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1. 背景與挑戰(zhàn)

隨著云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)以及5G網(wǎng)絡的興起，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆炸式增長，同時也對數(shù)據(jù)中心建設提出了更苛刻的要求，而如何建設滿足未來3至5年業(yè)務發(fā)展的需要，則是每位數(shù)據(jù)中心從業(yè)者都需要思考的命題。

建設高性能數(shù)據(jù)中心傳統(tǒng)思路主要是一方面推動數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡帶寬升級進而帶動組網(wǎng)架構升級（即10G/40G模型向25G/100G組網(wǎng)模型演進，進而向100G/400G模型演化）；另外一方面則是引入基于SDN Telemetry等智能管理技術使數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡實現(xiàn)自動化、智能化運維管理，最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡“管控析”融合升級。

（圖1：傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心方案升級之路）

但數(shù)據(jù)中心基礎設施三大件：計算、存儲近些年都有長足的進步，其中，計算，在CPU基礎上，出現(xiàn)了像GPU、TPU等為特定場景、特定業(yè)務而生的處理器芯片，計算效率成百上千的提升；存儲，在HDD機械硬盤的基礎上出現(xiàn)了SSD全閃存產品，存取效率也得到質飛躍。網(wǎng)絡雖然出現(xiàn)了SDN技術，但其內核本質還是TCP/IP技術，而TCP/IP處理機制是“盡力而為”，涉及“TCP/IP協(xié)議棧處理時延大”和“因協(xié)議棧處理機制帶來的CPU負載居高不下的問題”，并沒有太大的改進：

TCP/IP協(xié)議棧處理時延大：

1. TCP協(xié)議棧在收/發(fā)報文時，需要做多次上下文切換，每次切換需耗費5us~10us左右時延；

2. 以及至少三次的數(shù)據(jù)拷貝，嚴重依賴CPU進行協(xié)議封裝，協(xié)議棧就本身就有數(shù)十微秒的固定時延，使得在AI人工智能和SSD分布式存儲-微秒級系統(tǒng)中，協(xié)議棧時延成為最明顯的瓶頸；

服務器CPU負載居高不下：

1. 除固定時延問題，TCP/IP還需主機CPU多次參與協(xié)議棧內存拷貝。網(wǎng)絡規(guī)模越大，網(wǎng)絡帶寬越高， CPU在收發(fā)數(shù)據(jù)時的調度負擔越大，導致CPU持續(xù)高負載。

2. 按照業(yè)界測算數(shù)據(jù)：每傳輸1bit數(shù)據(jù)需要耗費1Hz的CPU資源；當網(wǎng)絡帶寬達到25G以上（滿載），絕大多數(shù)服務器，至少50% CPU資源將不得不用來傳輸數(shù)據(jù)。

（圖2：難道TCP/IP是木桶最短的那塊板？）

基于此，TCP/IP的下一跳，到底在哪里？

2. 鑫啟典SeerFabric智能無損數(shù)據(jù)中心解決方案

2.1 技術發(fā)展趨勢1：RDMA適時而生

傳統(tǒng)TCP/IP技術在數(shù)據(jù)包處理過程中，需要首先經(jīng)過軟件應用和操作系統(tǒng)的處理，需要占用大量的服務器資源和內存總線帶寬資源，這一過程中存在多次數(shù)據(jù)拷貝、中斷處理以及處理復雜的TCP/IP協(xié)議處理等問題，從而無可避免的就會帶來網(wǎng)絡時延過大的結果。

RDMA(Remote Direct Memory Access)技術全稱“遠程直接內存訪問”，是為了解決網(wǎng)絡傳輸中服務器端數(shù)據(jù)處理的延遲而產生的技術。支持將用戶應用中的數(shù)據(jù)直接傳入服務器存儲區(qū)，通過網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)從一個系統(tǒng)快速傳輸至遠程系統(tǒng)的存儲中。

（圖3：TCP/IP和RDMA協(xié)議棧處理流程對比）

RDMA技術實現(xiàn)了在網(wǎng)絡傳輸過程中兩個節(jié)點之間數(shù)據(jù)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的直接傳遞，在本節(jié)點可以直接將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳送到遠程節(jié)點的內存中，繞過操作系統(tǒng)內的多次內存拷貝，相比于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡傳輸，RDMA無需操作系統(tǒng)和TCP/IP協(xié)議棧的介入，可以輕易的實現(xiàn)超低延時的數(shù)據(jù)處理、超高I/O吞吐量的傳輸，基本不需要遠程節(jié)點CPU等資源的介入，不必因為數(shù)據(jù)的處理和遷移耗費過多的資源。

RDMA技術最早出現(xiàn)在Infiniband網(wǎng)絡，用于HPC高性能計算集群的互聯(lián)。傳統(tǒng)的基于Socket套接字(TCP/IP協(xié)議棧)的網(wǎng)絡通信，需要經(jīng)過操作系統(tǒng)軟件協(xié)議棧，數(shù)據(jù)在系統(tǒng)DRAM、處理器Cache和網(wǎng)卡Buffer之間來回拷貝搬移，因此占用了大量的CPU計算資源和內存總線帶寬，也加大了網(wǎng)絡延時。

（圖4：RDMA協(xié)議的技術優(yōu)勢？）

舉例來說，40Gbps的TCP/IP流能耗盡主流服務器的所有CPU資源，RDMA技術則很好的解決了傳統(tǒng)TCP/IP通信的技術痛點。例如，在40Gbps場景下，采用RDMA技術的服務器，CPU占用率會從100%下降到5%，網(wǎng)絡延時從ms級降低到10us以下，極端場景下甚至會更多，所以RDMA技術帶來的優(yōu)勢是顯而易見的，同時RDMA技術又可以在數(shù)據(jù)中心幾乎所有業(yè)務流量場景都可以采用，比如應用到應用、計算到計算、計算到存儲和存儲到存儲四類場景，并且對于數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)讀取效率的提升又顯而易見。

（圖5：RDMA技術在四類場景流量模擬）

2.2 技術發(fā)展趨勢2：RDMA技術介紹

現(xiàn)階段，RDMA網(wǎng)絡技術主要為Infiniband、RoCE和iWARP，Infiniband網(wǎng)絡主要出現(xiàn)在HPC高性能計算場景，因為其自身技術特點的因素，該技術采用的一切都是專用的，包括應用程序、編程接口、網(wǎng)絡協(xié)議、網(wǎng)卡、網(wǎng)絡設備和硬件接口形式乃至管理軟件都是專用的。iWARP基于TCP/IP協(xié)議的RDMA技術，由IETF標準定義發(fā)布，本文受制于篇幅所限，重點介紹RoCE技術。

RoCE技術基于以太網(wǎng)的RDMA技術，Emulex聯(lián)合IBTA（InfiniBand Trade Association, InfiniBand行業(yè)協(xié)會）共同宣布推出，發(fā)展至今已經(jīng)發(fā)布兩個版本，最新RoCEv2版本，將IB的GRH(Global Routing Header)換成UDP Header + IP Header。 RoCE v2工作在UDP之上，采用UDP 4791端口進行傳輸，支持路由，所以有時又會稱為可路由的RoCE，簡稱RRoCE。

（圖6：主流RDMA技術演化與對比）

2.3 技術發(fā)展趨勢2：RDMA無損網(wǎng)絡技術

RDMA的提出之初承載在無損的InfiniBand網(wǎng)絡中，Infiniband網(wǎng)絡提供完善的丟包重傳機制，對于InfiniBand架構，接收端僅可接收有序報文，如果有丟包發(fā)生，會引起流中斷；當有丟包發(fā)生時，接收端會發(fā)送帶有PSN (packet sequence number報文序列號) 的NACK (not ACK否認字符) 控制報文到發(fā)送端，來重傳丟失報文及后續(xù)報文。

（圖7：基于InfiniBand的重傳機制）

但是當RDMA技術應用在以太網(wǎng)中時候，以太網(wǎng)本質是“盡力而為”的網(wǎng)絡，因為以太網(wǎng)缺乏完善的丟包保護機制，對于丟包異常敏感，超過0.1%（千分之一）的丟包率將導致網(wǎng)絡有效吞吐急劇下降至75%；而1%的丟包則使得網(wǎng)絡有效吞吐率幾乎下降為0；所以要使得RDMA吞吐不受影響，丟包率最好保證在萬分之一（0.1‰）甚至是十萬分之一（0.01‰）以下，即最好無丟包。

（圖8：傳統(tǒng)以太網(wǎng)缺少完善的丟包保護機制）

而原生以太網(wǎng)的設計理念是“盡力而為”的網(wǎng)絡，并不是無損網(wǎng)絡，因此無損以太網(wǎng)絡則需要PFC基于優(yōu)先級的流量控制（Priority-based Flow Control，IEEE802.1Qbb）、ECN顯示擁塞通知（Ethernet Congestion Notification，IEEE802.1Qau）、DCBX數(shù)據(jù)中心橋能力交換協(xié)議（Data Center Bridging Exchange Protocol，IEEE802.1Qaz）和ETS增強傳輸選擇（Enhanced Transmission Selection，IEEE802.1Qaz）四個技術配合完成，其中以太網(wǎng)層主要是PFC、ETS、DCBX；IP層主要是ECN；IB傳輸層主要是ECN，業(yè)務處理流程大致如下：

（圖9：RDMA無損以太網(wǎng)計算場景技術全景）

其中PFC和ECN是其中兩個必選技術，一般情況推薦，雖然PFC是二層技術，ECN是網(wǎng)絡層和傳輸層技術，但是PFC與ECN能夠同時使能，并且推薦在RoCE環(huán)境中同時使能，以保證RoCE報文無丟包并且網(wǎng)絡帶寬得到保證。從充分發(fā)揮網(wǎng)絡高性能轉發(fā)角度，一般建議通過調整ECN和PFC的buffer水線，讓ECN快于PFC觸發(fā)，即網(wǎng)絡還是持續(xù)全速進行數(shù)據(jù)轉發(fā)，讓服務器主動降低發(fā)包速率。若還不能解決問題，再通過PFC讓上游交換機暫停報文發(fā)送，雖然整網(wǎng)吞吐性能降低，但是不會產生丟包，兩大技術相互配合以期最終實現(xiàn)網(wǎng)絡無損。

2.4 鑫啟典SeerFabric智能無損數(shù)據(jù)中心方案全景

借助鑫啟典在網(wǎng)絡領域近20年的積累和行業(yè)客戶業(yè)務的理解，新華三發(fā)布SeerFabric智能無損數(shù)據(jù)中心解決方案，解決方案整體基于云邊AI協(xié)同架構，能夠借助智能學習為不同業(yè)務場景構建智能無損控制模型，并能實現(xiàn)對業(yè)務場景的智能識別，進而完成相應模型參數(shù)的動態(tài)匹配，以大帶寬、低時延、零丟包的精確轉發(fā)和可確定性網(wǎng)絡體驗，廣泛服務于互聯(lián)網(wǎng)、政府、金融、生產娛樂、高性能計算等重要行業(yè)和領域的數(shù)字化轉型。

（圖10：鑫啟典SeerFabric智能無損數(shù)據(jù)中心解決方案架構）

鑫啟典SeerFabric智能無損解決方案覆蓋計算、存儲、網(wǎng)絡交換、管理控制、性能展現(xiàn)與優(yōu)化端到端的大帶寬、遞時延、零丟包的精確轉發(fā)和可確定性網(wǎng)絡體驗，從解決方案架構上，又可劃分為管控析層和ICT基礎設施（網(wǎng)絡、計算、存儲）層，從應用場景上主要分為傳統(tǒng)計算場景、存儲網(wǎng)絡場景和高性能計算三大場景，要做到三大場景統(tǒng)一融合，管控析層是最為至關重要的環(huán)節(jié)，主要是智能控制引擎SeerEngine和智能分析器SeerAnalyzer來承載實現(xiàn)。SeerEngine實現(xiàn)構建基于場景的業(yè)務流量模型和模型匹配，實現(xiàn)智能無損網(wǎng)絡的動態(tài)控制；SeerAnalyzer實現(xiàn)端到端精細化數(shù)據(jù)采集和無損性能狀態(tài)可視，并依據(jù)性能狀態(tài)數(shù)據(jù)使用AI-ECN算法完成網(wǎng)絡設備ECN水線的動態(tài)智能調優(yōu)計算。

鑫啟典 AI-ECN充分實現(xiàn)了數(shù)據(jù)、智能算法和專業(yè)知識的結合，為新華三SeerFabric智能無損解決方案智能化賦能。

端到端細粒度的性能指標Telemetry數(shù)據(jù)采集上，充分挖掘智能網(wǎng)卡、存儲、H3C網(wǎng)絡設備精細化性能數(shù)據(jù)采集能力，使得智能算法能夠感知RoCE流量成份及大小、網(wǎng)絡設備緩存隊列的動態(tài)變化等；數(shù)據(jù)項包括接口及隊列的各種性能統(tǒng)計指標、以及網(wǎng)絡設備偵聽的RoCE流會話統(tǒng)計等。同時，通過部署于服務器上的Agent和智能網(wǎng)卡配合，提供RoCE流量的撥測能力，在業(yè)務上線之前就可以對網(wǎng)絡進行可視化調試調優(yōu)。支持的RoCE智能網(wǎng)卡包括Mellanox系列網(wǎng)卡、Intel E810網(wǎng)卡等。

在算法上，真實的實驗環(huán)境采集不同流量模型下的性能KPI，并通過應用的真實體驗進行標注后形成訓練數(shù)據(jù)集，結合專家知識建模并離線訓練后，生成ECN水線動態(tài)調優(yōu)模型。新華三 AI-ECN調優(yōu)算法模型具有效率高、計算量小的特點，同時支持控制器集中式調優(yōu)和網(wǎng)絡設備分布式本地調優(yōu)兩種模式。例如，在集中式調優(yōu)模式下，不需要專用的AI芯片，使用搭載Intel XEON-SP服務器的管控析集群，就可在較大規(guī)模網(wǎng)絡管理下，開啟ECN水線調優(yōu)；在本地模式下，搭載Intel XEON-D 和 ATOM的新華三網(wǎng)絡交換機，僅以較小的CPU開銷就可以完成調優(yōu)。

3. SeerFabric解決方案價值與亮點

智能：基于AD-DC應用驅動數(shù)據(jù)中心

鑫啟典SeerFabric智能無損數(shù)據(jù)中心解決方案SeerAnalyzer智能分析器支持實現(xiàn)網(wǎng)絡及聯(lián)接的存儲和計算資源，基于AI學習及專家知識，對網(wǎng)絡，計算，存儲資源，構建差異化數(shù)據(jù)中心場景的智能無損網(wǎng)絡分析模型。SeerAnalyzer智能分析器實時監(jiān)控RoCE基礎數(shù)據(jù)，采集重點關注包括ingress/egress丟包計數(shù)/總量、ingress/egressPFC計數(shù)/總量、ingress/egress buffer使用情況、ECN、headroom buffer使用、Ingress/egress門限閾值超限次數(shù)等等信息；同時分析器還會收集RDMA實時告警上報信息，諸如ingress/egress丟包告警信息、Headroom Buffer超限丟包告警信息、egress buffer超限告警以及通過Netconf操作配置變更信息等關鍵信息，SeerAnalyzer收集上述網(wǎng)絡大數(shù)據(jù)信息，從而訓練基于業(yè)務的網(wǎng)絡模型，洞察網(wǎng)絡，并多維度實時評價、統(tǒng)計、歸納、可視化呈現(xiàn)，進一步實現(xiàn)精準根因分析，并實現(xiàn)異常預測和趨勢分析，并最終通過與SeerEngine智能控制器實現(xiàn)智能聯(lián)動以及網(wǎng)絡優(yōu)化，閉環(huán)自愈網(wǎng)絡，為用戶業(yè)務保障護航。

針對AI人工智能計算場景，多打一發(fā)送Burst流量時，Buffer不溢出的情況下支持的最大N值，而實現(xiàn)這一需求就需要網(wǎng)絡設備工作在“Lossless”無損模式，針對多打一即N：1 Incast模型場景，鑫啟典SeerFabric智能無損解決方案支持通過智能分析器SeerAnalyzer采集網(wǎng)絡大數(shù)據(jù)基于新華三AI算法向網(wǎng)絡基礎下發(fā)參數(shù)調優(yōu)。

鑫啟典SeerFabric智能無損數(shù)據(jù)中心解決方案支持基于buffer深度調優(yōu)的基礎上，還支持基于鏈路帶寬利用率實現(xiàn)AI ECN調優(yōu)，比如當鏈路帶寬利用率超過90%、95%以上的時候，交換機通過AI ECN功能實現(xiàn)帶寬和時延的業(yè)務平衡。

融合：以太網(wǎng)一統(tǒng)三大場景實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心業(yè)務大融合

傳統(tǒng)存儲SAN網(wǎng)絡場景一直都是FC（Fabric Channel）光纖交換機的天下，自2017年，全球數(shù)據(jù)中心存儲市場，閃存盤（SSD, Solid-State Drive）市場份額超過機械硬盤（HDD，Hard Disk Drive）至今，已經(jīng)有行業(yè)客戶開始把企業(yè)生產業(yè)務運行在SSD存儲上。存儲場景NVME-of替代傳統(tǒng)FC SAN網(wǎng)絡重點需關注：服務器通過手工配置來發(fā)現(xiàn)磁盤設備，并和磁盤設備建立長連接。如服務器長時間未收到磁盤設備發(fā)送的報文，則認為磁盤設備故障，將存儲流量切換到備用路徑。

鑫啟典SeerFabric智能無損數(shù)據(jù)中心解決方案支持智能無損存儲網(wǎng)絡技術解決方案，即iNOF（Intelligent Lossless NVMe Over Fabric，智能無損存儲網(wǎng)絡），該技術是一種以太網(wǎng)和存儲網(wǎng)絡融合的技術，通過和LLDP（Link Layer Discovery Protocol，鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議）配合使得iNOF內的所有設備可以第一時間自動感知服務器和磁盤設備的加入和離開，以便產品可以智能調整相關配置，最終協(xié)助實現(xiàn)存儲流量在以太網(wǎng)的無丟包、高吞吐傳輸。相對于傳統(tǒng)NVMe技術，鑫啟典SeerFabric智能無損數(shù)據(jù)中心解決方案iNOF具備優(yōu)勢：

2 即插即用：當主機接入iNOF網(wǎng)絡時，其它已在iNOF網(wǎng)絡的主機會迅速發(fā)現(xiàn)新加入的主機，并自動發(fā)起和新主機的連接。

2 故障智能快速感知：當主機接入iNOF網(wǎng)絡的某條鏈路故障時，iNOF交換機會迅速將該故障通知給iNOF網(wǎng)絡中的其它主機，然后其它主機可以智能感知快速跳轉。

超寬：大帶寬支持400G組網(wǎng)演化

鑫啟典SeerFabric智能無損數(shù)據(jù)中心解決方案支持主流數(shù)據(jù)中心交換機產品，即框盒組網(wǎng)，盒盒組網(wǎng)，覆蓋10G/40G組網(wǎng)模型、25G/100G組網(wǎng)模型、100G/100G組網(wǎng)模型和100G/400G模型全覆蓋；

針對數(shù)據(jù)中心互聯(lián)DCI場景，F(xiàn)C帶寬底、成本高的劣勢，新華三SeerFabric智能無損解決方案提供基于400G超長距離無損網(wǎng)絡解決方案，是業(yè)界4倍，同時結合新華三智能控制器SeerEngine和智能分析器SeerAnalyzer可以實現(xiàn)存儲網(wǎng)絡自動化運維管理，有效降低用戶運維成本，降低用戶工作量。