高速网络流量处理设备相关知识

基于对高速流量处理设备描述的需要，调研了物理硬件相关的知识，主要包含了接口，存储等内容。

接口

设备接口根据处理需要不同分为网络接口、管理接口和硬件模块接口等。

管理接口

管理接口是操作人员同设备进行交互，用于访问、运维、程序部署、展示的接口。

l  VGA/HDMI/DVI接口

这类接口大家日常使用的较多，比较熟悉。

VGA(Video Graphics Array)是一种3排共15针的DE-15。VGA通常在·设备的显示卡、显示器及其他设备，用于传输模拟信号，方便人机交互。

HDMI(High Definition Multimedia Interface)是一种数字视频/音频接口技术，适合影响传输的专用型水化接口，其可同时传送音频和影响信号，最高数据传输速度为2.25GB/s。

DVI(Digital Video Interface)是一种高速传输数字信号的技术，有DVI-A，DVI-D，DVI-I三种不同的接口形式。DVI-D只有数字接口，DVI-I有数字和模拟接口，目前应用主要以DVI-I（24+5）为主。

l  USB接口

USB(Universal Serial Bus)平常接触较多，是连接计算机系统与外部设备的一种串口总线标准。类型有USB 2.0，USB 3.0。最新一代的是USB4，传输速度为40Gb/s。

l  RJ45接口

这个就是网线接口，通常用于数据传输，最常见的应用为中低速(10/100/1000M)的网卡接口。

网络接口

网络接口主要是基于高速网络流量处理的需要而配备的网卡，如10G，100G高速流量。

网络接口分为接口类型，工作模式等。

l  接口类型

常用的有POS(Packet Over SDH)接口和GE(Gbit Ethernet)接口。

POS一般用于核心/汇聚路由器的广域互联，常用的40GPOS，10GPOS，2.5GPOS。

GE接口是实现计算机网络互联的最常用接口。相比POS，以太网接口更为廉价，且兼容性较好。常用的高速网卡有10GE，20GE，100GE

l  工作模式

网卡工作模式分为Half-duplex和 Full-duplex。Half-duplex限制数据据在一个通道收发。Full-duplex则表示通信有两个通道。

一般高速网卡支持Full-duplex，而管理网卡两者都支持。

硬件模块接口

高速网卡通常有两种方式同处理器连接：插拔式板卡和硬连接式。硬连接的主要是同CPU做在同一张板卡上。插拔式板卡则可卸载，根据需要灵活安装。这里关注插拔式网卡板卡。

网卡板卡同设备的连接主要通过PCIe端口。

PCIe接口前身是PCI接口，即PCI总线接口标准，带宽为133MB/s。PCI总线上面的设备通过地址寻址进行访问，如通过访址访问单片机的外设。随着高速发展的数据传输需求，PCI进化到了PCIe，PCIe 1.0 x1带宽为250MB/s

连接板卡的PCIe插槽一般有四种长度，最短的是1X，比PCI稍短一点的是4X，8x又比4x长，最长的是16X。

PCIe x16插槽全长89mm，有164根针脚，主要用于显卡以及RAID阵列卡等，这个插槽拥有优良的兼容性，可以向下兼容x1/x4/x8级别的设备。可以说是PCIe x16插槽是PCIe的万能插槽。

PCIe x8插槽全长56mm，有98根针脚，与PCIe x16比较，主要是数据针脚减少至76根，短的供电针脚仍然是22针脚。

为了兼容性，PCIe x8插槽通常加工成PCIe x16插槽的形式，但数据针脚只有一半是有效的，也就是说实际带宽只有真正的PCIe x16插槽的一半。

PCIe x4插槽的长度为39mm，同样是在PCIe x16插槽的基础上，以减少数据针脚的方式实现，主要用于PCIe SSD固态硬盘。

PCIe x1插槽的长度是最短的，仅有25mm，相比PCIe x16插槽，其数据针脚是大幅度减少至14个。PCIe x1插槽的带宽通常由主板芯片提供，主要用途是独立网卡、独立声卡。

PCIe目前最新的版本为4，即PCIe 4.0。PCIe 1.0和2.0采用了8b/10b编码方式，这意味着每个字节（8b）都用10bit传输，这就是为什么2.5GHz和5GHz时钟，每时钟1b数据，结果不是312.5MB/s和625MB/s而是250MB/s和500MB/s(这里可以计算)。PCIe 3.0和4.0采用128b/130b编码，减小了浪费（overhead），所以才能在8GHz时钟下带宽达到1000MB/s（而不是800MB/s）。即将于今年发布的PCIe 4.0还会将频率提高一倍，达到16GHz，带宽达到2GB/s。

以主机接口PCIe Gen4.0 x16为例，表示generation 4.0，插槽接口类型为x16。

设备厂商提供的网卡板卡通常有三种，单端口板卡、双端口板卡和四断开板卡。。

单模和多模

高速网卡同网络设备的连接还需要中间的介质，如双绞线和光纤，并且搭配光模块使用。

光模块称为光收发一体模块，按照封装分为1×9、SFF、SFP、GBIC、XENPAK、XFP以及SFP+、QSFP、QSFP+。这里主要介绍常见的SFP，SFP+，QSFP，QSFP+。

SFP：支持广泛的协议和速率（快速以太网、千兆以太网、光纤通道、Sonet/SDH），可在商业或扩展温度环境下运行；

SFP+：专为10G以太网和1G光纤通道；

SFP28：专为25G以太网；

SFP 56：专为50G以太网；

QSFP+: 40Gbps 40g以太网和OTN标准接口支持多模和单模光纤。

QSFP28: 100/1000G以太网和OTN标准接口支持多模和单模光纤。

QSFP56：200G

以ConnectX-6 DX网卡的为例，其OCP 2.0规格如下：

光模块又分为单模和多模光模块。

按照波长分有850nm/1310nm/1550nm/1490nm/1530nm/1610nm, 波长为850nm为SFP多模，传输距离在2KM以下，波长是1310/1550nm的为单模，传输距离在2KM以上。

 以华严机房中的光模块为例，常见的有850nm和1310nm。在和网络设备连接时，两边的光模块需要一致。

光纤网卡接口类型分为光口和电口。

光纤网卡光口接口分为SC，ST，LC等多种类型，搭配的光模块以SFP封装为主。

光纤网卡电口是RJ45等各种双绞线接口的统称，目前普遍使用的电口有百兆、千兆、万兆等。

光纤网卡光口和电口的区别在于传输距离的不同，电口的最大传输距离只有100米，而多模的光口可传输几百米，单模的光口可传输几千米。

存储

SSD中，存在SATA、m2、NVME、SPDK几种接口类型。

SATA是将SSD连接到PC的接口，目前市场上占主流。它采用命令协议AHCI（它还支持IDE），该协议是为慢速旋转的磁盘而不是闪存而设计的。 SATA传输速率开始于150 MB / s，对于第三代技术最大达到600 MB / s。

NVMe是最新的高性能和优化协议，它取代了AHCI并补充了PCIe技术。它提供了优化的命令和完成路径，可用于基于NVMe的存储。

M.2，也称为Next Generation Form Factor (NGFF)，是计算机内部扩展卡及相关连接器规范。计算机总线将M.2连接器转化为PCI Express 3.0（最多4个通道）、SATA 3.0或USB 3.0接口。M.2连接器有几种不同的固定槽，代表着M.2主机和模块不同的目的和功能，避免用户将M.2模块插入到功能不兼容的主机连接器中。

SPDK(Storage Performance Development Kit)为编写高性能的、可扩展的、用户态存储应用提供了一套工具和库函数。SPDK之所以能实现高性能，是因为所有必要的驱动被挪到了用户空间运行，使用轮询模式代替了中断模式，从而避免了内核上下文切换和消除了中断处理开销。