協議無關交換機架構技術與應用白皮書發布(文末附下載鏈接)

10月22日-24日,“GNTC 2019 全球網絡技術大會”在南京香格里拉大酒店正式拉開帷幕。當前,全球互聯網發展已進入“大航海時代”,網絡的觸角和邊際不斷被拓寬,用戶需求空前膨脹,而這都得益于網絡技術的強大支撐。網絡技術的創新發展,是推動數字化經濟發展的核心力量,更是推動著人類社會不斷向前的動力源泉。

在今天下午的CORD&Open Edge Innovation Workshop上,中國聯通網絡技術研究院, 網絡通信與安全紫金山實驗室聯合北京郵電大學和 Barefoot Networks 共同發布了《協議無關交換機架構技術與應用白皮書》。

中國聯通網研院未來網絡部高級專家、智能云網技術研究室主任 曹暢

北京郵電大學講師 汪碩

技術總監、Barefoot(intel)客戶解決方案架構師 楊光

該白皮書從 P4 語言的誕生伊始為出發點,依次介紹了協議無關可編程芯片的理念和架構,其在網絡遙測、云網性能優化、5G 承載、網絡自動化測試等方面的應用,以及開源和產業生態合作等相關內容,旨在為業界同仁提供協議無關交換機架構多角度全覆蓋的技術與應用介紹。(下圖為白皮書目錄)

SDN 最初起源于美國斯坦福大學的實驗室,2008 年,McKeown 教授等人在 ACM SIGCOMM 發表文獻首次詳細地介紹了 OpenFlow 的概念。基于 OpenFlow 為網絡帶來的可編程特性,McKeown 教授提出了 SDN 的概念。SDN 是一種數據平面與控制平面分離,并可直接對控制平面編程的新型網絡架構。數控分離將有助于底層網絡設施資源的抽象和管理視圖的集中,從而以虛擬資源的形式支持上層應用與服務,實現更好的靈活性與可控性。

SDN 自提出以來,一直受到來自各界的關注,許多標準化組織,如 ONF 和 IETF 等,都圍繞 SDN 開展了相關工作,討論 SDN 在各自相關領域的發展及應用。當前,SDN 技術的發展趨向于更加開放靈活的數據平面、更高性能的開源網絡硬件、更加智能的網絡操作系統、功能虛擬化的網絡設備、高度自動化的業務編排等五個方面。SDN 產業發展趨勢主要趨向數據中心場景下的創新應用、運營商場景下的創新應用、產業界大規模的商用部署等三個方面。近年來,產生了眾多與 SDN 相關的網絡新技術,包括 SR、IBN、P4 技術、SD-WAN 技術、基于SDN 的 IP+光技術、軟件定義光網絡技術、智能網卡技術等。近年,SDN 與多種網絡架構融合,在內容中心網絡、移動邊緣計算、IBN、P4、SD-WAN 等領域開展了廣泛的研究,也得到了持續的發展。

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 收購),致力于開發基于 P4 的網絡芯片 Tofino 和軟件開發套件(現更名為 P4 Studio),并幫助 P4 社區發展壯大。P4 是對數據包進行處理的編程語言,幫助網絡用戶擺脫來自芯片硬件廠商的各種協議制約。未來 SDN 的研究與應用仍有很大的空間。根據 IDC 預測, SDN 應用預計到 2020 年將實現 66%的年復合增長率,屆時市場規模將超過 35 億美元。

本白皮書將在 3 至 6 章依次介紹 P4 可編程語言、協議無關可編程芯片設計理念與架構、可編程芯片的主要應用領域、行業生態合作等內容,并在第 7 章進行總結與展望。

以下為白皮書部分內容節選

3 P4 可編程語言

2014 年,由 McKeown 教授等聯合發布了一篇論文《P4: Programming Protocol-Independent Packet Processors》,該論文在 SDN 界引起了極大的反響和關注度。 隨后,Nick 教授等人又發布了《The P4 Language Specification》、《Barefoot 白皮書》等文件。目前,P4 已經在國外引起了足夠的重視,ONF 成立了協議無關轉發的開源項目,該項目目前的工作重點就是為 P4 提供配套的 IR,而項目的工作成果也將被用來設計下一代的 OpenFlow 協議。

P4 是一種專用的編程語言,其目標為協議無關性、目標無關性以及現場可重配置能力,它能夠解決 OpenFlow 編程能力不足以及其設計本身所帶來的可拓展性差的難題。首先 P4 定義數據包的處理流程,然后利用編譯器在不受限于具體協議的交換機或網卡上生成具體的配置,從而實現用 P4 表達的數據包處理邏輯。

4 協議無關可編程芯片設計理念與架構

PISA 模型 :PISA,指協議無關交換機架構,這是一種在用戶完全程序控制下以最高速度處理數據包的新范例。實踐證明,PISA 用戶可以使用開源編程語言自行編程網絡,而不會降低其性能。PISA 體系結構把數據平面全部控制權都交給網絡所有者。為了做到這一點,PISA 確定了一個用于處理數據包的小的原始指令集,以及一個非常統一的可編程流水線,用以快速連續地處理數據包頭。程序是用高級域特定語言(P4)編寫的,經由 P4 語言編譯器進行編譯,并在 PISA 設備上以全速率運行。

5 可編程芯片的主要應用領域

帶內網絡遙測:INT,即帶內網絡遙測,可以直接在數據路徑中收集端到端的實時狀態信息。源端點在包中嵌入指令,列出要從網絡元素收集的網絡狀態類型。每個網絡元素在數據包通過網絡時在數據包中插入請求的網絡狀態。P4 程序可以作為一種自然的方式來表示 INT 所需的包頭解析和修改。

6 行業生態合作-開源生態

Stratum :2018 年 3 月,ONF 發布了下一代 SDN 接口戰略,并在谷歌的支持下推出了Stratum 項目,同 Openflow 僅僅定義控制轉發的行為機制不同,該開源項目的目標是提供一個白盒交換機和開放軟件系統,通過使用可編程芯片以及包含 P4 和P4 Runtime 的工具箱,來實現真正的軟件定義的數據平面參考平臺,并基于此支持包括配置、控制、操作、可選流水線可編程性等在內的全生命周期的控制和管理。與此同時 Stratum 創始成員計劃采用盡可能廣泛的網絡芯片以及來自多廠商的白盒交換機來提供 Stratum 解決方案,作為 Stratum 首個版本的代碼貢獻者,谷歌即將在其生產網絡中部署 Stratum。2019 年 9 月,ONF 宣布 Stratum 項目正式開源化,目前已獲得 Apache 2.0 開源許可證。

《協議無關交換機架構技術與應用白皮書》完整內容下載:
https://edu.sdnlab.com/opendoc/2087.html


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SDNLAB君 發表于19-10-24
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