數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備擴(kuò)容的三種實(shí)現(xiàn)方案

數(shù)據(jù)中心建設(shè)速度越來越快，規(guī)模越來越大，數(shù)據(jù)中心對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求也越來越高，對(duì)單鏈路傳輸?shù)乃俣群腿萘慷加懈咭螅覀儠?huì)看到這幾年從10G到100G普及的速度比從1G到10G要快得多。不僅是帶寬，對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的容量也是要求越來越大。比如：路由、ACL、MAC這些規(guī)格表項(xiàng)的需求很大，網(wǎng)絡(luò)芯片容量已經(jīng)無法滿足了，所以很多人通過外擴(kuò)的方式來變相實(shí)現(xiàn)滿足。因此，我們會(huì)在市場上看到一些容量超大的設(shè)備，容量明顯超過了現(xiàn)有專用網(wǎng)絡(luò)芯片所能支持的，其實(shí)是采用外擴(kuò)表項(xiàng)的方式來實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備擴(kuò)容主要用三種外掛器件實(shí)現(xiàn)。

CAM

CAM(Content Addressable Memory，內(nèi)容尋址存儲(chǔ)器)是一個(gè)并行比較處理器，也被稱作NSE(Network Search Engine網(wǎng)絡(luò)搜索引擎)。CAM可以像RAM一樣進(jìn)行讀寫操作，最大優(yōu)勢就是輸入數(shù)據(jù)，返回該數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)的地址。它能夠從巨大的數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行快速查找，并返回最佳匹配的地址，CAM可以在一個(gè)硬件時(shí)鐘周期內(nèi)完成關(guān)鍵字的精確匹配查找。更為重要的是，CAM可以提供較大的表項(xiàng)存儲(chǔ)空間，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)芯片的規(guī)則不夠大時(shí)，可以用CAM來補(bǔ)足，從而滿足市場競爭需要。

當(dāng)然，CAM容量并不能隨心所欲地去擴(kuò)，一方面受CAM能力的限制，另一方面CAM容量越大，價(jià)格呈指數(shù)級(jí)別增加，對(duì)適配的CPU也有要求，高容量的CAM需要性能較強(qiáng)的CPU才能帶動(dòng)，這樣才能避免出現(xiàn)大馬拉小車的情況，或者小馬拉大車的局面，這都會(huì)使得整個(gè)設(shè)備的性能無法提升。

TCAM

TCAM(Ternary Content Addressable Memory，三態(tài)內(nèi)容尋址存儲(chǔ)器)是CAM表的一種擴(kuò)展。在CAM表中使用索引查找結(jié)果值，TCAM同樣使用表查找操作，但被改進(jìn)并可以完成更復(fù)雜的操作。CAM在存儲(chǔ)表項(xiàng)時(shí)，長度固定不夠靈活。比如對(duì)于下發(fā)路由，地址前綴長度具體分布沒有準(zhǔn)確的了解之前，為了能夠保證存儲(chǔ)多個(gè)前綴表項(xiàng)，每個(gè)CAM都需要有多個(gè)表項(xiàng)的空間，因此CAM存儲(chǔ)空間利用率大大降低了。TCAM則在長度要求上非常靈活，可以在同一個(gè)TCAM芯片中保存任意長度的關(guān)鍵字表項(xiàng)。一般CAM存儲(chǔ)器中每個(gè)BIT的狀態(tài)只有兩個(gè)0和1，TCAM則每個(gè)BIT數(shù)據(jù)除了表示0和1，還有第三種狀態(tài)“don’t care”，這也是TCAM被稱為三態(tài)內(nèi)容尋址寄存器的原因。

TCAM的最大優(yōu)勢就是速度，單周期查找平均速度是SRAM的六倍，最壞情況下，查找速度提高128倍。不過，TCAM也有明顯的缺陷。首先是與一般RAM相比，單位比特的TCAM價(jià)格更昂貴，而且存儲(chǔ)容量相對(duì)還要小一些，TCAM的器件引入大大增加了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的設(shè)計(jì)成本;其次是TCAM采用并行的匹配比較方式，功耗較大，當(dāng)引入的TCAM片數(shù)較多時(shí)，設(shè)備的散熱問題凸顯，要引入TCAM必須要解決掉散熱的問題。查找過程所有關(guān)鍵字表項(xiàng)都進(jìn)行了比較，但實(shí)際能夠匹配上的關(guān)鍵字只有幾項(xiàng)，大部分比較操作都被浪費(fèi)了，運(yùn)行效率并不高;第三是TCAM需要對(duì)表項(xiàng)進(jìn)行排隊(duì)，以便實(shí)現(xiàn)最長掩碼匹配，這使得表項(xiàng)的更新過程實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，尤其當(dāng)有路由頻繁變化時(shí)，容易出錯(cuò)。

FPGA

FPGA(Field-Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列)是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。FPGA作為專用集成電路領(lǐng)域中的一種半訂制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。

采用TCAM方式，會(huì)增加片間延時(shí)，同時(shí)減少設(shè)備上可用空間，從而降低電路板的系統(tǒng)性能，采用FPGA方式則要好得多。還有FPGA要比CAM和TCAM靈活很多，F(xiàn)PGA可以完成比匹配更復(fù)雜的功能，所以FPGA不僅可以用來存儲(chǔ)表項(xiàng)，還可以實(shí)現(xiàn)一些CAM和TCAM無法實(shí)現(xiàn)的功能，比如Netstream，通過FPGA完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)設(shè)備流量的Netstream過濾和統(tǒng)計(jì)分析，使整個(gè)設(shè)備變得更加智能。FPGA可以實(shí)現(xiàn)報(bào)文分類、過濾、提取關(guān)鍵字、進(jìn)行高速查找等工作，還能夠制定專門的通信模塊負(fù)責(zé)與主控單元進(jìn)行通信。

FPGA擁有強(qiáng)大的性能、低時(shí)延、深度邏輯可實(shí)現(xiàn)、并行性，低功耗等特點(diǎn)，只不過因?yàn)閮r(jià)格昂貴，一直未被用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中。如今，隨著FPGA技術(shù)的成熟，F(xiàn)PGA價(jià)格因素并不突出，這使得很多網(wǎng)絡(luò)廠商開始引入FPGA，采用FPGA替代現(xiàn)有主流的TCAM方案，這一下子將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的容量提升了好幾倍(原來TCAM若存儲(chǔ)路由表項(xiàng)，能達(dá)到512K已經(jīng)很大了，現(xiàn)在采用FPGA輕松達(dá)到幾M容量，而且還實(shí)現(xiàn)更加靈活，表項(xiàng)下發(fā)和匹配只是它的一項(xiàng)絕活而已)。FPGA補(bǔ)足了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)芯片無法達(dá)到的容量規(guī)則，從而滿足一些特定數(shù)據(jù)中心用戶的需求。當(dāng)然，F(xiàn)PGA不能包治百病，F(xiàn)PGA可以做并行運(yùn)算，但靈活性很差，所以FPGA最適合用做高速但重復(fù)性強(qiáng)的工作，這點(diǎn)正是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備所需要的，兩者的結(jié)合互補(bǔ)了優(yōu)缺點(diǎn)。

短時(shí)期內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)芯片表項(xiàng)的容量仍無法滿足現(xiàn)有市場需求，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需求表項(xiàng)擴(kuò)容的訴求不會(huì)改變。從CAM到TCAM，再到FPGA，就是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需求擴(kuò)容的發(fā)展史，現(xiàn)在采用FPGA的實(shí)現(xiàn)方式逐漸成為主流，F(xiàn)PGA將在相當(dāng)長的一段時(shí)間里長期存在。

未來，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備容量肯定會(huì)越來越大，這是市場的需求，也是競爭的需要。有不少人擔(dān)心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備會(huì)和PC、服務(wù)器一樣，最后比拼的就是性能和價(jià)格。這種擔(dān)心是對(duì)的，現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備已經(jīng)開始了比拼性能和價(jià)格，你能提供1M的路由表設(shè)備，我就能提供10M的路由表設(shè)備，很多時(shí)候就看誰的容量大。相同的價(jià)格客戶能買到更大容量的設(shè)備，總覺得是占到了便宜，所以不僅是一味地提供大容量的設(shè)備，關(guān)鍵還是性價(jià)比，要實(shí)現(xiàn)單位面積上的容量越大，才越有競爭力。