMD把幾位前Cisco員工創辦的Pensando攬入麾下，加上亞馬遜的Nitro、阿里的神龍架構，還有最近國內幾家初創公司，市場熱鬧的一塌糊塗。我們來看DPU幾個核心的功能，首先是硬件Offload：2、存儲：NVMeOF（Over Fabric）等3、虛擬化：Virtio、SR-IOV、VxLAN（基於UDP的一種大二層隧道技術）6、雙Hypervisor：原有的Hyper變輕、變薄，新增的下沉到DPU內置的核，一般是ARM，最近有採用RISC-V替換的苗頭。目前關於DPU，業界還沒有統一的定義或者規範，將來也不一定會有。DPU是DSA架構的一種實踐，屬於SmartNIC的升級版或者說下一代，同時ToR交換機、Spine - Leaf架構網絡，都還是存在的。現在，我們終於可以開始討論谷歌的Aquila，先對照圖8所示框架圖，說下論文中的幾個關鍵術語：1、Aquila：數據中心的一種新型實驗性質的網絡架構2、TiN：ToR in NIC，NIC和ToR交換機二合一，實現網卡＋交換3、GNet：谷歌自定義二層子網和外部Eth/IP網絡之間的網關。
圖8 Aquila框架圖（圖片來源：谷歌Aquila論文）從論文中可以看出，谷歌在現有的DC以太局域網基礎上，增加了自己設計的一個二層子網，在不動現有DC Spine Leaf + Eth/IP架構的基礎上，構建一個超低延遲的L2內網，滿足數據中心分布式計算、存儲的超低時延要求。從架構上看，Aquila = 自建IB + 傳統Eth/IP，既不是Overlay，也不是Underlay。TiN既然實現了NIC + 交換機的功能，那就繞不開SDN。Eth/IP都是盡力而為的分布式設計，加上多設備廠商混戰，所以在前期，QoS、組網、網優、清障都非常麻煩，長期下去要炸毛。原有的交換機/路由器中，控制面和數據面都有，各自為戰。SDN實際上就是把各個交換機/路由器的控制面職能回收，統一管理，讓SW/Gateway只負責數據面轉發。控制器和交換機之間建立安全通道，通過各種消息，在合適的時機下發流表，也就是大家常說的OpenFlow，指揮交換機如何對各個以太幀/IP報文進行處理。OpenFlow流表中，有三個關鍵要素，key + action + counter。交換機通過key（比如經典的五元組），查找TCAM表，進行Eth幀/IP報文匹配，然後執行流表中的action，同時更新各種counter計數。流表類似於處理器架構中的指令集，比如指令中有Opcode，取指完成後會進行譯碼，根據指令類型，進行ALU計算或者訪存，最後將結果寫回寄存器或者內存。從生態角度，NIC和交換機/路由器大家各司其職，Aquila中的TiN搞了個二合一，相當於是把DC市場切了一份出來，搞自己獨立的L2子網，這部分市場的NIC/DPU/ToR都被幹掉了，然後谷歌還要搞自己的SDN控制器。回憶一下開篇介紹的ATM、Eth、MPLS，有沒有發現相似之處。其實現在交換機、路由器內部設計中，Eth幀進來以後，也會轉換成各家自定義的信元，進行CrossBar的交換和處理。基於信元和有連接的設計，流控和QoS實現會簡單很多。可以對照一下最近很火的Chiplet。傳統的中小型SoC設計中，片上網絡一般是共享總線，比如AMBA3 AXI。隨着片內核的數量增多，衍生出Ring環形總線和Mesh網絡，此時的片內，實際上已經有了交換/路由的影子，幾十上百個核，通過內部專用信號線，連上片內的路由節點，然後多個路由節點之間，進行報文收發，實現Mesh組網，只是內部的報文，格式一般都是CPU廠商自定義的，比如ARM的AMBA5 CHI。隨着單Die面積變大，受晶圓面積和良率關係限制，單芯片方案逐漸顯露瓶頸，無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高級封裝技術，應用日趨成熟，類似HBM這種堆疊的Chiplet方案也開始增多。前段時間英特爾搞了個UCIe聯盟，想在Chiplet領域複製PCIe的輝煌，其實本質就是片間互聯網絡的生態，開始構建了。回到開篇的超級計算機話題，從SoC片內總線，到Chiplet片間互聯網絡，再到谷歌Aquila實驗性的數據中心全新二層子網，其實本質都是為了這個終極的目標來服務，從晶圓、基板、PCB，到數據中心服務器之間，超大帶寬、超低延遲、超強流控的網絡，在從內向外擴展。因為在數據中心領域，運營商的話語權不像電信承載網這麼大，芯片巨頭和雲計算廠商，有動力、有預算、也有技術空間去進行重構、優化。運營商的承載網，在5G eMMB超高帶寬、URLLC超低延遲的壓力和需求下，正在進行劇烈的變化和演進，5G承載和LTE承載之間，已經發生了巨大的變化和改進。MPLS、PTN、OTN這些技術能在承載網落地生根，除了其高效的OAM外，強大的QoS亦功不可沒，當然前提是基站和核心網之間的組網中，網絡的動態拓撲變化不是非常大。如圖9所示。
圖9 網絡切片（圖片來源：無線深海）谷歌的Aquila數據中心網絡架構，從某種程度上，也是借鑑了CT網絡架構的一些理念，來解決IT網絡中的時延確定性需求，撇開了傳統的二層以太網，繞過了Nvidia收購Mellanox後把持的Infinite Band，構建了一個類似RDMA的軟硬件全棧生態，為此還專門設計了TiN和GNet芯片（工藝節點未知），投入如此巨大的資源，相信如同其AI領域的TensorFlow框架一樣，這一切只是個開始，DPU的大幕正在徐徐拉開，我們拭目以待。正如計算機體系結構的一代宗師，David Patterson和John Hennessy，在其2017年著名的論文《計算機體系架構的新黃金時代》中所預言的那樣，「計算機體系結構領域將迎來又一個黃金十年，就像20世紀80年代那時一樣，新的架構設計將會帶來更低的成本，更優的能耗、安全和性能。」小知識1：DPU是Data Processing Unit的簡稱，它是最新發展起來的專用處理器的一個大類，是繼CPU、GPU之後，數據中心場景中的第三顆重要算力芯片，為高帶寬、低延遲、數據密集的計算場景提供計算引擎。小知識2：Aquila是一種實驗性的數據中心網絡架構，將超低延遲作為核心設計目標，同時也支持傳統的數據中心業務。Aquila使用了一種新的二層基於單元的協議、GNet、一個集成交換機和一個定製的ASIC，ASIC和GNet一同設計，並具有低延遲遠程存儲訪問（RMA）。Aquila能夠實現40µs以下的IP流量拖尾結構往返時間 (RTT) 和低於10µs的跨數百台主機的RMA執行時間。「5G行業應用」特邀作家。近15年ICT芯片從業經歷，從芯片到軟件，從終端到雲端，長期關注計算、通信和存儲技術演進，軟硬件融合踐行者，對相關產業領域應用和生態建設有深度洞察。
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