利用SoC芯片驱动软网络

移动互联网和智能设备的发展，极大改变了人们使用网络的方式。智能设备让人们可以随时随地互相协作和交流。移动互联网用户行为的特点是渴望新内容，特别是位置感知内容、社交网络互动、照片分享、发帖和流媒体视频。与显而易见的消费类带宽爆炸式增长一起发展的是，“物联网”的兴起。在“物联网”中，利用机器与机器（M2M）之间的通信来监测控制并自动化一切，从工业控制到安全监控。大多数这种M2M数据传输量都很小（视频传输除外），但是当网络需要跟踪大量设备时，网络总容量会受影响。这些发展趋势正在共同重塑提供内容和机器到机器交换功能的电信网络基础设施和应用服务器。

网络需求的急增给今天的网络基础设施带来沉重的负担，要求大规模升级和增加建设投入，才能勉强维持当前的用户体验。为了解决这个问题，我们需要更加强大的网络基础设施，以实现更软性、更动态的网络。下面我们将研究一些基础实现技术，这些技术能够提供支持未来软网络基础设施的计算能力、网络接入、带宽、性能以及经济性。

网络发展趋势

互联网从根本上重塑了今天的网络基础设施。再也没有单独的语音和数据网络，互联网协议（IP）是所有交流的主要协议。电信核心网络继续与移动网络和固定线路网融合。无线网络正从宏主导结构转向多机种网络（HetNet），其由各种规模的蜂窝网络组成，目的是提高其覆盖范围和容量。基于云的一些技术正推动应用设计和数据中心建设的复兴。云技术甚至被看作是基于磁场的无线电接入网络（CRAN）的替代解决方案。网络的固定线路部分正越来越多地改为光纤传输，而数据中心连接也被以太网所主导；转向40/100Gbps，可提供目前和未来应用所需的容量。深入研究使用网络的新方式，给一些领域带来明显的变化。

首先，视频传输现在很普遍，且并不仅限于YouTube流媒体。视频聊天和实况赛事在线转播变得更为普遍。它带来的影响是，上游的实时视频容量大大高于以前。传统的不对称网络的下行数据吞吐量大大高于上行数据吞吐量，这将阻碍上行数据传输，并降低实时视频性能。用户观看视频（或其他内容）时使用的设备屏幕分辨率不同，处理能力各异。这就需要基于网络或者数据中心对视频内容进行速率转换和编码转换，以管理网络带宽，并实现流畅的用户播放体验。

其次，M2M连接与无线传感器结合便搭建起“物联网”，产生实时数据，并允许通过互联网对各种设备的信息进行远程控制和处理。与下行大型应用占主导不同的是，这些机器应用通常产生向上发送信息或者点对点信息，会给网络带来更大的压力。过去，这些系统控制和数据采集（SCADA）网络均为单独、私有网络，因此成本高昂。利用互联网接入，可降低成本，并开放许多新的应用，实现实时感知、监测和控制。

M2M应用拥有更多设备，需要处理更多事务。即使数据包负载非常小，累积效应也很大，并且在进行视频监控时，数据传输量会非常大。一种替代方案是，使用智能端点和传感器，对它们采集的数据进行预处理，然后仅发送异常数据。在一些使用视频分析的视频运用系统中，这特别有效。近场通信（NFC）是另一个推动力，如果诸如自动售货机、报亭等零售终端将NFC作为其首选支付系统，它会产生数百万（也可能是数十亿）M2M网络附件。

第三个因素是基于云的应用和云计算的兴起。云计算的挑战主要是，在耗电量增长不会影响该商业模型的盈利的情况下，如何加大数据中心的规模。云数据中心需要大量的并联高性能处理器，实现应用处理和大容量数据包处理。今天，这些数据中心的计算平台均使用标准服务器，但随着使用云服务的用户越来越多，数据中心需要扩容。新的发展趋势是，使用专用处理器来帮助扩大规模。相比通用性处理器，它提供处理性能的成本更低，功耗更低。通常采用专用处理器需对应用进行细分，这要求更多更优的内部服务器通信。鉴于这个原因，应在可能的情况下，把专用应用处理与数据包处理和大容量网络切换集成在一起。

对网络架构产生的影响

以前，互联网为网页浏览模型而建，向上请求较少，而向下发送却爆炸式增长。新的数据传输模式开始利用私有和公共云应用。数据中心被重新设计，用于处理全球的需求，并把分析学应用于“大数据”。如前所述，数百万智能设备通过互联网连接，组成许多M2M网络，其通常与无线传感器相结合。随着这种网络的发展，设备种类和数据负载随之增加，传统互联网（建立在交换机和路由器基础上，使用客户端服务器组网模型）将受到挑战。依赖于放置在各个不同地点的许多不同硬件交换机和专有路由器的互联网数据传输变得很难管理。另外，它还会降低网络数据传输速度，降低可靠性和安全性，并增加成本。因此，需要彻底修改带宽不对称的传统互联网客户端服务器模型。IP会仍会是一种主要协议，但是主动软件管理控制且与处理资源联系更紧密的基于流的网络，将会更有利于大容量“东-西”连接。这需要一种更加开放的网络，即一种“更软性”的网络，其数据传输管理和路由均基于流，并且可通过软件控制。

用于未来网络的最佳SoC方法

今天，大多数传统网络设备和处理服务器均为单独开发。过去2年，无线基站开始从这种样式转向基于片上系统（SoC）的模型。这个行业正迅速朝着一个方向发展：数据中心的专用处理元件与网络处理和交换需更加紧密。这种发展趋势表明，网络设备和服务器将采用为基站所接受的SoC策略。

利用为不同应用而优化的SoC方法，可为网络创新提供强大的硬件基础。最佳的SoC解决方案必须为特定的任务选择正确的处理器，而非一种适用于所有应用的设计。例如，为了提高效率和降低功耗，一种有效的方法是：选择低功耗ARM，实现通用控制处理，而非高功耗通用服务器处理器；使用低功耗数字信号处理器（DSP），用于高效视频和图形处理。同时集成了ARM RISC内核和DSP内核的SoC，是专用服务器应用（通用服务器的补充）的理想选择。

把高速、大数据吞吐量、灵活和智能的网络子系统集成到处理SoC中，让可升级网络解决方案提高了一个层次。另外，也可以把专用硬件加速器集成到SoC中，目的是提高数据包和网络安全处理，以降低延迟性和软件复杂度。当可调数据吞吐量范围为1-100Gbps时，以太网可为数据中心的外部网络和内部服务器通信提供一种理想的互连解决方案。作为一种标准化且被广泛采用的互连解决方案，以太网可与其它网络设备进行无缝互操作。把以太网交换机集成到SoC中，可降低系统成本，缩小系统体积。利用新兴的软件定义网络，可提高网络性能和网络可靠性，并增强安全性和可管理性。

作为一种重要的软件定义网络实现标准，OpenFlow标准正快速发展。OpenFlow基于数据和控制层分离的概念。过去十年内，用于媒体网关（MGW）控制的电信软交换机已成功使用了类似的分离方法。OpenFlow具有开放式以太网数据传输交换接口，并且可以集中进行数据交换管理，而非像今天的网络一样由单个路由器来决定交换管理。它让网络运营商可以优化网络投资，降低网络硬件成本，并实现创新型新网络应用和基于流的服务。

SoC嵌入式网络将不断发展，以利用外部软件控制和控制协议支持OpenFlow，这个控制协议是通过运用引导网络数据传输的动态可配置流表来定义数据流的。一旦支持OpenFlow实现的SoC就位，使用软件控制网络传输路由的功能，将让网络管理者能够部署新的协议，并增强网络安全性和弹性。另外，网络管理者将可以在不对硬件进行大改动的情况下，控制网络拓扑来管理服务质量（QoS）。

把以太网交换技术集成到SoC中，消除了对于外部交换机的需求，并降低了硬件成本和复杂程度，从而实现更高的系统扩展性。融合了处理和组网功能的SoC解决方案，最终将可提供最高的每瓦特性能和互连带宽，并为应用处理和网络容量扩展提供一种最佳方法。

下图为可扩展SoC硬件架构例子，其揭示了未来网络的潜能。

一些新兴的SoC解决方案将让网络能够跟上现在人们对网络容量需求的爆炸式增长。强大的SoC型硬件将实现网络流，而非路由协议规则，以动态地控制连接，并确保访问安全和优先顺序。数据传输规划和管理将结合高性能数据包处理和交换硬件。这些网络组件将与DSP和ARM RISC处理组件一起嵌入，这样高性能应用处理瞬间便可完成。具有讽刺意味的是，恰恰是SoC硬件的发展推动软网络的革命。