云計算旨在靈活、有彈性地為企業(yè)提供附加價值。中國移動（ CMCC ）是中國最大的電信運營商和云服務提供商之一，正是通過其 Bigcloud 公共云產(chǎn)品提供了這一服務。

Bigcloud 為任務關鍵型應用程序提供 PaaS 和 SaaS 服務，以滿足企業(yè)云和混合云解決方案的需求。中國移動深知，企業(yè)依賴其網(wǎng)絡和通信基礎設施，在日益頻繁的數(shù)字世界中保持競爭力。

當他們開始體驗到對云本機服務的巨大需求時，中國移動通過開放 vSwitch （ OVS ）轉向網(wǎng)絡抽象和虛擬化，以自動化并獲得對其網(wǎng)絡的動態(tài)網(wǎng)絡控制，幫助處理他們不斷增長的需求。

然而，由于東西向網(wǎng)絡流量的增加，維持網(wǎng)絡性能成為一個嚴重的挑戰(zhàn)。

圖 1.Bigcloud 網(wǎng)絡解決方案

識別網(wǎng)絡挑戰(zhàn)

隨著云服務的大量采用，中國移動在其虛擬化環(huán)境中經(jīng)歷了巨大的增長。這種虛擬的蔓延在其數(shù)據(jù)中心內(nèi)的服務器之間產(chǎn)生了東西向流量的爆炸。

由于網(wǎng)絡流量的增加，他們還看到了網(wǎng)絡擁塞的增加，導致更高的抖動和延遲，并阻礙了整體網(wǎng)絡吞吐量和應用程序性能。這導致了有效帶寬不足，他們無法跟上高峰業(yè)務時間的大量網(wǎng)絡流量。

在中國移動調(diào)查這些挑戰(zhàn)的原因時，他們確定這些問題的根源來自開放式交換機的四個主要問題：

由于服務器 CPU 同時處理應用程序和網(wǎng)絡請求， VXLAN 封裝和解封規(guī)則處理的 vSwitch 容量效率低下。

由于在用戶空間、內(nèi)核空間和內(nèi)存之間頻繁切換上下文，導致基于內(nèi)核的 vSwitch 轉發(fā)性能較差，從而產(chǎn)生數(shù)據(jù)復制開銷。

基于 DPDK 的 vSwitch 轉發(fā)造成了對服務器 CPU 資源的競爭，這些資源已經(jīng)受到嚴重限制。

由于過度的數(shù)據(jù)包丟失、抖動和延遲導致吞吐量降低， vSwitch 流規(guī)則能力有限。

這些挑戰(zhàn)成為了瓶頸，阻礙了應用程序在盡可能低的延遲下獲得所需的高網(wǎng)絡流量吞吐量。

雖然 OVS 允許在主機之間以及外部世界之間轉發(fā)數(shù)據(jù)包和流規(guī)則，但它是 CPU 密集型的，并通過消耗 CPU 內(nèi)核來影響系統(tǒng)性能，這些內(nèi)核應用于客戶應用程序，并阻止充分利用可用帶寬。

中國移動希望確保網(wǎng)絡應用程序的響應時間保持較低，交付的帶寬保持一致，并且能夠滿足峰值需求。

圖 2.CMCC 在希望支持 OVS 和 OVS-DPDK 的大云 vSwitch 轉發(fā)方面面臨挑戰(zhàn)

中國移動聘請了這一領域的兩位專家， NVIDIA 和諾基亞，他們共同提供了一種高效的軟件定義網(wǎng)絡（ SDN ）解決方案。該解決方案結合了 NVIDIA ConnectX SmartNIC 和 NVIDIA 的負載、性能和效率 BlueField 數(shù)據(jù)處理器 （ DPU ）技術，具有 Nuage Networks 虛擬化服務平臺（ VSP ）的靈活性、彈性和自動化。

NVIDIA 和 Nuage 一起減輕了與 OVS 相關的計算密集型數(shù)據(jù)包處理操作，并釋放了昂貴的計算資源，因此它們可以運行應用程序而不是 SDN 任務。

SmartNIC 和 DPU 供電的加速網(wǎng)絡

NVIDIA ConnectX 系列 SmartNIC 和 BlueField 系列 DPU 提供 NVIDIA 加速交換和數(shù)據(jù)包處理（ ASAP 2） 該技術在 NIC 硬件內(nèi)運行 OVS 數(shù)據(jù)平面，同時保持 OVS 控制平面完好無損，對應用程序完全透明。

ASAP2有兩種模式。在第一種模式中，硬件數(shù)據(jù)平面構建在 SR-IOV 虛擬函數(shù)（ VF ）之上，因此每個網(wǎng)絡 VF 直接連接到其相應的 VM 。

也支持的另一種方法是通過虛擬數(shù)據(jù)路徑加速（ vDPA ）進行虛擬加速。 VirtIO 允許虛擬機對硬件設備（如網(wǎng)絡適配器）進行本機訪問，而 vDPA 允許通過在網(wǎng)絡設備和標準 VirtIO 驅動程序之間構建的 OVS 數(shù)據(jù)平面，通過稱為 Virtqueue 的設備隊列建立與 VM 的連接。這使得虛擬機和加速網(wǎng)絡之間能夠無縫集成，控制平面在主機上進行管理，而虛擬數(shù)據(jù)平面由 smartNIC 硬件加速。

圖 3.vDPA 使用 SmartNIC 硬件為每個虛擬機卸載和加速流量 。

Nuage Networks SDN 與 NVIDIA vDPA 技術的無縫集成

Nuage Networks 通過其 虛擬化服務平臺 （ VSP ）對解決方案做出貢獻。 VSP 執(zhí)行虛擬路由和交換，是基于開放 vSwitch 的分布式轉發(fā)模塊，用作網(wǎng)絡服務的虛擬端點。 VSP 立即識別計算環(huán)境中的任何變化，觸發(fā)網(wǎng)絡連接和配置中基于策略的即時響應，以確保應用程序性能。

Nuage Networks 的 VSP 使用 VXLAN 等隧道協(xié)議將原始有效負載封裝為覆蓋 SDN 解決方案。

由于標準 NIC 不識別新的數(shù)據(jù)包頭格式，傳統(tǒng)上所有數(shù)據(jù)包操作都必須由 CPU 執(zhí)行，這可能會使 CPU 負擔過重，并導致網(wǎng)絡輸入/輸出性能顯著下降，尤其是隨著服務器輸入/輸出速度的增加。

因此，覆蓋網(wǎng)絡處理需要卸載到一個特定于 I / O 的硬件適配器上，該適配器可以處理 VXLAN ，如 ConnectX 或 BlueField ，以減少 CPU 壓力。

vDPA 的性能優(yōu)勢

圖 4.OVS-DPDK 在軟件和 ASAP 中的性能比較2vDPA 硬件加速。

中國移動決定采用 VirtIO 解決方案以實現(xiàn)最大的兼容性，他們希望能夠根據(jù)使用情況選擇純 OVS 或 OVS DPDK 。通過合作， Nuage Network 和 NVIDIA 為中國移動的公共云提供了一個 SDN 解決方案，該解決方案靈活、可擴展、硬件加速，支持兩種類型的網(wǎng)絡虛擬化。

使用 Nuage Networks VSP 和 NVIDIA 硬件加速 vDPA 的聯(lián)合解決方案提供了顯著更快的性能。與單獨在軟件中運行 OVS-DPDK 相比，網(wǎng)絡吞吐量增加了 1.5 倍，數(shù)據(jù)包轉發(fā)速度加快了 3 倍， Apache 基準每秒支持的請求數(shù)增加了 7 倍。

關于作者

Ash Bhalgat 是 NVIDIA 網(wǎng)絡業(yè)務部門的云和電信市場開發(fā)高級總監(jiān)。他領導云和電信解決方案、技術營銷和合作伙伴生態(tài)系統(tǒng)業(yè)務開發(fā)，以推動網(wǎng)絡投資組合收入和市場份額增長。

審核編輯：郭婷