网络传输可以多高效？让我们来一探“无损网络”的奥秘。
“东数西算”正热 数字经济加速发展有“新路”
随着《全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案》的引发， “东数西算”、“数据中心创新性发展”成为业界高度关注的热点话题。“东数西算”是建设“全国一体化算力网络国家枢纽节点”的国家级战略工程，旨在改善我国数字基础设施不平衡的布局，让数据中心能够在数字经济的发展中发挥“扛鼎之力”。
“东数西算”工程将在未来形成以数据流为导向的新型算力网络格局。在这一背景下，我们急需可以提供承载的下一代网络，赋能数字经济的发展真正走上一条极速而又稳健的康庄大道。作为下一代网络发展代表，“无损网络”凭借正猛的创新发展势头，走入我们的视野。
什么是无损网络？
无损，顾名思义即是“零”损耗，这里的损耗指的是在网络传输过程中的协议包转发、响应时间、处理时间以及设备吞吐量等主要指标。答案很明显，无损网络就是能够实现“零丢包、低时延、高吞吐”的网络环境，其目标就是“延迟越低越好，效率越高越好“。因此，比起曾经丢包、高时延的“有损”网络环境来说，无损网络在拥塞控制、流量控制、分组转发、路由选择等方面进行了改进与创新，满足数据中心海量算力和海量数据的高效存储需求，极大提升了用户体验。
- 关键的“两把刷子”—PFC和ECN
随着云计算、大数据、人工智能以及5G的兴起，网络数据呈现爆炸式增长，对数据的处理性能、数据中心建设都提出了更高的要求。当前，在HPC（High Performance Computing，高性能计算）、分布式存储、AI人工智能等业务场景下，采用RDMA协议来降低CPU的处理和延迟，提升应用性能，成为算力时代数据中心网络的发展方向。
其中，RDMA网络正是通过在网络中部署PFC(Priority-based Flow Control，基于优先级的流量控制)和ECN(Explicit Congestion Notification，显示拥塞通知)功能来实现无损保障。
PFC是基于队列的反压技术，保证对链路上RDMA专属队列的流量进行控制，并在交换机入口(Ingress port)出现拥塞时对上游设备流量进行反压。在单机场景下，PFC可以快速、有效的调节服务器速率来保证网络不丢包。但是在多级网络中，就会出现不公平降速、PFC风暴、PFC死锁等问题。因此，在数据中心开启PFC，需要通过对Pause帧进行严格的监控、管理，以保证网络的可靠性。
图1 ：PFC流程
ECN是一种基于流的端到端流控技术，保证实现端到端的拥塞控制，在交换机出口(Egress port)拥塞时，对数据包做ECN标记，并让流量发送端降低发送速率。ECN效果上会优于PFC，但是也存在如下问题：
- ECN需要接收端生成反压报文，反馈路径周期比较长；
- 随机性标记，会不公平；
- 水线设计比较复杂，需要结合网络架构和业务特点来设计；
图2： ECN流程
- ECN与PFC怎样组成黄金搭档
从无损网络设计看，为充分发挥网络高性能转发，ECN和PFC组合配置时，需通过专家经验来调整ECN和PFC的buffer水线门限，让ECN先于PFC触发。即网络还是持续全速进行数据转发，让服务器主动降低发包速率。如果还不能解决问题，再通过PFC让上游交换机暂停报文发送。这样虽然整网吞吐性能有所下降，但是不会导致丢包。
图3：ECN＋PFC组合流程
流量与速率挑战下 ECN＆PFC的“远交近攻”
在 RoCE网络中，构建无损以太网要支持如下关键特性：
- PFC：逐跳提供基于优先级的流量控制，能够实现在以太网链路上运行多种类型的流量而互不影响。
- ECN：设备发生拥塞时，通过对报文 IP 头中 ECN 域的标识，由接收端向发送端发出降低发送速率的 CNP(Congestion Notification Packet，拥塞通知报文)，实现端到端的拥塞管理，减缓拥塞扩散恶化。
其中，ECN的最大难点是水线设置比较复杂，需要结合网络架构和业务特点来设计。然而现网中的流量复杂多变，导致基于专家经验的静态ECN水线门限功能并不能覆盖所有流量场景，无法保障无损业务达到最优性能。AI ECN则是借助AI算法来实现无损队列的水线调整，通过AI训练的流量模型，可实时预测网络流量的变化趋势，动态调整ECN的水线门限，从而实现对无损队列的精确调度，保障整网的最优性能。
新华三AI ECN算法 AI添翼性能领先
在此背景下，新华三推出的AI ECN智能无损算法，能根据网络流量模型（N打1的Incast值、队列深度、大小流占比等流量特征），通过强化学习算法对流量模型进行AI训练，实时感知和预测网络流量变化趋势，自动调节出最优的ECN水线，进行队列的精确调度。在尽量避免触发网络PFC流控的同时，兼顾时延敏感小流和吞吐敏感大流的转发，进一步保障整网的最优性能。
新华三AD-DC SeerFabric方案采用的AI ECN调优算法处理流程如下：
图4： AI ECN流程
作为新华三AD-DC SeerFabric无损网络解决方案的重要一环，AI ECN算法实现了对出端口队列中ECN水线的动态调整，使网络设备在各种不同的通信网络或者实时变化的通信网络中，可以实现低传输时延以及高吞吐量，提高了网络拥塞控制的灵活性。在实际组网测试中，各项性能指标都有很大提高，很好完成了助力RDMA网络性能的目标。
三大特色引擎驱动智能无损网络加速演进
今年初，新华三正式发布AD-DC SeerFabric无损网络解决方案。基于云边AI协同架构，通过对业界AI ECN调优算法的优化创新，结合新华三数据中心交换机的本地AI Inside能力，在保障零丢包的情况下，尽可能提升吞吐率、降低时延，保障网络业务的精确转发和网络服务质量的确定性。同时，通过精细化的智能运维，实现RoCE网络的业务体验可视。
新华三AD-DC SeerFabric无损网络解决方案的核心驱动力来自三大关键智能组件：
- 智能分析引擎：利用无损网络及联接的存储和计算资源，借助AI算法和专家经验，实现对数据中心不同流量场景的AI无损调优模型的分析和构建。通过现网流量的实时学习训练，自动适配不同业务流量模型的特点，动态生成最优网络参数，实现网络的无损转发；
- 智能控制引擎：将智能分析引擎动态生成的调优参数自动向设备下发，实现无损网络全局最优化运行；
- 边缘AI引擎：交换机内嵌高性能AI计算模块，借助智能分析引擎的离线AI流量模型，进行网络状态的实时监控。自动根据现网流量特征进行RDMA队列水线的本地智能调整，实现网络参数优化，保障本地网络的无损转发性能；
图5 AD-DC SeerFabric无损网络解决方案架构
步入5G、云和AI等技术驱动的智能时代，高吞吐、低时延的无损网络成为网络业务发展的普遍诉求。未来，新华三集团将基于“云智原生”和“数字大脑2021”，继续与业界伙伴一起，积极推进智能无损网络的标准化和应用落地，并提供标准、开放的产品、方案和服务，持续赋能生态，为国家新型数据中心建设贡献力量。从无损网络到无损世界，科幻电影中的种种画面即将成为现实，无损世界的更多精彩，新华三将持续与你一同发现。
