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利用賽靈思技術，設計團隊現在能在芯片上構建線路卡，并根據其特定網絡服務和應用定制硬件。 作者：Mike Santarini，賽靈思公司Xcel雜志發行人 mike.santarini@xilinx.com 在通信架構受消費者對更高帶寬、更好更可靠更安全服務需求推動而快速發展演進之際，賽靈思積極創新，推出了一項改變游戲規則的技術和設計方法，致力于幫助客戶快速為有線和無線網絡以及數據中心推出和升級下一代線路卡。這種新技術就是其軟件定義規范環境SDNet。結合使用賽靈思All Programmable FPGA和SoC，SDNet能讓通信設計團隊運用賽靈思所謂的“軟”定義網絡(“Softly”Defined Network)這一革命性創新方法來實現下一代軟定義網絡架構線路卡的設計和升級。 從固定網絡到SDN 賽靈思通信IP和服務副總裁Nick Possley指出，過去20年來，通信架構主要包含固定的控制層和數據層，而且無法隨著網絡要求的發展進行擴展。如果電信運營商想擴展網絡功能、提高整體帶寬，這種僵硬化的架構就迫使其不得不頻繁更換設備。線路卡是系統的核心器件，基本采用高度專業化的ASIC、ASSP和存儲器IC組合。FPGA則用于加速和橋接線路卡芯片間的通信。 隨著需求的加快，電信運營商和通信系統企業為滿足有關需求開始探索更好的解決方案。過去幾年來，這些企業開始轉而采用軟件定義網絡（SDN）和網絡功能虛擬化（NFV）技術。這種架構將控制層和數據層相分離，并為控制層添加了更多軟件虛擬化功能，這樣電信運營商就能快速部署新應用，而且網絡設備也比在傳統網絡中更易于升級換代，從而有助于延長使用壽命（進而提高盈利能力）并簡化網絡管理（見圖1）。 
圖1 – 今天的軟件定義網絡將控制層和數據層相分離，但仍采用固定的數據層，差異化極低，生命周期也很短。 圖中文字如下：
更好的解決方案：軟定義網絡 采用SDNet和賽靈思革命性創新型軟定義網絡方法，通信系統公司能夠開發出集成低功耗All Programmable線路卡，其功能絕不僅限于軟定義控制層和SDN架構所需要的網絡智能。這種新技術還能幫助廠商用具有內容智能功能的軟件定義數據層硬件實現系統差異化。這意味著設計團隊能夠根據他們系統對網絡服務和應用的確切需求來定制硬件（見圖2）。 網絡架構師（這些人通常沒有硬件設計背景）習慣用英語描述來表達具體協議要求，如Internet 的請求注解(RFC)或ISO標準文檔。 不過Possley指出，即便是最近新推出的SDN和NFV架構也仍然相當死板，因為數據層不具可編程性，設計通常采用現成的ASSP。居網絡核心地位的線路卡采用現成的分立包處理器和連接至光學器件的流量管理器ASSP，與協處理器和外部存儲器一起使用。這種線路卡還采用FPGA來加速所有這些芯片間的通信。 許多不同芯片制造商為SDN和NFV架構打造的最新版ASSP確實符合SDN規范。但由于供應商推出向所有網絡系統公司推出通用的ASSP，因此這些芯片在產品差異化或功能擴展方面缺乏競爭力。這樣一來，網絡系統廠商被迫降低價格來贏得電信運營商的青睞。 表面上，我們認為電信運營商會喜歡這種設備價格走低的趨勢。但實際上，即便是基于ASSP的SDN架構中，固定的數據層設計也仍然非常僵硬，電信運營商如果發現ASSP固定的硬件功能無法滿足不斷變化的應用、協議升級和新特性需求，就只能進行昂貴的現場線路卡更換。線路卡更換需要關閉網絡，同時還要求技術人員拆下老舊線路卡并安上新卡。此外，ASSP廠商還傾向于在設計中內置過多功能，試圖讓單個器件滿足眾多不同市場需求。這樣，這些ASSP線路卡就會耗費更多電力，導致設備發燙，因此電信運營商必須采取額外措施來給設備降溫。冷卻成本當然也會增加運營支出，從而進一步影響電信運營商的最終盈利能力。 然后，他們要依靠精通目標器件底層架構的專業工程師來手動將這些協議要求轉換為低層特定實現描述（通常要采用高度專業化的微代碼）。這些硬件工程師要么指定通用處理器或專用網絡處理器如何執行包處理，要么在定制ASIC中設計有關功能。 隨后網絡設計團隊必須驗證硬件能否實現架構師的最初設計意圖，或者說能否至少滿足線路卡應使用的最新協議版本要求。如果線路卡無法滿足有關要求，那就必須重復設計過程直至能正確運行為止。由于所需規范和微代碼之間的關系不夠直觀，這一過程變得更加復雜，同時底層架構性能存在局限性，功能因面向不同服務公司也存在差異。 SDNet的軟定義網絡方法直擊問題根源，使網絡系統設計團隊能夠快速設計出“生成即保證正確(correct by construction.)”的線路卡。具體說來，SDNet側重線路卡最復雜設計部分的自動化，即現代線路卡中包處理器和流量管理器功能的設計和編程（見圖3）。 網絡系統團隊不是讓兩個不同的分立ASSP執行這些功能，而是在單個賽靈思All Programmable FPGA或SoC上集成包處理和流量管理功能以及其它線路卡功能。他們能確保為目標應用創建最佳實現方案。除了在單個All Programmable器件中集成許多芯片功能之外，SDNet還能優化線路卡高級行為規范的創建，并自動生成RTL模塊，便于實現在賽靈思All Programmable器件、固件和驗證測試平臺中。 Possley指出：“借助SDNet，系統架構師能夠指定內容，而不是方式。系統架構師能精確指定他們要部署的服務，而不去管底層硅硬件上到底怎么部署。” 在SDNet流程中，系統架構師可用高級功能規范定義線路卡功能（見圖4）。讓架構師用SDNet能夠描述語法分析、編輯、搜索和服務質量（QoS）策略引擎等多種不同類型包處理引擎所需的行為。架構師能夠分層級描述引擎，從而簡化子引擎，它們能夠互聯并編排進入分組數據流中。這些子引擎還能包含用戶提供的引擎。SDNet規范環境不提供實現細節。這樣客戶能夠自由擴展縮放設計的性能和資源，而且無需了解底層架構的細節。SDNet規范也不局限于任何特定的網絡協議。 Possley指出，SDNet非常簡單，賽靈思選定幾家客戶進行了beta測試，這些客戶都認為其非常直觀易用。他說：“它以簡單直觀的規范大幅減少了客戶要生成的代碼量，因此相對于網絡處理器的微編碼而言工作量大幅減少。” 一旦架構師完成了SDNet規范環境中的系統引擎和流程定義，就能為SDNet的編譯器提供吞吐量和時延要求以及運行時間可編程性要求，這將影響編譯器生成的優化硬件架構。架構師隨后執行命令，SDNet的編譯器會自動為硬件模塊生成設計需要的RTL。編譯器還生成固件和核實/驗證測試平臺。SDNet設計環境不僅包括賽靈思針對網絡優化的SmartCORE和針對連接功能優化的LogiCOREs，同時還集成了外部存儲器控制處理器和嵌入式處理器。
圖2 – SDNet為數據層帶來靈活性和自動化，實現了用于下一代網絡設計和升級的軟定義網絡方法。 圖中文字如下：
圖3 – 各大公司借助SDNet能夠創建高度集成的All Programmable線路卡。. 編譯后，網絡工程師就能在Vivado® 設計套件中用IP生成器（IPI）工具完成設計實現。他們首先使用Vivado工具和IPI轉換SDNet編譯器生成的RTL架構描述為最佳的賽靈思FPGA實現方案，如果所選器件上有足夠的可用資源，然后網絡工程師就可在FPGA中集成任何其它線路卡功能，從而創建出片上All Programmable線路卡。
圖4 – 基于SDNet的實現流程支持All Programmable線路卡的生成即保證正確設計。 此外，SDNet可為功能核實和驗證生成數據，引導實現生成即保證正確的設計。具體來說，SDNet的編譯器接受一系列測試包來測試設計的輸入輸出。架構師可在設計流程的規范定義階段使用該測試包，確保其創建正確的SDNet描述解釋。網絡工程師可在SDNet編譯器生成的RTL描述仿真階段使用測試包。最后但同樣重要的是，這些測試包能在設計最后實現階段配合使用網絡測試設備協助硬件驗證。此外，SDNet將為搜索引擎查詢表生成相應的內容。這種核對-驗證功能可大幅縮短設計時間，消除系統架構師和網絡硬件工程師之間的迭代工作，從而有助于不同工作團隊加快向市場推出高度差異化的產品。 賽靈思杰出工程師Gordon Brebner指出，編譯器自動生成定制固件操作及其針對架構中不同組件的二進制編碼。他說：“這使得架構師能直接控制處理。”SDNet有一個實用功能，能夠記錄所生成的架構及其固件的運行和存儲細節。用戶以更新版SDNet描述作為輸入返回編譯器時，它能明確是否只需固件升級就能支持修改（無需生成新硬件），抑或需要重新生成硬件（和固件）。在大多數情況下，僅升級固件即可完成中等規模的升級（如添加或減少線路卡要處理的協議）。 Brebner指出：“由SDNet編譯器生成的固件和架構之間密切關聯，這意味著用戶能執行無中斷升級，固件更改并投運都不會中斷數據包傳輸。這樣，企業進行重大服務升級就不會對造成服務中斷。這種革命性開發成果要歸功于SDNet技術及其配套使用的賽靈思All Programmable器件高級規范的獨有特性。”（見圖5） Possley指出：“SDNet能夠生成支持無中斷操作即時升級的數據路徑處理功能，這是其獨到之處。電信運營商能通過標準的SDNet API用軟件控制器為線路卡組件添加新的特性或功能。” 他補充指出，其能在嵌入式軟處理器或外部處理器上運行升級軟件。當然，如果在賽靈思Zynq®-7000 All Programmable SoC上實現設計，那就能在器件的嵌入式ARM®處理器上運行軟件。 Possley指出：“SDNet在軟件控制下可提供全面的硬件可編程功能，因此我們稱之為‘軟’定義網絡。” 如需了解有關SDNet規范環境的更多信息，包括SDNet的視頻演示，敬請訪問：china.xilinx.com/sdnet。 該網站還為您提供題為《針對網絡的全新SDNet軟件定義規范環境》的深度白皮書。
圖5 – 部署后，SDNet能讓廠商不中斷服務就升級線路卡協議。 |
