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可編程網(wǎng)元的過(guò)去

在過(guò)去的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，網(wǎng)元之間通過(guò)OSPF（開(kāi)放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議）、BGP（邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議）等運(yùn)行在設(shè)備控制面的分布式路由協(xié)議，進(jìn)行交互工作。

網(wǎng)元提供SNMP、NETCONF、WEB、CLI等接口，進(jìn)行配置下發(fā)或狀態(tài)獲取，控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面都由設(shè)備商或芯片商實(shí)現(xiàn)，內(nèi)部架構(gòu)或?qū)崿F(xiàn)細(xì)節(jié)對(duì)網(wǎng)元的擁有者而言是一個(gè)黑盒。這種網(wǎng)元，屬于“可配置網(wǎng)元”。

后來(lái)，有了SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）。

SDN的一個(gè)標(biāo)志性動(dòng)作，就是轉(zhuǎn)發(fā)面和控制面分離。這兩者破天荒地結(jié)束了你中有我、我中有你的耦合狀態(tài)。

控制面常采用軟件的方式實(shí)現(xiàn)，集中方式部署，可以同時(shí)管控多個(gè)數(shù)據(jù)面轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)元。比較知名的開(kāi)源SDN控制器，有ONOS、ODL等。

控制器會(huì)集中進(jìn)行路由計(jì)算，并把每個(gè)受控轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)元的表項(xiàng)以O(shè)penflow等標(biāo)準(zhǔn)API的方式進(jìn)行下發(fā)。

網(wǎng)絡(luò)的擁有者可以對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)元的控制面按需定制（通過(guò)控制器），對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)面的定制尺度有限，往往取決于采用的Openflow規(guī)范和所選擇的ASIC硬件。

SDN時(shí)代的硬件轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)元，屬于“控制面可編程網(wǎng)元”。

可編程網(wǎng)元的現(xiàn)狀

隨著數(shù)據(jù)面可編程交換芯片及P4語(yǔ)言的出現(xiàn)，轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)元的數(shù)據(jù)面也變的“善解人意”起來(lái)，可以根據(jù)用戶的業(yè)務(wù)場(chǎng)景和流量模型進(jìn)行定制。

比如，傳統(tǒng)的IP類轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)元，對(duì)5G用戶面網(wǎng)元UPF所采用的GTP報(bào)文的封裝和解封裝并不支持。數(shù)據(jù)面不可編程時(shí)代，要支持GTP就需要重新設(shè)計(jì)硬件，重走一遍傳統(tǒng)產(chǎn)品需求調(diào)研、立項(xiàng)、研發(fā)、測(cè)試等環(huán)節(jié)，這個(gè)周期想想都很長(zhǎng)。

可編程數(shù)據(jù)面硬件的出現(xiàn)，運(yùn)行在設(shè)備側(cè)的P4 Runtime代理（如stratum）與控制面通過(guò)P4 Runtime交互，動(dòng)態(tài)切換或改變轉(zhuǎn)發(fā)邏輯（如轉(zhuǎn)換為支持GTP的數(shù)據(jù)面）成為可能。這種網(wǎng)元，屬于“全可編程網(wǎng)元”。

通過(guò)下表，可以對(duì)三種類型網(wǎng)元做個(gè)簡(jiǎn)要對(duì)比：

轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)元數(shù)據(jù)面可編程，其實(shí)也不是可編程交換芯片的專屬。

軟件實(shí)現(xiàn)的虛擬網(wǎng)元、網(wǎng)絡(luò)多核處理器NP、FPGA等實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)元，都可以作為P4語(yǔ)言的運(yùn)行target（目標(biāo)）。而且，這些網(wǎng)元的可編程能力較之可編程交換芯片往往更好。

不過(guò)，論帶寬、功耗、成本之類的硬指標(biāo)，勝出的還是可編程交換芯片。

網(wǎng)元的控制面、轉(zhuǎn)發(fā)面全可編程帶來(lái)的直接好處，是網(wǎng)絡(luò)的擁有者不再受設(shè)備和芯片商的鎖定。

全可編程網(wǎng)元及由這些網(wǎng)元構(gòu)成的可編程網(wǎng)絡(luò)，能夠極大激發(fā)產(chǎn)學(xué)研各界對(duì)網(wǎng)元、網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新的熱情，同時(shí)，也通過(guò)P4語(yǔ)言等降低了創(chuàng)新的門檻。

針對(duì)控制面的研究，隨著SDN的成熟，可謂碩果累累。

下面，筆者羅列了一些針對(duì)數(shù)據(jù)面可編程進(jìn)行的優(yōu)秀創(chuàng)新和實(shí)踐。通過(guò)這些案例，可以更好地了解可編程網(wǎng)元的現(xiàn)狀：

負(fù)載均衡

大型數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)虛擬IP地址流量約占44%，需要做帶狀態(tài)負(fù)載均衡來(lái)維持每條連接的一致性。

數(shù)據(jù)中心通常的解決方案，是用上百臺(tái)服務(wù)器專門來(lái)做負(fù)載均衡。這大約會(huì)占用4%的計(jì)算資源，這部分計(jì)算資源無(wú)法再售賣給客戶進(jìn)行變現(xiàn)。

雪上加霜的是，用服務(wù)器跑軟件的方式進(jìn)行負(fù)載均衡，會(huì)帶來(lái)較高的延時(shí)和抖動(dòng)，影響用戶的體驗(yàn)。

2017年的一篇SIGCOMM論文拋出了SilkRoad方案（沒(méi)錯(cuò)，漢語(yǔ)意思是“絲綢之路”），成功的將這一棘手問(wèn)題扔進(jìn)了垃圾桶。

SilkRoad使用可編程交換機(jī)來(lái)做帶狀態(tài)四層負(fù)載均衡，通過(guò)存儲(chǔ)流的五元組哈希值與DIP池版本號(hào)來(lái)分別減少匹配域和動(dòng)作的大小，從而實(shí)現(xiàn)在交換機(jī)上同時(shí)維護(hù)上百萬(wàn)條流的帶狀態(tài)連接。通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)的bloom filter，用于確保即使DIP池發(fā)生更新，也能維持每條連接的一致性。

SilkRoad這樣做的好處也很明顯，可以用一臺(tái)可編程交換機(jī)代替上百臺(tái)服務(wù)器來(lái)完成帶狀態(tài)負(fù)載均衡的工作。這樣不僅將帶狀態(tài)負(fù)載均衡的成本降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，還錦上添花地降低了延遲與抖動(dòng)。

網(wǎng)絡(luò)測(cè)量

有網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)的讀者一定深有體會(huì)，日常的網(wǎng)絡(luò)管理和維護(hù)依賴于及時(shí)有效的網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和監(jiān)控。

也許有的讀者也聽(tīng)說(shuō)過(guò)NetFlow，一款應(yīng)用廣泛的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控工具。如果監(jiān)控所有流，會(huì)帶來(lái)較高的處理時(shí)間，以及較大的存儲(chǔ)空間消耗，很難在數(shù)據(jù)中心的商用交換機(jī)中進(jìn)行部署。

因此NetFlow需要對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行抽樣，只能監(jiān)控一部分流。這樣一來(lái)，對(duì)暫態(tài)路由循環(huán)、路由黑洞、突發(fā)流等進(jìn)行檢測(cè)，就變得不切實(shí)際。因?yàn)檫@些都需要在短時(shí)間內(nèi)，對(duì)所有流不采樣地進(jìn)行監(jiān)控。

一篇題為《A better NetFlow for data centers》的文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)了FlowRadar（流雷達(dá)），專門來(lái)解決這個(gè)痛點(diǎn)。

它的核心思想是，在可編程交換機(jī)上使用擴(kuò)展的可逆布魯過(guò)濾器查詢表，對(duì)每條流的計(jì)數(shù)器進(jìn)行編碼。然后，使用遠(yuǎn)程采集器的計(jì)算能力，對(duì)全網(wǎng)流計(jì)數(shù)器進(jìn)行解碼和分析。
這樣一頓折騰，F(xiàn)lowRadar比NetFlow的優(yōu)勢(shì)就出來(lái)了。它可擴(kuò)展性更好，可以監(jiān)控所有的流，可以搞定暫態(tài)路由循環(huán)、路由黑洞、突發(fā)流等棘手問(wèn)題的檢測(cè)。

網(wǎng)絡(luò)安全

DDoS攻擊，大家應(yīng)該不會(huì)陌生，沒(méi)經(jīng)歷過(guò)至少也應(yīng)該聽(tīng)說(shuō)過(guò)。因?yàn)樗悄壳熬W(wǎng)絡(luò)環(huán)境中規(guī)模最大、頻率最高的網(wǎng)絡(luò)攻擊手段。

應(yīng)對(duì)這種攻擊的傳統(tǒng)方法，是使用中間件來(lái)緩解。雖然SDN技術(shù)也可以被用來(lái)防御DDoS攻擊，但它本身又引入了新的DDoS的攻擊點(diǎn)。SYN-flood攻擊會(huì)使控制信道的鏈路容量和數(shù)據(jù)平面緩存很快成為瓶頸，就是個(gè)有血有肉的例子。

那么，有沒(méi)有在數(shù)據(jù)平面直接把DDoS攻擊流量清理掉的方案呢？

還真有，題為《Network anti spoofing with SDN data plane》的文獻(xiàn)，就提出了可以完全實(shí)現(xiàn)在可編程數(shù)據(jù)平面上的DDoS流量清理方法，這就避免了和控制器的交互。

它的核心思想是，數(shù)據(jù)平面設(shè)備會(huì)攔截并代理SYN請(qǐng)求，根據(jù)報(bào)文重新計(jì)算出的隨機(jī)SYN-ACK challenge作為應(yīng)答號(hào)，成功響應(yīng)challenge的源地址會(huì)被加入白名單并重設(shè)連接。

在通過(guò)challenge驗(yàn)證前，服務(wù)器和數(shù)據(jù)平面設(shè)備都不需要維護(hù)任何帶狀態(tài)的信息，可以應(yīng)對(duì)很大的攻擊流量。

當(dāng)攻擊流量超過(guò)了單一設(shè)備資源限制時(shí)，使用同一條轉(zhuǎn)發(fā)路徑上所有可編程數(shù)據(jù)平面的資源對(duì)攻擊流量進(jìn)行協(xié)同過(guò)濾，每個(gè)設(shè)備只負(fù)責(zé)清洗一部分流量，剩下的交由下游設(shè)備處理，讓DDoS攻擊來(lái)的更猛烈一些吧！

利用數(shù)據(jù)面可編程進(jìn)行創(chuàng)新的例子，我們還可以舉出很多。限于篇幅，筆者打算用一張圖來(lái)進(jìn)行這一節(jié)的收尾。

下圖顯示，可編程網(wǎng)元的研究在網(wǎng)絡(luò)遙測(cè)、性能優(yōu)化、加速卸載、安全等方方面面都有覆蓋。對(duì)這一領(lǐng)域感興趣的讀者，也可以將這張?zhí)嶙鳛殚_(kāi)啟深入學(xué)習(xí)研究之旅的導(dǎo)航圖。

可編程網(wǎng)元的未來(lái)

隨著數(shù)據(jù)面可編程方案的逐漸豐富，可編程網(wǎng)元已經(jīng)邁入控制面、數(shù)據(jù)面都可編程的全可編程網(wǎng)元時(shí)代。

用戶、業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)對(duì)可編程網(wǎng)元的期待是否都已變成現(xiàn)實(shí)？未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)是否會(huì)由可編程網(wǎng)元一統(tǒng)江湖？

上面的問(wèn)題，每個(gè)讀者都有自己的理解。下面筆者拋磚引玉，說(shuō)說(shuō)我的看法。

首先，用戶、業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)的需求，本身就在不斷的發(fā)展變化。而且，這個(gè)變化的趨勢(shì)在逐漸加快。所以，對(duì)可編程網(wǎng)元的需求或期待，永遠(yuǎn)不會(huì)消失。

其次，未來(lái)網(wǎng)絡(luò)一定是彈性靈活高性能、SLA有保障的智慧管道，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，可編程網(wǎng)元絕對(duì)是個(gè)潛力股。

不過(guò)如前文所述，可編程網(wǎng)元的硬件形態(tài)，較之目前五花八門的種類和型號(hào)，一定會(huì)有所減少，但也不大可能會(huì)只有一種硬件形態(tài)。至少，通用服務(wù)器的虛擬化可編程網(wǎng)元和采用可編程交換芯片、NP或FPGA其中的一種或幾種組合的軟硬一體化可編程硬件網(wǎng)元，大概率會(huì)存活下來(lái)。

目前，主流芯片供應(yīng)商紛紛推出了自己的可編程芯片解決方案。白盒設(shè)備商，也迫不及待地基于可編程芯片，推出了各自的可編程網(wǎng)元硬件。國(guó)內(nèi)外頭部互聯(lián)網(wǎng)公司，如AWS、Google、阿里、騰訊等，紛紛調(diào)兵遣將，進(jìn)行可編程網(wǎng)元的研發(fā)和落地。