Обеспечивает 18-кратное повышение производительности обработки пакетов по сравнению с предыдущей технологией, повышая плотность серверов приложений.
Кавасаки, Япония, 27 ноября 2020 г. – Компания Fujitsu Laboratories Ltd. объявила о разработке технологии ускорения работы виртуальных маршрутизаторов, которые играют важную роль в функциональности сетей в виртуальных средах.
Виртуализация серверов, которая концентрирует несколько приложений и инфраструктурные функции сетевой обработки в серверной среде общего назначения, выходит за рамки центров обработки данных в область периферийных вычислений, включая беспроводные базовые станции и мобильные пограничные вычисления (MEC). Технология также оказывается полезной в таких областях, как социальная инфраструктура с такими приложениями, как управление дорожным движением, и в сфере развлечений, где её можно использовать для доставки контента зрителям, например, спортивных событий. Однако по мере увеличения объемов данных и усложнения системы ресурсы ЦП, необходимые для обработки пакетов в виртуальной сети, увеличиваются. Это уменьшает количество приложений, которые могут работать на одном сервере, и приводит к снижению скорости агрегирования серверов.
Чтобы решить эту проблему, Fujitsu Laboratories разработала технологию для ускорения управления адресами пакетов, что было узким местом в производительности, а также переложило обработку функций маршрутизатора в виртуальной сети на программируемые вентильные матрицы (FPGA). Это увеличивает производительность обработки пакетов в восемнадцать раз по сравнению с существующими виртуальными маршрутизаторами, сокращая при этом использование ресурсов ЦП примерно до одной тринадцатой по сравнению с существующими технологиями. С помощью этой технологии Fujitsu Laboratories предоставит высокопроизводительные виртуальные сети с низкой вычислительной нагрузкой, поддерживая цифровую трансформацию компаний за счёт повышения эффективности использования серверов для предприятий, которые будут использовать большие объёмы данных в эпоху 5G.
Предпосылки и проблемы развития
Виртуализация серверов, которая концентрирует несколько приложений и функциональные возможности сетевой обработки с использованием виртуальной среды на сервере общего назначения, становится всё более распространённой по мере развития цифровой трансформации. Более того, ускоряя цифровую трансформацию в самых разных компаниях, также создаются новые сервисы, связывающие приложения. На этом фоне объёмы данных, обрабатываемых этими приложениями, имеют тенденцию к увеличению, что приводит к проблемам увеличения сложности сети и увеличения вычислительной нагрузки.
По мере того, как сети становятся все более сложными и вычислительные нагрузки увеличиваются, возникают проблемы с повышением производительности обработки пакетов в виртуальных маршрутизаторах, которые необходимы для гибких сетевых структур, а также с уменьшением ресурсов ЦП, используемых для сетевой обработки, в целях обеспечения эффективной виртуализации сервера. Решение этой проблемы позволит увеличить количество приложений, которые могут работать на сервере, а также уменьшить количество серверов, необходимых для системы, что снизит инвестиционные затраты для клиентов.
Новые технологии
Fujitsu Laboratories разработала технологию, позволяющую переложить бремя функциональности виртуального маршрутизатора с ЦП на ПЛИС, а также технологию для увеличения скорости управления адресацией пакетов. Это не только увеличит производительность сети, но и значительно сократит ресурсы ЦП, используемые для сетевой обработки.
1. Технология управления высокоскоростной адресацией пакетов
Раньше высокоскоростная обработка выполнялась путем обработки всех пакетов одной и той же обработкой без изменения порядка пакетов. Если порядок пакетов изменится на входе или выходе обработки виртуального маршрутизатора, это может привести к повторной отправке пакетов приложениями, что приведет к снижению качества и увеличению нагрузки на систему. С помощью этой технологии информация о последовательности пакетов хранится отдельно от пакетов в конвейере. Следовательно, при обработке поиска адреса, распределенной на несколько этапов, когда результаты более раннего поиска делают последующие поиски ненужными и пакет обходит эти поиски, он может быть быстро рекомбинирован с другими пакетами в конвейере в надлежащем порядке на основе конвейера пакетов с информацией о последовательности. В сочетании с дублированием конвейера этот метод уменьшает доступ к памяти, сохраняя при этом высокую скорость конвейерной обработки. Эти технологии улучшают производительность обработки пакетов.
2. Технология управления гибридной памятью для таблиц поиска.
Fujitsu Laboratories разработала технологию автоматического переключения между высокоскоростной памятью малой емкости в ПЛИС и внешней памятью большой емкости без остановки обработки поиска адреса. При обработке поиска адреса выполняется поиск в нескольких таблицах для определения адреса. По мере увеличения количества подключений объем памяти, используемый таблицами поиска, увеличивается, и свободного места во внутренней памяти становится недостаточно. Когда это происходит, эта технология может синхронизировать таблицы поиска с относительно низкой частотой доступа относительно их размера с внешней памятью в фоновом режиме, автоматически переключаясь на таблицы поиска во внешней памяти без остановки обработки поиска. Это обеспечивает стабильную производительность обработки пакетов, ограничивая доступ к внешней памяти, даже в таких случаях, как крупномасштабные системы, где много адресатов связи и большие таблицы поиска становятся необходимыми.
Эффекты
Оценка влияния этой разгрузки на универсальный сервер была проведена с использованием этой технологии, которая была развернута на Intel® Stratix® 10 MX FPGA с высокоскоростной памятью HBM2 с использованием Tungsten FabricTM, образцового виртуального компьютера с открытым исходным кодом роутера. Два сервера, подключенные к сети Ethernet 100 Гбит/с, работали по четыре виртуальных машины на каждом, и между каждой виртуальной машиной осуществлялся обмен данными для проверки производительности виртуальных маршрутизаторов. Результаты показали, что производительность обработки пакетов, которая составляла 13,8 млн пакетов в секунду с использованием существующих методов, была увеличена до 250 млн пакетов в секунду, или примерно в 18 раз. Кроме того, количество используемых ядер ЦП было уменьшено с 13 ядер до 1 ядра. Используя эту технологию, теперь можно увеличить плотность серверов приложений. Это будет поддерживать цифровую трансформацию клиентов на базовом уровне, повышая эффективность использования серверов в инфраструктурных областях бизнеса, которые используют большие объемы данных в эпоху 5G, особенно в базовых станциях и MEC для операторских компаний, таких как, например, создание возможность использования службы распространения видео для стадиона с меньшим количеством серверов.
Планы на будущее
Fujitsu Laboratories продолжит улучшать производительность и расширять функциональные возможности этой технологии, а также проводить дальнейшие оценки на основе примеров использования цифровой трансформации клиентов с целью коммерциализации в течение 2021 финансового года.