基于FPGA硬件加速的BittWare StreamSleuth對(duì)抗100Gbps

在過去的三十年中，以太網(wǎng)已經(jīng)發(fā)展成為所有行業(yè)的統(tǒng)一通信基礎(chǔ)架構(gòu)。每天都有超過三百萬的以太網(wǎng)端口在部署，覆蓋從FE到100GbE的所有速度。企業(yè)和運(yùn)營(yíng)商在部署時(shí)通常會(huì)使用盒式的交換設(shè)備和堆疊和高密度機(jī)箱式交換機(jī)的組合，來應(yīng)對(duì)以太網(wǎng)的不斷演進(jìn)。然而，在過去的幾年中，以太網(wǎng)發(fā)展態(tài)勢(shì)正在持續(xù)改變。隨著數(shù)據(jù)中心以太網(wǎng)部署和創(chuàng)新都在以最快的速度進(jìn)行著，數(shù)據(jù)中心的以太網(wǎng)端口部署趨于一致，無論是10GbE、25GbE或50GbE，相同的以太網(wǎng)端口速度通過一個(gè)機(jī)架架頂(ToR)交換機(jī)被部署于每一個(gè)服務(wù)器上，然后聚集到多個(gè)CLOS層。最終目的是將盡可能多的以太網(wǎng)端口以最高的商用速度部署在以太網(wǎng)交換機(jī)上，并使其最經(jīng)濟(jì)和最節(jié)能。連接到ToR交換機(jī)的終端是服務(wù)器NIC（網(wǎng)絡(luò)接口卡），它一般是市場(chǎng)上可用的最高速度（目前為10/25GbE，正在向25/50GbE方向發(fā)展）。

今天，25GbE交換機(jī)的128個(gè)接口正在部署中，在接下來的幾年內(nèi)會(huì)到達(dá)并超越64x 100GbE。但是，盡管數(shù)據(jù)中心正在向更高的端口密度、更高的端口速度和同質(zhì)部署方向發(fā)展，但是更低的速度仍擁有廣泛市場(chǎng)，比如10GbE繼續(xù)被使用并仍具有經(jīng)濟(jì)效益。數(shù)據(jù)中心的創(chuàng)新帶動(dòng)更高密度和更高端口速度的發(fā)展，但很多細(xì)分市場(chǎng)仍需要具備較低端口速度和不同密度的解決方案。

BittWare最新開發(fā)的StreamSleuth：

正如BittWare提到，只有CPU而沒有硬件加速是無法處理100Gbe的數(shù)據(jù)包交互的。而正式亮相于本次舊金山RSA大會(huì)的，BittWare最新開發(fā)的StreamSleuth（流偵探），通過一個(gè)FPGA 助手，敏捷且迅速的將數(shù)據(jù)流分組了，此外，BittWare還表示，StreamSleuth使的基于FPGA編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包處理機(jī)制時(shí)，沒有任何FPGA編程的負(fù)擔(dān)，也就是說，在編程的時(shí)候你并不需要精通Verilog或是VHDL這些硬件語言 ，就可以很方便的將FPGA的高性能應(yīng)用到自己的應(yīng)用中。

圖1 StreamSleuth接口側(cè)

正如BittWare的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品VPGM發(fā)言人 Graig Lund解釋，這并不是由一個(gè)隨時(shí)可以重組的箱子組成的一個(gè)裝置。用戶往往需要或許也更想去量身定做它，比如說，在制作的時(shí)候，有的人想添加數(shù)據(jù)包過濾器，有的人想對(duì)數(shù)據(jù)交互的過程進(jìn)行監(jiān)視。用戶在基于線速度是使用StreamSleuth做出任何想做的東西，而唯一不需要用戶去做的，就是學(xué)習(xí)如何編程FPGA。盡管用戶沒有任何編程FPGA的經(jīng)歷，依然可以將FPGA的技術(shù)優(yōu)勢(shì)完美的應(yīng)用的自己的應(yīng)用中。也因此方便更多的網(wǎng)絡(luò)或數(shù)據(jù)庫工程師來使用BittWare的StreamSleuth。

正如Lund所說，相比以太網(wǎng)以前的低版本產(chǎn)品StreamSleuth是一個(gè)十分不同的創(chuàng)造物。一直以來，服務(wù)器都不可以直接處理100GbE的數(shù)據(jù)交互，而且此狀態(tài)一直沒有得到解決。而現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)管道卻別服務(wù)器內(nèi)部的I/O管道大得多，進(jìn)入服務(wù)器的數(shù)據(jù)量成指數(shù)增長(zhǎng)，同時(shí)也導(dǎo)致了CPU設(shè)計(jì)時(shí)不得不增加三級(jí)緩存來緩解數(shù)據(jù)堵塞。

或許我們聽到過更糟糕的情況，對(duì)于一個(gè)服務(wù)器而言，如何減少網(wǎng)絡(luò)阻塞，無疑是需要增加濾波器，很多濾波器，很多復(fù)雜的濾波器，比現(xiàn)在商品轉(zhuǎn)化和防火墻器件更多的復(fù)雜濾波器。理論上說，需要用一種語言基于線速度快速完成標(biāo)準(zhǔn)的BPF/pcap濾波器的實(shí)現(xiàn)，類似一個(gè)基于高度并行FPGA的數(shù)據(jù)包發(fā)動(dòng)機(jī)。

當(dāng)然，以上這種做法對(duì)于減輕100Gbe的線路速率也是有作用的，但是目前的硬件并做不到，也沒辦法用軟件來實(shí)現(xiàn)。最終的出路在于FPGA，所以BittWare的基于FPGA數(shù)據(jù)處理的StreamSleuth成功的實(shí)現(xiàn)了用戶想要達(dá)到的效果。

以軟件實(shí)現(xiàn)的防御并不可以抵擋100Gbe線路速率的DoS，但是基于FPGA加速實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)包處理器可以。所以我們也明白了StreamSleuth內(nèi)部的FPGA到底做了什么工作，它重配置了數(shù)據(jù)包濾波器，使得加載和路由變得平衡。同時(shí)，應(yīng)用BPF/pcap語言為自己的需求編程，并通過GUI或APIs燒錄到StreamSleuth 100Gbe數(shù)據(jù)包處理器中，就可以實(shí)現(xiàn)自己的需求。而此數(shù)據(jù)處理器中集成的是一款Xilinx Virtex UltraScale+ VU9P FPGA 板卡。

下圖就是BittWare的StreamSleuth的板卡內(nèi)部結(jié)構(gòu)：

圖2 BittWare

總結(jié)：

無論是視頻流處理還是數(shù)據(jù)流處理，現(xiàn)如今，只要需要用到加速器來實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用已經(jīng)越來越多的通過基于FPGA來進(jìn)行硬件加速，不僅可以真正意義上的并行，加快運(yùn)行速度，也可以降低CPU執(zhí)行軟件的壓力。可見，基于FPGA來硬件加速將會(huì)是加速器未來的發(fā)展方向。