似乎每天都有新型可上網器件發布的消息。不管是智能手機、平板電腦、電子閱讀器，或者甚至是能連接網絡的電冰箱，基礎設置性能需求的增加，這些器件被賦予具有直接連網的功能。不管是在用戶端還是在數據中心級別，功耗是一個必須處于可控程度的領域，尤其是此需求仍在持續增加。

節能——一項系統的方法

在網絡系統平臺里有兩種基本的節能方式。第一種是通過核心技術篩選，選擇那些每瓦特能提供最優化性能的適當的原件。這能減小電源的尺寸，且能減小總體的功耗。第二種方法基于應用的效率，以及如何用最小的功耗實現最大的性能，這使得節能不僅僅體現在總體的瓦數上，還體現在初始的成本上。

在任何計算平臺，最高的耗能原件之一都是處理器。在高性能的網絡應用中，速度和吞吐量是至關重要的，并且使用多個處理器是司空見慣的事情，這使得節能的挑戰更加嚴重。

增加時鐘頻率是提高處理器性能的傳統方法。然而，功耗與時鐘頻率的平方成正比，這項技術增加了功耗，是不實用的。

改進的每瓦特性能

隨著多核處理器架構的引入，處理器運行于更節能的時鐘頻率下，功耗問題得到改善。當某項應用可以邏輯地劃分為相互獨立的可管理的個體時，最重要的進步可以通過總體的系統吞吐量和功耗管理來取得。

圖1 每瓦功耗下CPU PassMark性能示例

對于網絡應用，數據處理和控制處理可以分開進行。多核處理器可以做到這一點，在總體每瓦特性能提升的同時維持功耗在可管理的級別。例如，Intel最新的Xeon 5600系列處理器——E5645，它具有六個處理器核，TDP僅有80W。

通過篩選恰當的多核處理器，我們已經解決了上面提到的節能方法的第一部分。第二部（提高效率）完全與軟件以及軟件如何使用相關。高性能的數據處理需要大量同時運行的個體被輪流管理，這就需要一種高效的數據包處理軟件解決方案。

軟件滿足功耗/性能的挑戰

操作系統及其堆棧網絡是數據包處理效率的主要約束因素。

優化效率的關鍵是限制那些直接到達操作系統網絡堆棧的數據包。其中一種方法是通過將網絡執行分成兩個層次。一種是較低的層次，為快速路徑，數據主體通過它來流動。這樣，輸入的數據包就可以在操作系統環境之外進行處理，且避免了操作系統的耗費。那些需要復雜處理過程的相對較少的數據包，例如必要的管理、信號以及控制功能等，可以送到操作系統網絡堆棧。

圖2 能量效率目標

用這種方法劃分數據包處理過程維持了標準操作系統應用界面，最小化或者說消除了對應用軟件功能性的影響。一項額外的好處是可移植性，因為不需要重寫或重新認證現有的應用。它們能快速運行僅僅是由于數據通過快速路徑形成數據包。

在給定了數據處理和軟件如何劃分的方式之后，就可以充分利用多核處理器。可以利用有限數量的處理器核來運行操作系統的網絡堆棧，從而解放其他的處理器核以運行快速路徑的數據包處理。標準操作系統堆棧可伸縮性的缺乏不再會沖擊系統性能，因為大多數的數據包不再會受限于不必要的延遲。快速路徑的處理器核專用于執行那些能實際決定產品性能的功能。

每個網絡裝置都有不同的特性，然而已經看見的是基于快速路徑概念的許多真實世界的例子在處理器子系統效率方面產生了7到10倍的改進。在一個典型的網絡基礎設施產品里，60%的功耗被處理器、內存等原件消耗，其余功率被I/O、系統管理元件以及電源等消耗。因此，如果你能降低處理器的功耗到原先的1/7，這就意味著你可以節省大約1/2的系統功耗。

隨著處理器所消耗的功率極大地降低，系統電源的體積也可以減少。為了簡化起見，我們估計其節能比例約為4%。那么在維持應用性能和吞吐量保持不變的情況下，總體而言，整個系統的功耗大約降低了55%。這些內容在論文的闡述里看似簡單，但是通過使用這些技術真能產生實際確鑿的節能目的嗎？

簡單的回答是：絕對可以。現在已有許多的高性能數據包處理軟件解決方案。其中一個領先的供應商，即是6WIND，已經通過其運行于獨立網絡處理平臺的6WINDGate產品展示了若干使用案例。其中一個案例是與Advantech這一通信與網絡計算設備領先制造商合作的成果。6WIND基于Advantech的NCP-7560 Packetarium平臺用96個處理器核，在橫貫8塊電路板上實現了這種解決方案。

圖3 6WINDGate軟件包是標準操作系統網絡堆棧的方便替代品

Packetarium系統的典型功率預算為250W+480W（8×60W，為每一個處理器電路板）＝730W，并且包含了用于遠程系統管理和電源等模塊的功耗。6WINDGate安裝于標準Linux操作系統的網絡堆棧，并且測試了一個具有6個端口的應用。

結果顯示，只需要3塊網絡處理電路板就能達到原本需要8塊電路板才能實現的性能。這一數量的減少意味著減少了62.5%的處理負載。在系統級別，功耗相比原先的預算大約減少了55%。優化的軟件能夠使得這一網絡應用的總體功耗從730W降低到僅有400W。從可預見的潛在的CAPEX減少，這樣的情況意味著節能40%。

圖4 Advantech的 NCP-7560 Packetarium平臺在8塊電路板上具有多達96個處理器核

因為大部分的網絡平臺運行在24×7的狀態下，潛在的能量和OPEX節省會非常可觀。就按照節能330W來算，這也意味著每天節能大約8kWh，或者說每年大約節能2890kWh。

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