芯片：可编程技术在网络芯片上的应用

网络是数据中心里的交通枢纽，连接着所有运行应用业务的设备。没有网络，也就没有数据中心，没有互联网的今天，网络在数据中心里发挥着非常关键的作用，所以网络技术一直是热点，在不断发展进化着，其中就包含可编程技术。可编程技术在各行各业中都有广泛应用，同样在网络世界里也很普遍。这种技术在芯片上实现各硬件单元都不是固定的，可由用户在使用中选择，即通过计算机指令来选择不同的通道和不同的电路功能，称为编程控制，这给使用者提供了极大的灵活性。比如：处理器、FPGA、CPLD、DSP，这四种都是可编程芯片。其中处理器是个大类，包含各种位数的单片机、电脑的CPU、以及ARM的一系列手机用芯片，还有复合芯片，比如一些是单片机+无线功能的芯片，如带单片机内核中的蓝牙芯片。一些可简单编程芯片，比如时钟芯片，你可以设置它到特定时间点时某个管脚电平高低，或者是数字温度芯片输出温度格式以华氏度输出，这些芯片在网络设备中应用很广，网络设备的CPU处理器可以实现各种复杂的网络协议处理，FPGA可以将转发表项扩展到很大，满足高规格的网络环境使用，网络设备通过这些可编程芯片，实现了很多特殊网络流量的转发。

网络设备的硬件内部一般由CPU、内存、Flash、转发芯片、FPGA、EEPROM等芯片组成，这些大部分都是可编程芯片，可有没有人注意到其实转发芯片绝大部分都不是可编程芯片，无论是路由器中采用的NP，还是交换机中采用的Switch Chip，都不是可编程芯片。这些芯片的硬件转发逻辑已经设计好，无法通过调整软件参数去更改，软件设置的只是让这些功能模块可以运转起来，但绝不可以调整它们的处理顺序，而且软件设置的范围都是提前预定好的。比如我们需要在交换机上实现入方向上的报文过滤，这样就需要在转发芯片入方向下发一些ACL过滤规则。在一些商用转发芯片上，这些ACL过滤规则固定下发在转发模块之后，如果进入芯片的是三层转发流量，此时下发的ACL过滤规则匹配的就是三层转发之后的报文，此时报文MAC已经发生了替换，下发的ACL规则只能匹配转发之后的报文特征，这就是不能可编程实现的局限性。一个报文进入转发芯片，从入端口检查，到查找转发表项，再到出口，这中间要经过几十个功能模块的处理，有修改报文优先级的，有修改报文VLAN TAG的，有做队列调度的，有做路由策略的等等，这些功能模块都是按照固定顺序来对报文处理的，灵活性比较差，常常会遇到不少实现上的限制，若能实现网络芯片可编程将可以很好解决这些问题。当然，网络芯片和其它芯片不同，芯片要承担大量的数据流量转发，这些数据远远大于CPU、内存以及Flash这些器件的数据，这就要求芯片硬件处理逻辑要尽可能地简单，否则转发效率都成问题，延迟是网络设备一个重要的考核指标，这使得网络芯片要尽可能做到简单。使用者只要做选择就可以，将参数输入芯片，芯片就可以按照制定的数据来转发，所以多年以来，转发芯片都是不能编程的，网络发展也好好的。随着云计算、大数据和虚拟化技术的出现，这给网络带来的冲击是最大的，网络固定的转发模式无法适应这些年新技术的应用，在这些新技术面前，网络部分显得相形见绌，是到了该要改变的时刻了。三年前，一家专做SDN芯片的公司成立，叫Barefoot Networks，Barefoot Networks从事开源可编程网络芯片的设计和研究，Barefoot Networks的芯片Tofino是一种可编程芯片，可实现高达6.5 Tbps处理速度，用户或网络供应商可以利用P4编程语言来定制白盒解决方案或固定配置产品，这样用户可以在数周内部署新协议,而不需要新版本的芯片来支持，具有极大的灵活性。现在很多网络需求，听到最多的就是芯片限制实现不了，只能换更高级的芯片设备，有了可编程芯片的设备就不同了，可以根据客户需求，通过软件对网络设备进行重新设计都可以实现，不用再去更换硬件，刷新软件就可以解决。今年6月，Broadcom也发布了可编程网络商用芯片Trident 3系列，虽然处理速度只有Tofino的一半3.2Tbps，但Broadcom控制了整个网络芯片市场的90%左右，其垄断地位决定了Trident 3芯片一定会得到很多使用者的追捧，网络设备进入了可编程时代。现在的网络设备，快和手机行业一样了，使用三年基本就不能再满足业务发展需要了，使用五年基本成古董了，这给数据中心带来了很大成本压力，数据中心要不断增加设备采购，同时淘汰更多的老旧设备，说是老旧也不过就两三年。如果网络设备具有可编程性，就可以通过重新编程来满足未来需求，同时继续大力降低网络设备使用的成本和功耗。由此可见，网络芯片进入了可编程时代，这就增强网络部分的灵活性，更加适应未来业务发展需要。这种可编程能力与软件定义SDN还有些区别，可编程能力指的是通过基于脚本的编程灵活实现各种网络协议功能，SDN则是通过控制器向网络设备下发转发流表，实现流量转发，流表实现只是网络设备功能的一部分，网络设备还有ACL过滤、路由策略、修改报文内容、队列调度等丰富的网络功能，这些通过SDN都无法实现，通过可编程技术则可以很好实现。未来，若是某项网络功能满足不了，又说是芯片限制，就要考虑下这个说法的真实性了，芯片的可编程能力极大地扩展了网络处理的灵活性，可适应各种复杂网络场景的应用，即便有限制也会很少。

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