英特尔助力数据中心发展 为企业铺设ADQ高速公路

数字经济要切实发挥作用需要新的数据基础设施，数据中心不断大规模扩展，以支撑海量数据的处理需求和更为复杂的工作负载。与此同时，网络对整个系统性能的影响也变得越发重要。以太网就像一条高速公路，使得数据可以在数据中心不同位置间进行传输。

然而，高峰时段，当有大量的交通工具(数据)驶入时，网络就会变得像蜗牛爬行一般。以太网需要快速通道来防止交通堵塞，以免降低数据中心关键应用性能。英特尔 Ethernet 800系列网络适配器采用应用设备队列(ADQ)技术，为关键应用建立数据传输通道。ADQ可以显著提高关键应用程序的性能，在满足客户SLA方面提供更高的一致性保障。

可预测性是关键

当我们在衡量数据中心性能时，大多数人最先考虑的是吞吐量和延迟之类的指标——每秒可以处理多少数据，一个操作需要多长时间？吞吐量和延迟当然是重要的指标，但它们都代表的是系统的平均性能。

可预测性则是针对系统异常值和突发值而言的。也可称之为“尾部延迟”，也就是性能曲线上最低或最差的数据。比如一个操作通常只需要1毫秒响应，但有时可能10毫秒才能响应，那么10毫秒就是尾部延迟。最关键的是系统的可预测性：尾部延迟发生的频率是多少?如果只有百万分之一的响应是(尾部)延迟的，即使扩展到多个系统，那么其也是高度可预测的。但是，如果每100个操作中就有一个尾部延迟响应，虽然对于单个系统来说可以接受，但当扩展到多个系统时，可预测性就不是很好了。

假设你驱车从高速路去机场，通常来说要花费半个小时，但有时要一个小时。那么，你会什么时候出发？保险起见，你总是会预留一个小时。要是有一条通往机场的快速专用道，半小时就能到达，而且你始终都能保持这个速度!这就是ADQ的本质——在高速公路上为最核心的应用程序提供快速专用通道。

ADQ快速通道 保障以太网顺畅运行

事实上，数据中心远比机场高速公路复杂得多，因为数据中心采用并行计算。一个作业可能会被拆分成多个指令，并分配给几十台或几百台服务器完成。问题是，只有最后也就是响应最慢的那部分指令完成并返回结果，这个作业才算结束。这也就意味着涉及的服务器越多，结果返回越慢的可能性越高，从而降低整个作业的完成速度。因此，拆分出来的每个指令都必须是可预测的，这样整体作业的完成才可能获得一个合理的平均可预测值。其中，网络和网络软件在影响数据传输的时间上发挥着重要作用。

尽管横向扩展数据中心可以在性能和规模经济方面带来许多优势，但面临的挑战之一是，服务器越多，满足客户SLA一致性需求就越困难。

图1说明了随着服务器数量的增加，SLA服务水平的变化趋势。同时也表明，提高每台服务器的可预测性可以缓解这个问题，并允许在不超过目标响应时间的情况下部署更多服务器。

数据中心越大，可预测性就变得越发重要。只关注平均延迟是不够的，还必须控制尾部延迟。这就是为何ADQ会如此重要的原因。

1、从扔硬币开始思考

要理解为什么增加更多服务器会让满足针对系统延迟的SLA变得更加困难，我们可以先来考虑一下抛硬币的情况。假设正面是成功，反面是失败。当我们反复抛硬币时，就可以根据预期的50%失败率提供SLA。

现在来介绍一下并行处理，也就是一次抛多个硬币。如果抛两枚硬币，成功的概率(即全部正面)降低为1/4，抛出更多的硬币时，成功的概率会呈指数级下降，即1 / 8、1 / 16、1 / 32……依此类推。

同样，基于服务器的系统，随着并行请求数量的增加，在可接受的响应时间内获得每个响应的概率就会降低。

2、ADQ提升应用可预测性

ADQ是一种开放技术，旨在通过改善吞吐量和延迟来帮助解决网络流量难题，最重要的是，能够提高应用程序响应时间的可预测性。目前英特尔已经贡献出ADQ相关代码，以在 Linux 内核中支持这项新特性。同时，英特尔也在最新的Ethernet 800系列产品中首次引入了这项技术。

测试显示，与没有ADQ技术相比，启用ADQ后应用程序性能有显著提升。我们使用开源Redis数据库进行测试，结果表明，启用ADQ后，系统可预测性提升超过50%，应用延迟降低超过45%，吞吐量提升超过30%。

3、ADQ是如何工作的

我们不禁要问，同一测试环境下，为何会有如此大的提升和改进呢?是如何实现的呢？答案就在于ADQ是如何防止数据中心网络的交通堵塞。仍以机场高速公路举例，ADQ所做的就类似于在高速公路上预留快速车道，仅供酒店前往机场的客人使用。你不需要和去其他地方的车辆共用车道，这样行程也不会因为高峰时段的交通拥挤而减速。类似的，ADQ允许核心应用保留通道或队列，直达数据中心目标硬件设备，而无需与其他应用程序共享或抢占传输通道。

英特尔Ethernet 800系列适配器配备了2,048个专用硬件队列，可以将其配置为专用的ADQs或用作标准流量通道。系统管理员可以自定义为应用程序分配队列，从而为更高优先级的应用程序分配更多队列，以确保其高性能的可预测性。

在以前，只有针对特定应用程序使用用户态网络下的专有TCP/IP软件堆栈来绕开内核，才能达到这种性能水平。使用ADQ技术之后，以前通过用户态网络才能实现的性能，现在使用内核态网络同样可以达到。内核态网络是开源的，并能够利用Linux内核的固有优势，例如针对容器(containers)、网络过滤器(netfilters)以及其他TCP增强功能的可扩展伯克利包过滤器(extended Berkeley Packet Filter，eBPF)。

4、实现ADQ的条件

满足以下条件就可以实现ADQ部署。

Intel已经将关键补丁更新到Linux内核以启用ADQ，目前Linux 4.19及更高版本中已包含这一补丁。其他操作系统的计划目前正在开发中。

标准的Linux操作系统工具就可用来配置ADQ ，比如说iproute2、流量控制(TC)、 网络端口设置(ethtool)和控制组(cgroup)等。

英特尔 Ethernet 800系列引入ADQ技术后最先支持的是NGINX，memcached，Redis和Aerospike等企业常见应用。

在大多数情况下，ISV会添加一些代码(通常少于50行C代码)来启用ADQ应用程序，并提供文档告知客户如何实现这一解决方案。，像开源Redis或Netperf/benchmark这样的单线程应用程序则不需要修改，那些需要修改和优化代码来支持ADQ的应用，Intel提供了一个最佳实践(best-known configuration，BKC)指南，详细说明了系统管理员如何为核心应用配置专用的ADQs。ADQ技术也将在通信、存储(如基于TCP的NVMe)和容器等领域得到更大范围的使用。

为企业铺设ADQ高速公路

流量堵塞会导致数据中心的关键应用程序性能降低，随着数据中心不断扩展，并行服务器数量的增加，某台服务器性能变慢导致整个应用变缓的可能性也在增加。提供和满足强SLA能力取决于应用程序性能的一致性，而一致性又取决于企业系统满足延迟目标的可预测性。

ADQ就像以太网高速公路上的快速车道，为企业关键应用提供快速专用车道，并使它们远离交通堵塞。事实证明，ADQ在应用程序性能方面可以获得更大的可预测性，此外还可以降低延迟并提高整体性能。使用支持应用设备队列(ADQ)技术的英特尔Ethernet 800系列正在为企业搭建更快、更可预测的网络，为数据中心构建一条高速公路!