电信领域方案和多样算力需求（附下载）-技术圈

本文来自“多样性算力技术愿景白皮书”，白皮书内容包括多样性算了现状、发展趋势、挑战、ARM发展策略和方案等方面，下载链接：多样性算力技术愿景白皮书

处理器技术的发展，不仅仅体现在算力本身的提升，上层应用的兼容性也是生态建设的重要方面。而应用的兼容性可以从以下几个方面考量，处理器指令集直接决定了上层软件的技术路线，操作系统是应用的底座，编译器很大程度上决定了程序运行的性能。本章节将分析目前ARM架构 CPU采用的指令集，操作系统和编译器的版本，并给出电信行业ARM架构CPU指令集、操作系统和编译器的统一标准建议。

1 ARM技术发展

1.1 ARM指令集

ARM架构是不断演进的，基于功能、性能和安全性的考虑, ARM公司每年都会推出不同的架构扩展并进行指令集的版本演进，同时ARM和生态伙伴会在Linux Kernel中持续增加功能来来支持这些最新的ARM架构扩展，从而对绝大部分上层应用屏蔽底层硬件系统架构的区别。考虑到电信行业高可靠性的要求，并基于当前电信应用以及主流ARM架构CPU的现状, 建议今年将电信行业数据中心领域ARM指令集版本起点标准定义为ARM v8.0，推荐标准为ARM v8.2。以后每年审视，综合考虑各个厂家产品的实际研发进度，以及ARM指令集新的版本是否针对电信行业实际需求做过优化等因素，再决定是否升级指令集版本标准。

1.2 编译器

不同应用对编译器更新频度以及稳定等有不同要求。具体到电信行业，网络云场景偏重业务稳定性，因此稳定的GCC版本是其基本诉求；而对于IT云和公有云等场景，则要求最新的GCC版本充分释放算力。

GCC各个版本的升级都带来新的功能特性和性能收益，但考虑ARM服务器厂商的应用现状和遵循渐进的原则，建议今年电信行业ARM架构下编译器推荐版本为GCC9。相比较GCC7/8, 性能方面GCC9具有更强大的自动矢量化、循环展开等优化特性。前端语言方面，GCC9全面支持C+ +17，同时在后端架构适配方面，支持ARM Cortex-A76、ARM Neoverse N1等CPU核心，能够充分发挥ARM架构优势。此外，GCC9提供了最新的编译告警提示信息，可以更方便地帮助开发者进行开发调试。

以后每年审视编译器版本，遵循版本渐进的原则，同时考虑电信行业对编译器稳定的要求，原则上只采用发布一年以上的GCC新版本。例如2021年可推动各个CPU厂家采用2020年已发布的最新版GCC10。GCC10不仅包含许多新的体系结构功能，而且还是迄今为止性能最高的GCC版本。采用GCC10编译应用程序可以充分利用最新ARM架构的优势，例如GCC10完全支持SVE的 ARM C语言扩展，这使得开发者可以访问4000多种内部函数，并在内核中使用SVE的许多高级功能。此外，GCC10在自动向量化、循环展开等方面做了更多优化。以ARM Neoverse N1为例，采用GCC10进行编译相较于之前的版本，性能有极大的提升。

1.3 操作系统

当前主流的Linux操作系统包括Ubuntu，SUSE，openEuler等。Ubuntu的开发由英国 Canonical有限公司主导，基于Debian发行版和GNOME桌面环境，每2年发布一个LTS长期支持版本, 服务器版可以获得为期5年的技术支持。SUSE是Linux操作系统的发行版之一，源自德国。现时SUSE属于Novell旗下的业务，同时亦是桌面 Linux 联盟（Desktop Linux Consortium）的发起成员之一。openEuler 是一个开源、免费的 Linux 发行版，将通过开放的社区形式与全球的开发者共同构建一个开放、多元和架构包容的软件生态体系。

电信行业本身对操作系统的性能、可靠性和有效性有着专门的高标准和要求。基于当前行业应用情况,建议今年将电信行业ARM架构操作系统版本基线定义为

● Ubuntu Kylin18.04 LTS或以上

● SUSE12.5或以上

● openEuler LTS 20.03或以上

在此操作系统版本基线之上，还建议系统应满足高度中文支持，提供与桌面环境高度融合的中文化体验；针对Linux操作系统管理、维护及易用性差等问题，提供插件式系统管理与维护框架，快速实现或扩展满足特定需求的系统管理和维护工具；针对Linux系统软件包依赖关系复杂、普通用户安装软件困难等问题，提供基于软件仓库的软件包自动更新技术；从而为电信级市场提供高稳定性、高安全性、高质量、高性能和高可用性的操作系统平台，推荐支持内核热补丁和热替换特性，缩短业务中断时间。具备vCPU的陷入陷出、内存CPU占用率等观察能力，提升虚拟化层维护效率。

此外，针对操作系统内核版本，建议使用Linux Kernel 4.18 或以上版本，更新的内核版本将带来更多功能增强和更多的设备支持。以Ubuntu Kylin 20.04 LTS采用的Linux 5.4内核为例，该内核的重要更新包括升级exFAT 文件系统驱动程序、优化 Nouveau 开源显卡驱动的显示颜色管理、以及RTL8125 网络设备和RK3288 VP8 解码支持等。

今后建议每年审视，综合考虑各个厂家产品的实际研发进度，操作系统新的版本是否针对电信行业实际需求做过优化等因素，再决定是否升级操作系统版本建议标准。

2 电信领域引入多样性算力的推进方案

2.1 硬件上制定客观完备的测试基准，推进硬件开放

传统计算平台之外，引入多样性算力首先要解决“能不能用”的问题。面向不同技术路线下的各类处理器产品在云计算场景下的应用，需联合应用行业代表、测试机构代表、处理器厂商、整机厂商、OS厂商、从事基准研究的高校，共同开发有技术竞争力和产业影响力的性能基准，填补国家产业基准空白的同时引领多样性算力性能的蓬勃发展。其中，考虑核心应用对CPU的资源消耗情况，尤其各类处理器核心的性能差异，在电信行业虚拟化条件下制定计算性能的评估制定基准测试标准。同时，基于电信行业典型应用场景，对性能基准的负载选择也进行评估和开发。目标是推动制定NFV服务器计算基准测试标准，全面、客观地评估不同架构处理器及计算核心算力。

数据中心服务器硬件上存在生态垄断、企业间产品互相捆绑的情况。为推动基础软件（尤其是 OS）、固件、CPU及其它硬件间的兼容适配，支持更强的可扩展性，促进ARM服务器生态的发展，需要制定基于ARM架构的服务器在系统管理、软硬件解耦等方面的开放标准。包括规定基于 BMC的带外、带内管理功能要求（访问、部署配置、维护诊断、告警监控等）、软件管理接口要求、硬件管理技术要求、安全要求（账号安全、协议、访问策略等）、BMC启动性能要求等。确立相关技术标准后，通过功能、性能测试方式来评估各厂商产品满足用户需求的程度，并通过兼容性测试来验证OS、固件、硬件之间的适配和兼容。

2.2 软件技术栈的生态准备与选型评估

现代应用软件功能日益丰富，代码规模大，多采用组件化分工协作，不同组件还可能由不同组织提供和维护，相互依赖关系复杂。因此需要从IT技术全栈视角审视支持多样性算力适配和迁移的条件。如下图所示，典型的软件技术栈具体包括操作系统、虚拟化、数据库、中间件、应用软件等层次。

2.2.1 操作系统（OS）

为更好地适配多样性算力，建议从生态、功能、可靠性、安全性和服务支持能力几个维度开展操作系统综合评估和选择，以满足上层应用迁移适配的要求。

1. 生态上，OS要能同时适配多样化的CPU算力底座，要支持鲲鹏、飞腾等ARM芯片，要能适配主流板卡，包括但不限于网卡、RAID卡、GPU卡、硬盘等设备。供应上要基于开源社区打造多元化OS底座，既与国际主流社区保持回合同步，又可以独立演进不受极端情况断供的影响；选取软件包时要能覆盖90%以上的客户场景，并能做到版本间的前向兼容；

2. 功能上，OS要能提供上层应用必需的能力。包括OS必须集成满足一定性能要求的编译环境（gcc、jdk）和动态库（glibc），必须集成主流开发语言（如python等）；此外，OS还要对常见业务提供基础的底层支撑，如能提供基于KVM、QEMU的虚拟化能力，提供基于docker、 k8s的容器能力等；

3. 可靠性上，OS要提供良好的可靠性保障：如能对内核崩溃提供快速的定位、恢复机制，能对可靠性要求较高的容器、虚拟化提供额外的可靠性保障；

4. 安全方面，OS需要具备完善的安全能力：要能根据影响程度及时修复影响较大的CVE漏洞，并在官方网站上发布修复公告，能提供完整性度量、机密计算等高级安全特性，做到OS层面的高可信、高安全度；

5. 服务支撑方面，商用OS需要考虑OSV的团队服务能力，非商用OS需要考虑社区服务能力。

当前支持ARM平台的国产商用操作系统包括银河麒麟、麒麟信安、统信、普华、拓林思、傲莱等，开源操作系统包括SUSE，openEuler等。

2.2.2 虚拟化层

首先应推动包括QEMU-KVM、OpenStack、Docker、K8s等为代表的开源虚拟化层软件支持多样性算力。其次，在虚拟化软件层建立基准要求，能纳管不断丰富的IT基础设施，包括x86/ ARM等不同指令集架构的硬件，支持不同架构硬件资源池的混合部署，助力用户应用朝着更敏捷、更高效、更多元的方向发展。

为更好地适配多样性算力，建议从生态、功能、性能、可靠性和安全性等几个维度开展虚拟化层软件的综合评估。

1. 在软件生态上，针对多样化CPU算力底座进行适配时，需要制定基准要求来统一虚拟化软件的生态，要求屏蔽不同CPU架构的差异，除x86外，还要能支持鲲鹏、飞腾等ARM芯片，支持不同架构资源池的混合部署，从而为用户提供差异化的选择；在适配多样化CPU算力底座需要考虑的主要包括：

● 网卡等硬件驱动适配

● BIOS适配

● HostOS内核升级及适配

● Switch卸载特性

● NUMA特性

● 虚拟层管理软件编译

2. 从功能上，虚拟化层软件需要提供必须的基础能力，包括CPU虚拟化技术、内存虚拟化技术、IO虚拟机化技术等，支持跨主机热迁移、智能内存复用、虚拟机高可用、动态资源调度等关键特性；在硬件支持情况、设备的驱动支持和Host/GuestOS的操作系统支持等方面要能在多类型的硬件平台混合部署，实现更灵活更好的扩展性；

3. 从性能上，技术路线的发展应该支持处理器架构发展方向为更高密度的核数，更低的功耗，更强的性能，比如提升单VM计算性能及整机VM计算性能，降低整体TCO；

4. 可靠性上，虚拟化层软件能支持包括虚拟机HA、虚拟机热迁移、虚拟机负载均衡、故障检测等特性；

5. 安全方面，虚拟化层软件安全解决方案需要从不同层面解决。在物理资源层可以通过可信计算技术来保证主机硬件（BIOS、操作系统引导程序等）的安全性；操作系统层通过Host/ Guest OS的安全机制来保障操作系统的安全可靠；在虚拟化层可以通过Hypervisor安全机制或者虚拟机自省技术确保虚拟机监视器的安全运行。

2.3.3 数据库层

为更好地适配多样性算力，建议从业务场景、可迁移性、性能、高可用、安全等几个维度开展数据库综合评估和选择，以满足上层应用迁移适配的要求。

1. 在业务场景上，数据库要支持多引擎，要能同时支持行存引擎、列存引擎、内存引擎等多种引擎模式，来充分支撑交易型、分析型、高性能等不同的业务需要；同时要考虑不同类型数据库间的迁移，要考虑所选数据库具有良好的语法兼容性；

2. 性能上，数据库要能满足高性能场景的业务诉求，包括高tpmC和高并发下的稳定性。数据库要能充分利用ARM多核NUMA的特点，对数据结构做NUMA分区化改造，比如部分厂商的2 路服务器，可以达到150万的tpmC，在高并发（800并发）时仍能保持稳定的性能。对于更高性能要求的数据库场景（如CRM、Boss），推荐引入4路服务器；

3. 高可用上，要求数据库能在一定负载强度、一定业务量下达到能满足业务需求的RTO时间（故障恢复时长），比如60%负载、70+万tpmC下建议能满足RTO < 10s；

4. 可迁移性上，标准须约束数据库具备完整、可靠的手动/自动迁移流程/规范，可以对自动化方式实现主流数据库迁移提出要求，可以对迁移成功率设置最低标准（比如90%以上）；

5. 安全性上，数据库需要在运行安全和存储信息的安全两方面满足安全诉求，需要能对核心数据的存储做到加密，需要有一定的防漏洞、防攻击机制，需要能对敏感数据做到匿名化。

当前已支持ARM平台的国产数据库厂商包括海量数据、云和恩墨、虚谷伟业、神舟通用、人大金仓、达梦、南大通用、阿里、腾讯、电信自研数据库（TiDB，Teledb）、东方国信行云数据库、思特奇iddbs、亚信antDB等，开源数据库包括openGauss、MySQL、PG、MariaDB等。

2.2.4 中间件层

中间件与操作系统、数据库并称三大核心基础软件，为上层应用软件便捷、通用和标准化的研发提供了强有力的支撑，通过服务或者服务组件来实现更高层次的复用、解耦和互操作。当前，对中间件的选择，从供应来源上来看，推荐从持续投入研发、创新以及服务能力建设且聚焦基础软件的厂商如宝兰德、东方通等供应商以及开放性较好的开源软件中选择，呈上启下，连接好底层软件和上层应用，端到端做到对多样性算力的支持。

2.2.5 应用层

当前，在数据量爆发性增长、行业应用场景需求差异化以及运营商业务模式多元化变革的趋势下，电信云面临从架构到底层硬件基础设施的全面升级。

IT云方面，随着运营商业务模式更加多元，IT支撑系统业务逻辑更趋复杂，实时数据处理、高并发数据处理、大数据分析等技术需求不断扩大，容器化部署、分布式处理等场景加速向CRM、 BOSS、MSS等核心系统渗透，需要底层IT基础设施在并行计算、内存容量和带宽等方面提供更高能力匹配。

网络云（电信云/CT云）方面，基于NFV技术的解决方案已成为运营商核心网扩容和新建的优选考虑。5G核心网采用原生云化设计思路和微服务架构，将网元功能拆分为细粒度的网络服务， “无缝”对接云化NFV平台轻量级部署单元，为差异化的业务场景提供敏捷的系统架构支持，核心网容器化、硬件资源池化成为发展方向，对底层计算架构的多样性、负载能力和计算效率提出新的要求。

在边缘节点，为应对大视频、物联网等各类高带宽和低时延的边缘计算类业务，电信云计算能力向移动边缘节点下沉，以实现网络业务、服务及应用更快的分发下载速度，从而有效缓解核心网压力，提升用户网络体验，边缘数据中心IT基础设施将面临计算、存储等网络能力的全面提升以实现大流量、高并发、低时延的本地数据处理能力。