耿俊杰，顏金堯

(中國(guó)傳媒大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京 100024)

1 引言

當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)中存在大量的在線業(yè)務(wù)需要網(wǎng)絡(luò)對(duì)高頻率的用戶請(qǐng)求做出快速應(yīng)答；隨著近年來(lái)機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)高速發(fā)展，對(duì)于數(shù)據(jù)中心計(jì)算能力的需求大幅上升；同時(shí)，隨著近年來(lái)數(shù)據(jù)中心流量的激增，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)吞吐量也提出了更高的要求。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中存在的日益復(fù)雜的各種應(yīng)用對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的靈活性和性能提出了挑戰(zhàn)，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大對(duì)于網(wǎng)絡(luò)管理效率也提出了更高的要求[1]。

另一方面，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)固化，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備封閉，功能單一且價(jià)格昂貴，不具備可編程能力，網(wǎng)絡(luò)新功能的開發(fā)部署周期長(zhǎng)，很難適應(yīng)當(dāng)前日益復(fù)雜多變的業(yè)務(wù)層應(yīng)用對(duì)于網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新的要求。網(wǎng)絡(luò)控制平面和數(shù)據(jù)平面分布式的部署在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的集中式管理，造成網(wǎng)絡(luò)管理和運(yùn)維復(fù)雜低效，并且廠商之間的管理指令不兼容，更加大了網(wǎng)絡(luò)管理人員的工作難度。在此背景下，為了應(yīng)對(duì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)，開放網(wǎng)絡(luò)可編程能力，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新的空間，2008年，斯坦福大學(xué)Nick McKeown教授為首的研究團(tuán)隊(duì)提出了Openflow[2]以及軟件定義網(wǎng)絡(luò)SDN(Software defined networking)技術(shù)。軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)獲得了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度關(guān)注，一系列基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用被提出，極大了促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新發(fā)展；2014年，研究者在SDN基礎(chǔ)上又提出了可編程數(shù)據(jù)平面技術(shù)[3]，將網(wǎng)絡(luò)編程能力擴(kuò)展到數(shù)據(jù)平面，進(jìn)一步開放了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的可編程能力。本文接下來(lái)將詳細(xì)介紹軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及可編程數(shù)據(jù)平面技術(shù)的發(fā)展和技術(shù)細(xì)節(jié)，由此闡釋為什么可編程數(shù)據(jù)平面技術(shù)會(huì)促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新。

2 軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(SDN)是斯坦福大學(xué)Nick McKeown教授團(tuán)隊(duì)在Clean Slate項(xiàng)目提出的一個(gè)概念，特別是2009年SDN南向接口協(xié)議OpenFlow1.0的發(fā)布，標(biāo)志著軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)入高速發(fā)展的階段。軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域最為活躍的技術(shù)創(chuàng)新，被MIT評(píng)為“改變世界十大創(chuàng)新技術(shù)”[4]。

2.1 軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu)

軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制平面和數(shù)據(jù)平面分離，通過(guò)邏輯集中的控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的集中管理。在軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，控制平面具有全局化視野，通過(guò)南向接口協(xié)議實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)平面通信，通過(guò)開放控制平面的可編程特性，使得網(wǎng)絡(luò)功能更加靈活和易于擴(kuò)展，因此對(duì)于網(wǎng)絡(luò)功能的部署更加靈活，同時(shí)也簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)的管理。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)解耦了控制平面和數(shù)據(jù)平面，值得注意的是在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，同樣具有轉(zhuǎn)發(fā)平面、控制平面，只是傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是分布式部署在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的，而SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了集中式控制。軟件定義網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，共分為數(shù)據(jù)平面、控制平面和應(yīng)用平面。

圖1 SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

其中在應(yīng)用平面可以實(shí)現(xiàn)各種上層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)新功能，例如可以實(shí)現(xiàn)流量調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)管理、QoS保障等應(yīng)用。

控制平面是由OpenFlow控制器實(shí)現(xiàn)。控制平面作為軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的控制中心負(fù)責(zé)為北向接口生成API接口以及通過(guò)OpenFlow協(xié)議與數(shù)據(jù)平面進(jìn)行通信，包括網(wǎng)絡(luò)路由生成以及處理網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化。目前出現(xiàn)了幾種SDN控制器，NOX[5]是最早的SDN控制器，NOX通過(guò)C語(yǔ)言編寫，為早期的軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究發(fā)揮了重要作用，并且NOX的設(shè)計(jì)模式也為后來(lái)控制器的開發(fā)起到了范例作用。POX控制器[6]是一款采用Python語(yǔ)言開發(fā)的控制器，POX借鑒了NOX控制器的內(nèi)部機(jī)制，更加簡(jiǎn)單易入門。隨著軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界受到越來(lái)越多的重視，一些優(yōu)秀的SDN控制器相繼出現(xiàn)，比如Ryu[7]控制器是一款同樣使用Python語(yǔ)言開發(fā)的控制器，F(xiàn)loodLight[8]控制器是采用Java語(yǔ)言開發(fā)。這些新出現(xiàn)的控制器也具有更加成熟的架構(gòu)以及更加優(yōu)秀的性能。2013年，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界共同創(chuàng)立了通用的SDN控制平面開源項(xiàng)目OpenDaylight[9]，支持OpenFlow協(xié)議(支持1.0和1.3版本)、Netconf協(xié)議和OVSDB協(xié)議等多種南向接口協(xié)議。2014年，由On.Lab開發(fā)的一款采用Java語(yǔ)言編寫的ONOS(Open Network Operating System)[10]控制器出現(xiàn)。ONOS采用OSGi架構(gòu)。在ONOS控制器的底層模塊借鑒了FloodLight控制器的經(jīng)驗(yàn)，并且ONOS控制器沒(méi)有使用YANG語(yǔ)言進(jìn)行建模。各種控制器的不斷出現(xiàn)也從側(cè)面驗(yàn)證了軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的活躍度和不斷發(fā)展?？刂破矫婧蛻?yīng)用平面通過(guò)開放Restful API進(jìn)行通信。

數(shù)據(jù)平面是由網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備構(gòu)成的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)執(zhí)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中所需要的轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)是由控制平面生成。數(shù)據(jù)平面和控制平面之間的接口被稱為南向接口，OpenFlow協(xié)議是控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面之間的一種基于芯片的接口協(xié)議。OpenFlow協(xié)議基于TCP/IP協(xié)議棧，用于控制器與轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備之間的通信，主要包括數(shù)據(jù)平面上報(bào)網(wǎng)絡(luò)資源信息和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，接收控制平面的轉(zhuǎn)發(fā)指令。

2.2 軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一個(gè)學(xué)術(shù)界跟工業(yè)界結(jié)合非常緊密的領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的每次技術(shù)變革都會(huì)對(duì)產(chǎn)業(yè)界造成巨大的影響，軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)自從提出之后就受到了產(chǎn)業(yè)界的高度重視，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供商比如思科、華為等也紛紛轉(zhuǎn)向軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，同時(shí)也出現(xiàn)了一些軟件定義網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的初創(chuàng)公司。并且特別值得注意的是，一些互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容提供商也開始利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)與管理自己的底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，這也正是軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所倡導(dǎo)的網(wǎng)絡(luò)開放的體現(xiàn)。

谷歌公司是較早進(jìn)入軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的互聯(lián)網(wǎng)公司，在過(guò)去十年中谷歌一直在發(fā)展軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以支持其各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。在2013年谷歌推出了一個(gè)面向數(shù)據(jù)中心的廣域網(wǎng)互連B4網(wǎng)絡(luò)。

圖2 谷歌B4網(wǎng)絡(luò)

B4網(wǎng)絡(luò)是軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的最典型應(yīng)用之一，谷歌通過(guò)B4網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了其全球各個(gè)數(shù)據(jù)中心之間的互聯(lián)。通過(guò)B4網(wǎng)絡(luò)的改造，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)流量路徑，提高了其連接WAN網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率，在運(yùn)營(yíng)成本、建設(shè)成本上都得到了顯著的提升。

除了B4網(wǎng)絡(luò)之外，谷歌還開發(fā)了應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的Jupiter架構(gòu)，并且在2017年推出了其第四個(gè)SDN控制器：Espresso。除了谷歌之外，國(guó)內(nèi)外的很多廠商也紛紛加入到軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，通過(guò)軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)優(yōu)化自己的網(wǎng)絡(luò)或者提供基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的產(chǎn)品和設(shè)備。

3 可編程數(shù)據(jù)平面技術(shù)

軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)平面和控制平面的分離，開放了控制平面編程能力，實(shí)現(xiàn)了控制平面的邏輯集中，這些特點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)的管理和開放帶來(lái)了一定的靈活性。但是在軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，數(shù)據(jù)平面并沒(méi)有被開放，其行為仍然是固定的。OpenFlow協(xié)議版本已經(jīng)從2008年OpenFlow1.0版本演進(jìn)到1.5版本，其中匹配域中支持的元組數(shù)量也從支持12元組增加到目前支持45個(gè)元組，其支持的元組數(shù)量隨著OpenFlow協(xié)議的更新也不斷增加。但OpenFlow協(xié)議支持的匹配域都是協(xié)議設(shè)定的，并不能支持靈活的彈性增加，對(duì)于新匹配元組的支持都需要重新編寫數(shù)據(jù)平面與控制平面兩端的協(xié)議棧以及數(shù)據(jù)平面的數(shù)據(jù)包處理邏輯，這種局限性導(dǎo)致了OpenFlow交換機(jī)的設(shè)計(jì)難度大大增加，OpenFlow協(xié)議的版本穩(wěn)定性也存在很大問(wèn)題，這是對(duì)軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所追求的網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新是一種阻礙。

3.1 可編程數(shù)據(jù)平面抽象模型

Nick McKeown教授等人提出了協(xié)議無(wú)關(guān)(Programming Protocol-Independent Packet Processors)的高級(jí)編程語(yǔ)言P4。P4是一種聲明性的高級(jí)編程語(yǔ)言，通過(guò)編寫P4代碼可以自定義網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)平面數(shù)據(jù)包的處理流程，也就是開放了數(shù)據(jù)平面的可編程能力。

圖3 可編程數(shù)據(jù)平面抽象轉(zhuǎn)發(fā)模型

圖3描述了可編程數(shù)據(jù)平面的抽象轉(zhuǎn)發(fā)模型，主要由輸入、輸出端口、解析器、Ingress/Egress控制流水線、隊(duì)列緩存組成。解析器負(fù)責(zé)報(bào)文解析，當(dāng)數(shù)據(jù)包進(jìn)入交換機(jī)時(shí)，解析器按照解析表對(duì)進(jìn)入的數(shù)據(jù)包進(jìn)行報(bào)文解析，解析表是由P4代碼定義，并由編譯器編譯生成的，通過(guò)P4代碼自定義報(bào)文頭和報(bào)文頭解析順序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的報(bào)文解析邏輯，解析器從進(jìn)入交換機(jī)的數(shù)據(jù)包的報(bào)文首部解析出自定義的報(bào)文頭，并賦值給P4定義的實(shí)例化首部。

匹配動(dòng)作表是數(shù)據(jù)平面執(zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)邏輯的基本單元，對(duì)進(jìn)入交換機(jī)并匹配成功的數(shù)據(jù)包執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)包的處理。可編程數(shù)據(jù)平面的抽象轉(zhuǎn)發(fā)模型實(shí)現(xiàn)了全流水線可編程，控制程序負(fù)責(zé)定義匹配動(dòng)作表的執(zhí)行順序，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)邏輯的實(shí)現(xiàn)，控制流水線分為Ingress control和Egress control兩部分。

可編程數(shù)據(jù)平面真正實(shí)現(xiàn)了協(xié)議無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，并且作為一種描述性的高級(jí)編程語(yǔ)言，無(wú)需關(guān)心底層設(shè)備的具體信息，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備無(wú)關(guān)性和代碼可移植性，使得網(wǎng)絡(luò)更加靈活和開放。

3.2 可編程數(shù)據(jù)平面元素

可編程數(shù)據(jù)平面模型中定義了幾種結(jié)構(gòu)元素，以實(shí)現(xiàn)全流水線可編程以及協(xié)議無(wú)關(guān)特性。

(1)自定義報(bào)文頭Header。Header用來(lái)實(shí)現(xiàn)自定義報(bào)文頭，通過(guò)聲明首部各字段名稱和長(zhǎng)度的有序列表來(lái)設(shè)定報(bào)文解析的規(guī)則。Header通過(guò)關(guān)鍵字header_type來(lái)聲明，例如定義UDP協(xié)議報(bào)文頭的P4代碼如下：

header_type udp_t {

fields {

srcPort：16；

dstPort：16；

hdr_length：16；

checksum：16；

}

}

其中在fields設(shè)定字段的名稱和長(zhǎng)度，字段的名稱和長(zhǎng)度可以根據(jù)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議字段設(shè)定，也可以是自定義的報(bào)文字段。自定義報(bào)文字段體現(xiàn)了可編程數(shù)據(jù)平面協(xié)議無(wú)關(guān)特性。

(2)P4解析器，P4語(yǔ)言中實(shí)現(xiàn)的解析器可以靈活解析數(shù)據(jù)包的報(bào)文頭字段，解析器借鑒了有限狀態(tài)機(jī)的思想進(jìn)行設(shè)計(jì)。

以下代碼是P4實(shí)現(xiàn)的Ethernet層解析器的部分解析函數(shù)。

parser ethernet {

extract(ethernet)；

return select(latest.ethertype){

0x8100：vlan；

0x800：ipv4；

default：ingress；

}

}

解析器的解析過(guò)程可以用一個(gè)類似于有限狀態(tài)機(jī)的解析圖來(lái)表示，圖4就是一個(gè)典型的解析圖?？梢园呀馕鰣D中的每一個(gè)狀態(tài)(也即P4語(yǔ)言中的一個(gè)解析函數(shù))看作是一個(gè)狀態(tài)節(jié)點(diǎn)，不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換就是不同狀態(tài)節(jié)點(diǎn)之間的狀態(tài)遷移。

圖4 P4解析圖

(3)匹配動(dòng)作表以及控制流水線，匹配動(dòng)作表是數(shù)據(jù)平面執(zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)邏輯的基本單元，數(shù)據(jù)包進(jìn)入交換機(jī)并匹配成功后，執(zhí)行對(duì)應(yīng)的動(dòng)作，動(dòng)作執(zhí)行時(shí)解析表示中的首部實(shí)例會(huì)被更新。控制流水線定義了匹配動(dòng)作表的執(zhí)行順序，匹配動(dòng)作表的執(zhí)行順序也代表了網(wǎng)絡(luò)開發(fā)人員的邏輯設(shè)計(jì)。P4代碼經(jīng)P4編譯器編譯后生成配置文件，配置文件被加載到轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包處理邏輯，通過(guò)Thrift協(xié)議與控制面通信完成轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的配置和控制。

相對(duì)于OpenFlow的控制平面可編程，可編程數(shù)據(jù)平面技術(shù)進(jìn)一步開放了數(shù)據(jù)平面的可編程能力?？梢詫?shí)現(xiàn)靈活定義數(shù)據(jù)平面轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備數(shù)據(jù)處理流程，并且在重新配置時(shí)可以做到轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)中斷，并且實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備協(xié)議無(wú)關(guān)特性，通過(guò)自定義報(bào)文頭，交換機(jī)等數(shù)據(jù)平面轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備僅需按照自定義的報(bào)文頭以及流水線處理邏輯對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理，而無(wú)需關(guān)注具體協(xié)議的報(bào)文定義和規(guī)范。通過(guò)編寫P4代碼進(jìn)行編譯并生成對(duì)應(yīng)的匹配動(dòng)作表等配置文件加載到交換機(jī)，從而被數(shù)據(jù)平面轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備所理解和執(zhí)行另外P4語(yǔ)言是一種描述性的高級(jí)編程語(yǔ)言，可以在不關(guān)心底層設(shè)備的具體信息的情況進(jìn)行功能開發(fā)。

3.3 可編程數(shù)據(jù)平面硬件實(shí)現(xiàn)

Barefoot Network公司推出的Toffino芯片為可編程數(shù)據(jù)平面提供了硬件保證，Toffino芯片可以提供高達(dá)6.5Tb/s的處理速度，可以完全滿足可編程數(shù)據(jù)平面轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備對(duì)于性能的要求。

圖5 各領(lǐng)域?qū)Ｓ眯酒?/p>

圖5展示了各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域中專用芯片，在可編程數(shù)據(jù)平面技術(shù)中，基于協(xié)議無(wú)關(guān)架構(gòu)(PISA)的Toffino芯片為將可編程數(shù)據(jù)平面技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供了保證。

4 總結(jié)

當(dāng)前各種快速發(fā)展的業(yè)務(wù)層應(yīng)用對(duì)于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提出了挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)封閉、固化的特點(diǎn)使得傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無(wú)法應(yīng)對(duì)目前面臨的各種挑戰(zhàn)，在此背景下軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和可編程數(shù)據(jù)平面技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。本文介紹了軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及可編程數(shù)據(jù)平面技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)對(duì)技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行了闡釋，對(duì)于目前在產(chǎn)業(yè)界的應(yīng)用也進(jìn)行了概述，通過(guò)對(duì)技術(shù)細(xì)節(jié)的介紹說(shuō)明了可編程數(shù)據(jù)平面技術(shù)如何對(duì)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新產(chǎn)生了重要的推動(dòng)。