基于ARM64 與X86 混合云的NFV 媒體服務(wù)器并發(fā)性能對比測試研究*

陳 楊，劉 作，龍俊霖，黎 聰

（廣西東信易通科技有限公司，廣西 欽州 535000）

0 引言

中央處理器（Central Processing Unit/Processor，CPU）作為智能設(shè)備的大腦，處于服務(wù)器的絕對核心地位，負(fù)責(zé)運(yùn)行指令的加載、編譯及運(yùn)行。由于它的發(fā)展具備長期迭代性，形成了一系列的高入標(biāo)準(zhǔn)，故被譽(yù)為電子行業(yè)最難攻破的制高點(diǎn)。目前，國際上服務(wù)器應(yīng)用領(lǐng)域主流CPU 仍是Intel 與AMD，而國產(chǎn)CPU 發(fā)展起步于20 世紀(jì)50 年代，在國家成立之初便將半導(dǎo)體行業(yè)列為國家級新技術(shù)重點(diǎn)發(fā)展舉措。20 世紀(jì)80 年代，由于推行完全市場化政策，而芯片自主性較低，發(fā)展受到限制。21世紀(jì)以來，國產(chǎn)CPU 利好的政策不斷推出，發(fā)展至今已初具規(guī)模，但相對于互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用發(fā)展尚存在較大差距，需要不停追趕。

典型的國產(chǎn)服務(wù)器芯片廠商諸如鯤鵬、申威、龍芯以及飛騰等都發(fā)布了國產(chǎn)化芯片，可以根據(jù)指令集體系劃分為復(fù)雜指令集CISC 和精簡指令集RISC 兩個流派。其中，復(fù)雜指令集CISC 基于X86架構(gòu)，國內(nèi)應(yīng)用廠家有兆芯和海光；精簡指令集RISC 包括ARM 架構(gòu)、Alpha 架構(gòu)和MIPS 架構(gòu)，國產(chǎn)應(yīng)用廠家有鯤鵬、龍芯、申威及飛騰等。

X86 的生態(tài)體系發(fā)展至今已經(jīng)非常成熟，尤其在服務(wù)器芯片領(lǐng)域明顯優(yōu)于ARM。但是，由于X86版權(quán)及指令集不會完全授權(quán)出售，ARM 架構(gòu)雖然生態(tài)尚未成熟，但是由于已經(jīng)授權(quán)了指令集，因此ARM 在移動設(shè)備上具有天然優(yōu)勢，同時具備開放指令集與軟件開發(fā)活躍度。目前，ARM 是發(fā)展國產(chǎn)化芯片的必然趨勢。

媒體網(wǎng)關(guān)作為銜接異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)媒體的核心設(shè)備，在當(dāng)前國際形勢下需要形成完全自主研發(fā)的技術(shù)與條件。隨著5G 的到來，萬物互聯(lián)對媒體互通形成了海量需求。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）作為5G 的核心關(guān)鍵技術(shù)之一，需要將傳統(tǒng)專用網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)軟化動態(tài)部署。綜上所述，軟化媒體網(wǎng)關(guān)與國產(chǎn)化服務(wù)器的適配及研究是未來發(fā)展趨勢。

1 NFV 與容器云相結(jié)合

1.1 NFV 與媒體網(wǎng)關(guān)

NFV 的提出及發(fā)展是站在使通信網(wǎng)絡(luò)更加靈活的角度出發(fā)，將傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)專用硬件實(shí)現(xiàn)軟硬件解耦，與云平臺相結(jié)合，在集群與負(fù)載均衡方面實(shí)現(xiàn)動態(tài)擴(kuò)容及伸縮。NFV 虛擬化環(huán)境下部署的軟化媒體網(wǎng)關(guān)，其測試評估的主要功能包括支持多種編解碼和編碼轉(zhuǎn)換、話路接續(xù)能力、支持高并發(fā)能力、形成語音和通知流（任何多媒體文件）、協(xié)議轉(zhuǎn)換以及多媒體流錄音能力等[1]。

1.2 容器云

云是計算、存儲與網(wǎng)絡(luò)3 大資源的網(wǎng)絡(luò)化，可以無限橫向擴(kuò)展的超巨型資源池。容器技術(shù)是云計算發(fā)展的趨勢，致力于將云資源池與App 應(yīng)用銜接，通過整合部署所需最小化鏡像，實(shí)現(xiàn)動態(tài)部署、彈性伸縮與擴(kuò)容。容器云技術(shù)的顯著優(yōu)勢包含高資源利用率、標(biāo)準(zhǔn)化和可移植。

在高資源利用率方面，相較于傳統(tǒng)虛擬機(jī)直接部署模式，容器可以節(jié)約CPU 和內(nèi)存利用率約75%，且減少了虛擬化Hypervisor 層的開銷。目前主流用法與建議是CPU 與vCPU 比例為1:1～1:3。當(dāng)達(dá)到3:1～5:1 時，可能會引發(fā)性能下降；超過6:1，則通常會引發(fā)問題[1]。

標(biāo)準(zhǔn)化和可移植體現(xiàn)在能夠進(jìn)行低風(fēng)險的快速部署與應(yīng)用移植，而用戶無感知。基于容器化原生應(yīng)用自帶操作系統(tǒng)，隨時隨地可以運(yùn)行。由于它具備高度一致性，可以從測試直接同步到生產(chǎn)環(huán)境，而忽略版本不一致所導(dǎo)致的各種衍生問題。

1.3 結(jié)合優(yōu)勢

通信服務(wù)應(yīng)用存在著潮汐性峰值。在業(yè)務(wù)高峰期，需要大量的系統(tǒng)資源滿足承載業(yè)務(wù)量的需求。但是，在業(yè)務(wù)低谷期，大量的系統(tǒng)資源又處于閑置狀態(tài)。承載通信服務(wù)的容器云資源池需要能夠根據(jù)各業(yè)務(wù)的事實(shí)流量，彈性調(diào)配系統(tǒng)資源。容器是以應(yīng)用為中心的虛擬化環(huán)境，與編程語言、技術(shù)棧無關(guān)，比傳統(tǒng)PaaS 靈活。它對應(yīng)用的支撐也比底層平臺多，可以發(fā)揮微服務(wù)架構(gòu)的優(yōu)勢。同時，容器是基于輕量級虛擬化的技術(shù)，天生具有高密度特性，可以更加高效地使用資源。NFV 是5G 的兩大核心技術(shù)之一，采用容器作為NFV 虛擬化技術(shù)能夠更加高效地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)切面的形成，提高生成效率。

2 基于異構(gòu)服務(wù)器的媒體網(wǎng)關(guān)性能對比測試

2.1 測試性能指標(biāo)與流程

基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的NFV 虛擬化環(huán)境下部署的NFV 化媒體網(wǎng)關(guān)，主要測試指標(biāo)及內(nèi)容包括相同通話話路并發(fā)下的CPU 性能、內(nèi)存性能、網(wǎng)絡(luò)IO 性能對比以及并發(fā)瓶頸限制等。圖1 為本文既定測試框架，流程分為搭建基礎(chǔ)環(huán)境、NFV 虛擬化功能網(wǎng)元部署及數(shù)據(jù)分析3 部分[2]。

圖1 測試框架流程

2.2 測試平臺搭建

測試平臺搭建主要任務(wù)劃分為異構(gòu)服務(wù)器上架部署與納入容器化平臺管理。其中：X86 指令物理機(jī)采用華為RH2288H V3 服務(wù)器；ARM64 指令集物理機(jī)采用華為TaiShan2280 12LFF 服務(wù)器。具體配置見表1[3]。

表1 異構(gòu)私有云搭建配置

基于表1 中所屬配置進(jìn)行NFV 虛擬化功能網(wǎng)元平臺搭建，即VNF 應(yīng)用部署，如圖2 所示。其中，Hypervisor 虛擬化層采用容器，將Application 應(yīng)用進(jìn)行容器化改造，通過K8S 將X86 與ARM64 服務(wù)器納入容器平臺管理，通過Docker 將應(yīng)用進(jìn)行容器化改造與部署。文中主要異構(gòu)NFV 軟化部署媒體服務(wù)器后的并發(fā)性能對比，錄音與非錄音情況對比[4]。系統(tǒng)的部署拓?fù)鋱D，如圖3 所示。

圖2 異構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)施的容器云平臺

圖3 測試系統(tǒng)組網(wǎng)拓?fù)?/p>

2.3 測試結(jié)果分析與結(jié)論

虛機(jī)配置如表2 所示，基于G.711 格式媒體及wav 的錄音格式進(jìn)行壓測，以50 并發(fā)為粒度進(jìn)行并發(fā)遞增。

表2 容器宿主機(jī)配置及軟件部署

如圖4 所示，壓測數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，內(nèi)存、網(wǎng)卡IO 性能相差較小。性能主要集中于CPU 性能，當(dāng)并發(fā)處于50～150 時，ARM64 需要額外增加30%左右的CPU 性能；當(dāng)高于150 并發(fā)時，ARM64 指令集處理器與X86 指令集處理器性能趨于相近，性能相差低于10%。由測試數(shù)據(jù)可以得出，在4vC8G內(nèi)存配置下，當(dāng)并發(fā)數(shù)超過150 時，ARM64 與X86性能相差較??；ARM64 架構(gòu)服務(wù)器在承載并發(fā)50跳躍到100 時，性能損耗增加20%左右，并將使用率提高至80%。當(dāng)高于80%CPU 利用率后，會存在呼損情況，實(shí)際承載性能鯤鵬916 為E5-2683 v4的50%左右，故建議4vC8G 配置下，ARM64 架構(gòu)容器組承載峰值限制在100 并發(fā)。

1985年前，美國的天然氣運(yùn)營模式是生產(chǎn)商把天然氣銷售給管道運(yùn)輸公司，管道運(yùn)輸公司則銷售給地方輸配公司，再經(jīng)地方輸配公司把天然氣銷售給最終用戶。天然氣的銷售價格由聯(lián)邦政府控制，經(jīng)地方輸配公司銷售給最終用戶的價格由地方政府機(jī)構(gòu)控制。管理機(jī)構(gòu)幾乎控制著天然氣工業(yè)的各部分。國家不僅對具有自然壟斷特性的管道輸送部分進(jìn)行管理，還對天然氣工業(yè)的競爭部分進(jìn)行管理（例如生產(chǎn)和批發(fā)供應(yīng)）。國家的嚴(yán)格管理使天然氣公司承受了很大的壓力，也使天然氣價格和消費(fèi)部分處于畸形發(fā)展之中。對天然氣生產(chǎn)商的過度管理導(dǎo)致20世紀(jì)70年代美國天然氣供應(yīng)缺乏。該工業(yè)結(jié)構(gòu)封閉式地運(yùn)作自然形成壟斷，引發(fā)之后天然氣工業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整。

圖4 性能對比數(shù)據(jù)

3 結(jié)語

NFV 架構(gòu)是5G 發(fā)展的兩大核心技術(shù)之一。ARM64 指令集處理器是國產(chǎn)化服務(wù)器的最重要的分支[5]。本文基于ARM64 與X86 制定搭建異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)測試框架，在搭建的虛擬化容器管理平臺上進(jìn)行VNF 虛擬化功能網(wǎng)元部署與測試，通過逐步增加并發(fā)話路方式進(jìn)行異構(gòu)處理器壓力測試。通過對結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出對比測試結(jié)論，可為NFV 基礎(chǔ)設(shè)施國產(chǎn)化提供參考。