什么是FPGA
FPGA（Field－Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器材的根底上进一步开展的产品。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而呈现的，既处理了定制电路的缺少，又克服了原有可编程器材门电路数有限的缺陷。
FPGA和CPLD的首要差异
早在1980年代中期，FPGA已经在PLD设备中扎根。CPLD和FPGA包括了一些相对大数量的可修改逻辑单元。CPLD逻辑门的密度在几千到几万个逻辑单元之间，而FPGA一般是在几万到几百万。
CPLD和FPGA的首要差异是他们的体系结构。CPLD是一个有点限制性的结构。这个结构由一个或许多个可修改的成果之和的逻辑组列和一些相对少数的确认的寄存器组成。这样的成果是缺少修改灵敏性，可是却有能够估计的延迟时刻和逻辑单元对衔接单元高比率的长处。而FPGA却是有许多的衔接单元，这样尽管让它能够愈加灵敏的修改，可是结构却杂乱的多。
CPLD和FPGA别的一个差异是大多数的FPGA含有高层次的内置模块（比方加法器和乘法器）和内置的记忆体。因而一个有关的重要差异是许多新的FPGA支撑彻底的或许部分的体系内从头装备。答应他们的规划跟着体系晋级或许动态从头装备而改动。一些FPGA能够让设备的一部分从头修改而其他部分持续正常运转。
CPLD和FPGA还有一个差异：CPLD下电之后，原有烧入的逻辑结构不会消失；而FPGA下电之后，再次上电时，需求从头加载FLASH里边的逻辑代码，需求必定的加载时刻。
FPGA作业原理
FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个概念，内部包括可装备逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。
与传统逻辑电路和门阵列（如PAL，GAL及CPLD器材）比较，FPGA具有不同的结构，FPGA运用小型查找表（16&TImes;1RAM）来完成组合逻辑，每个查找表衔接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了既可完成组合逻辑功用又可完成时序逻辑功用的根本逻辑单元模块，这些模块间运用金属连线相互衔接或衔接到I/O模块。
FPGA的逻辑是经过向内部静态存储单元加载编程数据来完成的，存储在存储器单元中的值决议了逻辑单元的逻辑功用以及各模块之间或模块与I/O间的联接办法，并终究决议了FPGA所能完成的功用，FPGA答应无限次的编程。
FPGA鄙人一代网络架构中的重要含义
这儿将侧重评论FPGA在比如NFV等虚拟网络架构中的效果和含义。
电信网络是NFV的一个首要运用场景，它呈现的最直接的动因之一便是为了支撑指数级的带宽增加。据预测，五年后全球的IP流量将较今日增加超越3倍。在万物互联的今日，尤其是5G、物联网、自动驾驶等技能已经成为各大公司抢夺的焦点之时，各种设备和服务都需求电信网络及其数据中心进行处理和支撑。但是，传统的电信根底架构和数据中心很难进行有用的扩展，其首要原因有以下两点：
硬件层面：传统电信网络根底架构运用的是各类专用硬件设备，如各类接入设备、各层交换机、路由器、防火墙、QoS等。这样做的问题有许多，例如，不同设备之间的兼容性差、保护晋级困难、简单形成供货商独占然后大幅进步本钱、若需求参加新功用则要开发新硬件设备等等。
软件层面：不同设备都需求各自对应的软件进行装备和操控，然后难以在办理员层面进行大范围一致布置和装备，且需求学习来自不同供货商和规范的设备的软件装备办法。若某些网络功用经过软件完成，传统的完成办法中对服务器的有用运用率很低，且无法进行服务的动态搬迁，等等。
因而，虚拟化技能 – 更详细而言，网络功用虚拟化NFV技能，逐步成为各大运营商处理上述问题的有用途径。欧洲电信规范协会（ETSI）关于NFV比较有名的示意图如下所示。
整体而言，和传统办法比较，NFV运用通用的服务器（大多是根据英特尔x86处理器）、通用的存储设备、以及通用的高速以太网交换机，完成传统电信网络根底架构的各种网络功用。详细而言，便是将网络功用在通用服务器顶用软件完成，数据运用通用的存储设备存储，网络流量经过通用的网卡和高速交换机进行转发。这样理论上能很好的处理上述硬件层面的问题：运用通用设备而非专用设备，进步了数据中心的可扩展才干，不会被某个供货商限制，反而会经过敞开竞赛削减硬件收购和布置的本钱。
别的，凭借虚拟化技能，将网络功用在不同虚拟机中完成，这样理论上能处理软件层面的问题：即某个特定运用不会占用服务器的悉数资源，反之，一个服务器能够一同运转多个虚拟机或网络服务。一同，虚拟机在数据中心的扩展和搬迁也愈加便利，不会形成服务下线或中止。
NFV和别的一项技能：软件界说网络（Software Defined Network – SDN）常常一同呈现。它们的一个首要的中心思维便是将网络的操控面和转发面进行别离。这样，一切的数据转发面设备都能够一同被操控、装备、办理，然后避免了办理员需求别离装备每个网络设备的低效景象。
引证一下《中国电信CTNet2025网络架构白皮书》的话：
“从更好的习惯互联网运用的视点动身，未来网络架构有必要要求网络才干接口的敞开和规范化，经过软件界说网络技能，能够完成面向事务供给网络资源和才干的调度和定制化，一同为进一步加快网络才干的渠道化，还需求供给网络可编程的才干，真实完成网络事务的深度敞开。”
请注意，在之前的表述中我运用了许多“理论上”怎样怎样，这是因为上面关于NFV的长处许多都是人们夸姣的幻想和愿景。在实践的工程实践中，规划完成有用的NFV架构面临着许多问题。例如，不同的运用场景中，网络负载的品种形形色色，而许多运用都需求进行线速的处理，如QoS和流量整形（之前的博文介绍过）、VPN、防火墙、网络地址转化、加密解密、实时监控、深度包检测（DPI）等等。即便有DPDK等专用的软件开发库，现在单纯运用软件完成这些网络服务的线速处理，在技能上存在很大困难，且用软件完成的网络功用在功用上很难和专有硬件比较。这样一来，人们会反过来质疑运用NFV的动身点和动机。一同，鉴于NFV仍处于计划讨论和探索阶段，许多相关的协议和规范还没有确认，这也在必定程度上使许多企业犹疑是否要投入许多资源去进行前期的探求作业。
因而，怎么有用的完成这些虚拟化的网络功用（Virtualized Network FuncTIon – VNF），是咱们前阶段的首要作业和这篇白皮书首要讨论的问题。
虚拟网络功用（VNF）的有用完成
在这儿，完成虚拟网络功用的“有用性”首要体现在以下几个方面：
1.VNF有必要十分灵敏、便于运用；
2.简单大规模扩展，不局限于某种运用场景或网络；
3.功用方面应该不低于，乃至高于专用硬件。
介于此，白皮书中给出了几个有潜力的开展方向以供参阅：
1.操控面和转发面的别离和独立扩展。
2.规划并优化、规范化具有可编程才干的转发面。
在电信网络的运用场景中，NFV的一个典型运用便是虚拟化的宽带长途接入服务vBRAS，即virtual broadband remote access server，又被称为vBNG，即virtual broadband network gateway。在vBRAS中或许包括许多虚拟网络功用，例如长途用户拨入验证服务（Remote AuthenTIcaTIon Dial-In User Service， RADIUS）、动态主机设置协议（Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP），以及之前提过的DPI、防火墙、QoS等。
一个重要的发现是，这些网络运用从核算资源的需求上能够分红两类。一类不需求许多的核算资源，如RADIUS和DHCP。一同这类运用许多归于操控平面。因而这类运用很合适直接放在操控平面，并且有很好的纵向和横向的扩展性，也很合适用通用的核算和存储设备进行完成。
另一类运用往往需求很大的核算才干，如流量办理、路由转发、数据包处理等，且一般需求在线速下（如40Gbps、100Gbps或更高）进行处理。这类运用往往归于数据平面。关于数据平面而言，它还需求支撑许多种核算量很大的网络功用，这样才干差异于运用专有硬件，契合NFV技能的初衷。综上而言，数据平面应该具有以下两点首要才干“
1.能线速进行高吞吐量的杂乱数据包处理；
2.一同支撑多种网络功用，具有很强的可编程才干。
但是，假如直接运用软件办法完成，这两点功用很难一同满意。因而咱们采用了FPGA作为智能硬件加快渠道，很好的一同处理了处理速度和可编程性两个问题。首要，FPGA比较纯软件办法，在数据包处理上具有着绝对优势的硬件并行功用，因而被用作硬件加快器运用。其次，比较于传统的专有硬件设备，FPGA具有灵敏的可编程才干，能够支撑各种运用的完成。
虚拟宽带长途接入服务：从BRAS到vBRAS的演进
