提升云NFV基础设施的运营效率

从2015年到2021年，移动数据流量将增长高达10倍以上。数据和新服务的需求大量涌现，数据和需求的来源不仅来自智能手机，还保留物联网（IoT）设备。电信运营商需要通过提供更快更新的服务来增强竞争力，尤其是随着5G的采用，电信运营商目前正在着手构建的网络功能虚拟化（NFV）基础设施必须满足这种迫在眉睫的需求。电信运营商目前面临的一个根本挑战是，以最低的NFV基础设施成本提供最多的创新服务。

Figure 1 – Mobile data traffic growth driven primarily by video, gaming, data, and IoT applications

敏捷高效的服务器基础设施是关键

服务器是NFV基础设施的核心模块，它承载了虚拟机（VM）中运行的web、业务逻辑、网络和安全的应用程序。他们是运营商向移动设备和IoT设备以及用户提供的服务和获取收入来源，每个月有超过60%的数据中心的成本花费在这些服务器以及相关的电力和冷却上。因此，提高NFV基础设施中每个服务器的效率是电信运营商首要关注的，其次是使用云编排工具（如OpenStack）管理服务器相关的运营效率。

Figure 2 – Server monthly costs based on 3-year server and 10-year infrastructure amortization.

影响服务器性能的因素

为了提供必要的服务，VM以及其中运行的应用程序，需要在服务器中访问足够的资源，例如CPU核心、内存、存储、安全策略规则、网络带宽和分析处理等。基于它们在NFV基础设施中托管的应用程序，VM根据其资源需求有不同的配置文件，一些VM是计算密集型的，一些是内存密集型的，另外一些是I/O密集型的。

VM需要安全和网络服务，这些服务是通过OpenStack网络管理的虚拟交换机（如Open vSwitch，OVS）或虚拟路由（如Contrail vRouter）提供的。他们需要报告实时分析，在大多数情况下，虚拟交换机或虚拟路由代表VM收集分析数据，并将数据报告给中央分析处理引擎。

当使用传统的服务器网络技术（如10/25/40 Gb以太网网卡（NIC））时，使用虚拟交换机或虚拟路由提供安全、网络和分析服务可消耗高达12个CPU内核。对于互联网混合（IMIX）流量，向VM传输的I/O吞吐量被限制到低于6 Gb/s。来自移动和物联网设备的流量在到达数据中心服务器时转变为连接和连接建立速率（connection setup rates）。在这些情况下，连接建立速率（connection setup rates）被限制到每秒5000个，消耗12个额外CPU核心，在服务器软件中处理连接建立逻辑。因此，计算密集型虚拟机无法获得所需的CPU核心，而网络密集型虚拟机无法获得他们所需的I/O吞吐量。结果是服务器效率很差，其中每个服务器的输出减少到预期值的六分之一。

服务器基础设施运营效率

有一个常识是管理很多相同的事物比管理不同事物的孤岛容易的多，OpenStack管理的同构服务器是NFV基础设施或任何数据中心基础设施的理想选择。使用服务器中的传统NIC（或商用NIC），可以实现整个数据中心服务器的同质性目标。然而，这样做的后果是每个服务器的效率被降到最低。当传统网卡与基于软件的虚拟交换机或虚拟路由搭配使用时，只能使用专用网络配置满足特定虚拟机配置文件的需求。

例如，一个需要低I/O吞吐量的VM可以用来实现网络配置，在其内核中执行基于软件的虚拟交换机或虚拟路由器，并且为这样的处理分配四到六个CPU核心。在另一种情况下，使用DPDK在用户空间中执行基于软件的虚拟交换机或虚拟路由器，并且可以为这样的处理分配八到十个CPU核心以向VM提供更高的I/O吞吐量。第三种情况是，可以使用诸如SR-IOV技术将最高I/O吞吐量传输到某些简档的VM。这样做的优势是，服务器可以为满足VM的配置文件需求而配置，缺陷是我们要有不同的服务器配置。VM不能自由放置和移动，这些缺陷影响了NFV服务器基础设施的运营效率。

Figure 3 – Network configuration silos resulting in significantly reduced operational efficiencies

智能NIC时代到来

无论是为了提高每个服务器的效率，还是整个数据中心和NFV基础设施的运营效率，智能网卡（SmartNIC）都能为这些问题提供解决方案。智能网卡（SmartNIC）是可编程的网卡，针对COTS（common off-the-shelf）服务器和基于开源部署进行了优化，使用最新版本的Open vSwitch（OVS）和Contrail vRouter提供完整的OpenStack管理解决方案。

在单个服务器效率方面，智能网卡可以将每台服务器的输出提高6倍，从而带来以下优势：

1)节省10个以上CPU核心

2)5倍以上I/O吞吐量，同时保持OVS和Contrail vRouter提供的丰富的联网服务

3)20多倍的连接建立速率

4)提高10倍以上的实时分析的价格/性能

此外，智能网卡还支持统一的OpenStack管理的COTS服务器基础架构，实现用户虚拟机和第三方虚拟网络功能（VNF）的无缝和快速入门，同时保持完整的虚拟机移动性。因此，使用智能网卡可显著提高整个数据中心的服务器基础设施运营效率。

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标签：基础设施,VM,NFV,虚拟,运营,服务器,CPU
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