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协议 无关交换机架构技术与应用白皮书 在此处键入 协议无关交换机架构 技术与应用白皮书 联合编写单位 : 中国联通 网络技术研究院 网络通信与 安全紫金山实验室 北京邮电大学 Barefoot Networks 2019 年 10 月 协议 无关交换机架构技术与应用白皮书 协议 无关交换机架构技术与应用白皮书 目 录 1 序言 . 1 2 云网业务与 SDN 发展趋势 . 5 3 P4 可编程语言 . 7 3.1. P4 的诞生和概念 . 7 3.2. P4 的创新点及优势 . 7 4 协议无关可编程芯片设计理念与架构 . 9 4.1. PISA 模型 . 9 4.2. 基于 Tofino 的交换设备 . 9 4.3. SDK vs SDE .11 5 可编程芯片的主要应用领域 . 13 5.1. 带内网络遥测 .13 5.2. 云网性能优化 .13 5.3. 5G 承载 .16 5.4. 网络自动化测试 .18 6 行业生态合作 . 21 6.1. 开源生态 .21 6.2. 产业生态 .22 7 总结与展望 . 25 缩略语 . 27 白皮书联合编写单位 . 29 协议 无关交换机架构技术与应用白皮书 协议 无关交换机架构技术与应用白皮书 1 1 序言 Networking has changed enormously in the past 10-15 years. In 2005, every hyperscale datacenter used closed proprietary vendor software to run their network. Today, all of the top 10 hyperscalers worldwide write their own software to control their network (e.g. SONiC, FBOSS, Stratum), or use open-source. Next, the big telco operators will do the same, with ONAP and DANOS and ONFs ONOS, Trellis and SEBA. Why has this happened? Basically, the industry model was wrong: Only network operators know best how to control their network, so they need to write their own software. We are in the middle of a big industry transition in which they are taking over the control plane software. Nowadays we take it for granted that they can write, commission or download software and tailor it to optimize their network and make it better than their competition. Basically, they have taken charge of the software that controls their networks, which is what needed to happen - it was inevitable. I call this the First Stage of SDN. In the Second Stage of SDN, the hyperscalers are starting to take control of how packets are processed too. After all, a network is merely a method to transfer packets from a source to a destination and process them along the way. If we are not in charge of how the packets are processed, we are not really in charge of our network. And so, there was a big need for switches to become programmable too. We started thinking about this in about 2010 and we started a project between my group at Stanford University and TI to see how we could do it. By 2013, we learned we could build a programmable switch with the same power, performance and cost as the traditional fixed-function switches. So we started Barefoot in 2013 to go make it happen. The P4 language and the Tofino switch were born soon after. Today, Tofino in 16nm has the same, or better, power, performance and cost as the leading fixed-function switches in 16nm. This is huge and very surprising to most people. There is no turning back and future switches will be programmable. With Intels acquisition of Barefoot, the two biggest chip companies - Intel and Broadcom are now building programmable switch chips. It makes me very happy to see. We all want to help improve the Internet, to allow it to evolve and improve faster, to make it more reliable, more secure and easier to manage. SDN is helping network owners improve their networks faster than ever before. By allowing software developers to write the programs to decide how their networks behave, we are unleashing a “Cambrian explosion” of beautiful new ideas which will keep improving the network, making it more reliable, more secure and gradually work together with CPUs and accelerators to make our applications run faster. It is a very exciting time for networking. Professor of Stanford University Member of the US National Academy of Engineering Co-founder of Barefoot Nick McKeown 协议 无关交换机架构技术与应用白皮书 2 在过去的 10 到 15 年里，网络世界发生了巨大变革。 2005 年的时候，每个超大 规模数据中心的建立所采用的都是封闭的专有供应商软件 。 而今天，全球十大超规模数据中心，诸如 SONiC, FBOSS, Stratum 等，都通过自己编写的软件或是开源软件来控制网络。不久的将来，大型电信运营商也将通过 ONAP, DANOS， ONOS， Trellis 和 SEBA 来实现自主 掌控 。为何会发生如此巨大的变革呢？从根本上来说，传统的行业模式自身就存在着一定的问题：只有网络运营商最了解如何控制自己的网络，因此最好的实现方式本就应该是他们自己编写软件。我们正处于一个网络运营商尝试接管控制平面软件的比较关键的行业转型期。网络运营者理应可以编写，或者加载软件，并对其进行控制，以优化其网络，使之优于竞争对手。网络运营者在控制网络软件方面已经可 以独当一面，这是大势所趋，也无从避免，此为 SDN 的第一阶段。 而在 SDN 的第二阶段，运营者要开始去学习控制数据包的处理方式。毕竟，网络仅仅是将数据包从源节点传输到目的节点并在传输过程中对其进行处理的一种方法。如果运营者连数据包的处理过程都不能控制的话，又何谈控制整个网络？因此，交换机支持可编程性的需求也变得十分迫切。 2010 年前后，我所在的斯坦福大学的团队以及 TI 基于此课题展开了探索之旅。直到 2013 年，我们才初步确定，构建一个同功能固定的传统交换机具有相同的功能、性能和成本的可编程交换机是可行的，同年，我 们创立了 Barefoot 来具体实现这一构想。不久之后，P4 语言以及 Tofino 交换机就诞生了。如今， 16nm 的 Tofino 在功率、性能和成本方面与 16nm 最优的固定功能交换机相比，有过之而无不及。于我们而言，这是意想不到的惊喜。随着 Intel 对 Barefoot 的收购，业内最大的两家芯片厂商 Intel 和 Broadcom，都参与到了 研制 可编程交换芯片的工作中。我本人对此 十分高兴 。 我们都希望能为改善互联网贡献一己之力，让它得以快速发展和演进，也变得更安全可靠、更易于管理。而 SDN 正在用其特有的方式帮助网络所 有者以空前的速度改善网络。随着 P4 的诞生，一系列新奇瑰丽的想法接踵而至，这些想法将不断改进网络，逐步完成与 CPU、加速器等的协同工作，从而使我们的应用程序高速运行，某种程度上可以说，我们释放了又一次的 “寒武纪大爆发 ”。网络时代的高光时刻已然到来！ -斯坦福大学教授 & 美国国家工程院院士 & Barefoot Networks 联合创始人 Nick McKeown 协议 无关交换机架构技术与应用白皮书 3 2006 年， SDN 诞生之初，提出了控制平面与转发平面相分离的思想，为人们打开了认识和定义网络世界的全新窗口， OpenFlow 进入大众视野 ，提供控制器和数据面的动态交互，开启了网络可编程时代。然而随着网络运营者对可编程需求度的持续升高， OpenFlow 所能提供的目标无关可编程性已经远远不够，更深层次的诉求是实现协议无关可编程性，基于此，一种全新的高级编程语言 P4应运而生。 正所谓一石激起千层浪， P4 的出现，很大程度上缓解了网络运营者的痛点，给了他们自己定义数据面的 权限 ，因此而拓展出来的可应用场景也覆盖了网络的多个层面，我们很乐于看到这类颠覆性的新型语言和架构所带来的一系列惊喜，这无疑是具有里程碑意义的。 本册白皮书从简单介绍 P4 语言的诞生 以及 PISA 架构的特点入手，继而引出可编程交换芯片的可应用领域，系统地总结了目前已知的可应用场景，很适合想要了解 P4 和 PISA 的业界同仁参阅。当然，我们相信随着网络开发者对这一领域的持续关注，更多元更广阔的应用空间还有待探索。随着白盒化工作在运营商网络中的逐步推进，未来 P4 必然会在可编程网络的舞台上一展风采。 -中国联通智能网络中心总架构师，中国联通网络技术研究院首席科学家 唐雄燕 协议 无关交换机架构技术与应用白皮书 4 在过去 十 年中，随着 SDN、 NFV、云计算等技术的深入发展， SDN 技术已逐步实现了大规模应用，并推动了网络控制方式的变革 。协议无关 交换 技术的出现，则从 数据转发行为 的方面对未来网络提出新的变革思路 ，预计将 会 进一步提升网络的开放性和可编程能力，对传统网络向未来网络的演进具有重要意义。与传统交换机相比，协议无关交换机 通过 采用 更加 开放的架构， 可 实现交换机软件与硬件的解耦，使网络设备更加通用 化 ， 从而一定程度上降低设备的硬件成本 。 另一方面 ，协议无关交换机 可 提供完全 开放的 可编程样本模型 与 设计思路 ，便于用户实现网络控制应用的快速迭代， 进而实现 网络 的 深度定制与 协议 优化 ，满足不断变化的网络功能与需求。 当然 ，协议无关 交换技术的未来发展 也 还 面临 一些 挑战。 首先， 软硬件解耦固然增强了灵活性，但 同时 对设备稳定性也带来了 极大 挑战 ，如何构建电信级高性能网络交换设备成为重要难题。其次，目前协议无关交换机主要应用于数据中心、接入网络等场景，未来如何面向骨干网、城域网、 5G 核心网等场景开展应用也成为需要进一步探索的议题 。此外，协议无关交换 技术还将涉及到整个产业生态发展的问题， 如何构建 产业链上下游企业、 高校、科研机构各方积极投入、蓬勃发展的产业生态，对于未来网络的发展与演进具有重要意义 。 总体来看，随着面向 2030 年“万亿级、人机物、全时 空、安全、智能”的未来网络发展愿景，网络技术正在快速创新和迭代。我认为从技术进步的角度来看，协议无关交换 技术作为未来网络领域的重要方向之一，非常值得业界积极尝试与探索。技术的进步将会推动整个行业的发展，通过对该项技术的研究，有可能掀起新一轮运营商网络的技术创新与架构变革，进而带动整个网络产业的创新与发展。 -北京邮电大学教授，紫金山实验室未来网络中心主任 黄韬 协议 无关交换机架构技术与应用白皮书 5 2 云网业务与 SDN 发展趋势 SDN 最初起源于美国斯坦福大学的实验室， 2008 年， McKeown 教授等人在 ACM SIGCOMM 发表 文献 首次详细地介绍了 OpenFlow 的概念 。 基于 OpenFlow 为网络带来的可编程特性， McKeown 教授提出了 SDN 的概念。 SDN 是一种数据平面与控制平面分离，并可直接对控制平面编程的新型网络架构。数控分离将有助于底层网络设施资源的抽象和管理视图的集中，从而以虚拟资源的形式支持上层应用与服务，实现更好的灵活性与可控性。 SDN 自提出以来，一直受到来自各界的关注，许多标准化组织，如 ONF 和IETF 等， 都围绕 SDN 开展了相关工作，讨论 SDN 在各自相关领域的发展及应用。当前， SDN 技术的发展趋向于更加开放灵活的数据平面、更高性能的开源网络硬件、更加智能的网络操作系统、功能虚拟化的网络设备、高度自动化的业务编排等五个方面。 SDN 产业发展趋势主要趋向数据中心场景下的创新应用、运营商场景下的创新应用、产业界大规模的商用部署等三个方面。近年来，产生了众多与 SDN 相关的网络新技术，包括 SR、 IBN、 P4 技术、 SD-WAN 技术、基于SDN 的 IP+光技术、软件定义光网络技术、智能网卡技术等。近年， SDN 与多种网络架构融合 ，在内容中心网络、移动边缘计算、 IBN、 P4、 SD-WAN 等领域开展了广泛的研究 ， 也得到了持续的发展。 2013 年， McKeown 教授和一些研究 P4 的同事成立了 Barefoot Networks 公司 （已于 2019 年 7 月被 Intel 收购） ，致力于开发基于 P4 的网络芯片 Tofino 和软件开发套件（现更名为 P4 Studio） ， 并帮助 P4 社区发展壮大。 P4 是对数据包进行处理的编程语言，帮助网络用户摆脱来自芯片硬件厂商的各种协议制约。未来 SDN 的研究与应用仍有很大的空间。根据 IDC 预测， SDN 应用预计到 2020 年将实现 66%的年复合增长率，届时市场规模将超过 35 亿美元。 接下来，本 白皮书 将在 3 至 6 章依次介绍 P4 可编程语言、协议无关可编程芯片设计理念与架构、可编程芯片的主要应用领域、行业生态合作等内容，并在第 7 章进行总结与展望。 协议 无关交换机架构技术与应用白皮书 6