网络转型中的设备硬件形态选择初探

作者简介：Domi

引言

江湖，武侠门派众多，武功众多，不一样的武功，有着不同的境界，同一种武功，随习武者悟性与天资的不同，武功境界也是参差不齐。从讲究招式，中规中距，到旁门左道，剑走偏锋；从天下之术，皆为我用，到盖世神功，深不可测；从武学宝典，出神入化，到自创武功，自成一派，不一而足。

网络，即江湖，亦如是。接着上一篇大道至简——迈向融合的未来网络，继续来聊下网络设备流派及网络转型之下硬件形态选择问题。网络江湖门派错综复杂，盘根错节，试图进行框架科普介绍，详细深入研究，待后续另开专题展开。

万物互联的核心即网络，网络赖以工作的原理倒也简单：传输 + 路由交换，但网络的庞大复杂却无与伦比。按照接入层次及业务领域，网络全貌大体如下：

上图基本涵盖了所有领域，其任一领域，如有线接入网，继续展开，可呈现大体如下拓扑：

上图任一层级随着逐步的聚焦深入，网络会暴露各式各样的网络设备，以至于单单是设备名称就足以让人抓狂。

一方面，随着新型业务层出不穷的涌现，在已有庞杂的网络上展开新的业务，甚至开拓新的领域，无论是运营商，还是设备商，还是芯片厂商都面临巨大挑战。网络全貌图中标红的领域为当前的热点领域，这里面有在传统业务领域基础上发生的变革，如在传统UnderLay之上进行OverLay的SD-WAN变革，也有革命性的采用新架构的SDN WAN。也有两者兼具的复杂演进，如BRAS向vBRAS的演进，既有设备形态上的变化，又波及网络架构转控分离的革命。更有彻底革命性变化，如5G网络的诞生，形成端到端的革命，从终端设备到基站，基站到骨干网，从移动通信到固定宽带，从实体网元到NFV网络切片，均为颠覆性的存在。

另一方面网络设备市场空间巨大，却被为数不多的几家厂商把控，面对如此巨大的蛋糕，只要沾边的厂商都想分一杯羹，形成了种种不同的抱团社区。面对纷繁复杂的变化，好在网络的演进方向清晰而明确。其中虽有运营商和设备商的角逐，传统芯片厂商和新兴芯片厂商的较量，网络的总体演进奔着解耦，开放，可编程的方向演进。

网络设备演进方向

纵观整个产业的发展，在过去的三十年中，互联网已经变得非常商业化，企业网络的协议和技术已经发生了变迁。但是我们也应该看到，虽然作为互联网中坚力量的以太网和TCP/IP协议栈显然是开放的，但是交换芯片和交换机制造商都对内部的组件讳莫如深。在过去几十年里，他们也很享受这种全盘控制给他们心理上、技术上和经济上带来的快感。领先交换芯片制造商（如Broadcom，Mellanox Technologies，Barefoot，Cavium和Innovium）详细谈论他们的技术。但与我们从全球CPU制造商那里获得的技术相比，他们公开的技术太肤浅。而且交换机的元件也没有像我们可以从任何一台OEM或ODM想要组装的服务器上那样被详细地列出。传统设备商如思科，华为等，让他们深度公开技术，更是难上加难。

网络设备的演进，基本围绕针对传统网络设备的解耦进行，进行解耦的方法动作，也逐渐清晰，具体体现为如下三层解耦：

1.网络系统软件解耦

• 借力开源，可持续发展
• 社区化协作，高效研发

2.软硬件解耦

• 硬件标准化，提供更多选择
• 掌控软件，沉淀研发运维能力

3.芯片解耦

• 避免芯片锁定
• 通用跨芯片平台

完成三层解耦，依赖的关键技术框架为SDN/NFV。网络设备完成架构转型，最终形成业务系统设计复杂，而灵活可弹性扩展；转发器尽量简单，业务无关形成融合，且可编程。

设备商流派

通过解耦从传统芯片厂商那里，完成芯片级替换革命，其方向和过程将曲折而漫长，涉及到技术和市场等多方面因素，角色可大体做如下划分：

传统网络设备商：现有网络中，传统设备既有者，如华为，思科等，占据了绝对市场空间，面对网络转型考虑的是如何维护既得分额，同时不丢失新兴市场。面对浩浩荡荡的解耦趋势，传统设备商不得不将固守多年的设备为用户提供开发接口；不得不拥抱开源社区，通过贡献源码，搅局开源社区，引导社区向自己方向发展。以至于FD.io，OpenDayLight，ONOS，Open vSwitch等开源社区，到处可见传统设备商身影；不得不折中两手准备，一方面主力推传统设备，一方面做新兴设备拓展。

运营商：随着自身利益空间不断被互联网厂商压缩，避免自己被管道化，要自主掌控自身命运，对网络设备的革命极为迫切，亟待实现三层解耦，实现厂商互操作，设备标准化。要做到这点，运营商不断推动进行三层解耦测试，网络转型方案试点，如vBRAS，SD-WAN，MEC，5G等试点。同时，积极创建和参与开源社区，和传统设备商进行方案方向角逐，ONAP，CORD，Stratum，凤凰项目等风起云涌。

新兴设备商：在传统网络中从未或很小占据市场空间，在网络转型中极力附和运营商，拥抱新兴框架，谋求网络彻底革命，以实现弯道超车，打开市场。新兴小厂商无任何负担，在新兴事物推动上较为积极。和运营商合作撬开市场，存在较多机遇。

转发芯片厂商：无论网络怎么转型，只要采用实体硬件转发，均离不开转发芯片，他们只需做好转发芯片的可编程能力，唯一的挑战来自于摆脱流量硬件卸载，纯软转发。该领域涉及：ASIC，NP，智能网卡，FPGA，P4等芯片厂商。面对可编程挑战，智能网卡，FPGA，P4正逐步成为新宠。

x86厂商：以其灵活的业务编程能力，同时借助NFV趋势，推动纯软转发势不可挡，如火如荼的FD.io，DPDK，VPP，Open vSwitch等开源社区可见一斑。

厂商流派的不同，侧重的硬件形态不同，硬件形态不同意味着强耦合和定制化。这里我们可以理解三层解耦的难度之大，转控分离南向关键接口的难以标准化。

下面按照解耦开放程度，依次介绍下设备商流派。

传统网络设备

最典型的传统数通设备厂商，如思科，华为，Juniper等。基本都采用了ASIC芯片及NP处理器。系统软件和硬件无法解耦，彻底捆绑，无法为用户提供编程能力，提供的是全套固定能力产品。

其关键在于硬件和软件的接口API层，是专有的，无法公开，无法标准化，形成一套封闭的系统。在开放趋势下，厂商不得不进行妥协，一定程度上开放编程接口，但效果甚微。

SDN化设备

SDN化趋势不可阻挡。原生的SDN思想非常理想，也最具革命性，典型如ONOS社区，南向接口只采用Openflow，Netconf等，业界叫做狭义SDN。传统设备商无法丢弃已有产品，已有蛋糕，同时又无法阻挡SDN大势，便采用传统数通协议完成SDN化，实现转控分离，于是南向接口复杂而广博了许多，如BGP-LS，PCEP，BGP等都出现了，业界称之为广义SDN，典型如OpenDayLight社区。SDN化设备实际上可以涵盖所有设备商流派，便于区分这里狭义特指传统设备的SDN化。传统设备商多采用该方式，实现自身传统设备向SDN架构的支持。传统设备商依托市面上强大的市场占有率，是成功的搅局者，逐步将最初狭义SDN空间压缩，以至于寸步难行。无论南向接口方面，还是硬件芯片生态层面，原生狭义SDN，很少商用，多停留在研究层面。

服务器形态设备

世界上现有的路由交换制造商可以从服务器（server racket）上学到一些东西。实际上，他们也的确这样做。打破网络设备的捆绑封闭，最值得借鉴的应该是PC或服务器行业，做到全面解耦。

硬件形态，规格参数严格标准化，通过操作系统OS驱动屏蔽硬件差异，实现业务应用的硬件无关，平台无关。直接引入至路由交换领域，采用标准服务器可否直接做网络设备？当然可以，但存在性能瓶颈，故而DPDK开源后大热。围绕转发业务层面，VPP，Open vSwitch等受热捧。

在软转加速方面，DPDK无法绕过，它源于Linux一直被诟病的转发性能问题，相信Linux内核后续会融入DPDK机制或对内核进行深度优化。DPDK在用户态通过CPU主动轮询方式托管接替了Linux内核被动中断机制，据说性能可提升10倍以上，但需要CPU主动轮询，无论报文多少都需要空转CPU。这意味着随着设备吞吐量的增加，需要线性堆加CPU进行绑定转发处理。CPU厂商可大量出货CPU，不得不说这是一个蛋糕点，或许大家能够猜测到厂商将DPDK开源的意义。Linux内核转发和DPDK转发处理路径对比如下：

DPDK机制在一定程度上可提升转发性能，个人认为并不能从根本上解决问题，跨CPU访问，PCI总线限制等，都制约了其向更大吞吐量，性能要求更苛刻的领域应用。一言以蔽之，CPU设计初衷在计算密集业务处理，不擅长流量转发，仍依赖于外置实体路由交换设备进行流量卸载。集中服务器形态，提升吞吐性能，只能集成硬件芯片卸载流量。如采用智能网卡（Smart NIC），FPGA等。FPGA也可理解为智能网卡的一种实现方式。智能网卡有两个使命：

1.解放服务器昂贵的CPU计算资源，流量硬件卸载；
2.和服务器集成，实现可定制，提供裸金属服务器。

围绕三层解耦，目前市面上智能网卡各自为战，无统一接口标准，可编程能力层次不齐，这是智能网卡所面临的问题，继续深究会发掘只是将捆绑从设备层面转移到了转发网卡层面。事实上，这涉及到网络设备解耦的本质。关注上层业务灵活扩展，同时对吞吐量有一定的要求，但对三层解耦无过多要求，智能网卡不失为一种选择。

P4设备

尽管SDN化的设备有了一定的可编程能力，但其扩展仍旧是有限的，且进行私有扩展无法形成标准。于是衍生了完全可编程的SDN思想，即P4（Programming Protocol-Independent Packet Processors），它提供了一种芯片可编程语言，屏蔽底层硬件，硬件芯片提供对应能力接口即可，通过P4语言实现对流量的可编程处理。

P4芯片的可编程能力通过无差异的可编程逻辑单元实现，每个逻辑单元做匹配及处理动作，用户通过编程语言编排定义逻辑单元，实现整体的可编程。

P4联盟的开创者，两位SDN大师，普林斯顿的Jennifer Rexford和斯坦福的Nick McKeown，他们也是SDN整个领域的开创者。主流开源控制器ODL，ONOS等已支持P4，P4硬件芯片也有问世。抛开P4芯片厂商不谈，P4本身确实提供了一种很好的思路方向，个人认为是演进的方向，形式倒不一定是P4。

彻底革命派

围绕三层解耦，尽管运营商，设备商，芯片厂商都给出了SDN/NFV方案，但各厂商站在自身利益层面，基本上依旧各自为战，无法实现彻底解耦。比如采用标准服务器，是真正彻底解耦了，还是陷入了更为彻底的捆绑？服务器CPU，芯片是否解耦？和传统网络设备有无本质区别？这是个值得思考的问题。运营商，学术研究机构及互联网厂商的看法和动作或许更值得关注。Google，FaceBook等厂商源于自身业务爆炸式增长，面对雷打不动，铁板一块的传统网络设备，动了彻底革命之心。Googel的B4项目，FaceBook开源分布式网络路由平台Open/R，更主动推动OCP（Open Compute Project）。再看国内，阿里，腾讯，百度，京东，中国移动，中国联通最初六家单位成立凤凰项目，以不捆绑任何特定商用软件平台，实现网络设备自研。在成熟度及影响力上，这里想谈下FackBook主导推动的OCP开源计算工程。它几乎涉及了网络设备的所有领域，它的变革思路，宏大，广博而彻底，值得借鉴。在网络设备领域，OCP做到硬件和网络操作系统NOS解耦的核心为ONIE（Open Network Install Environment），ONIE类似于PC电脑里的BIOS，提供设备硬件和网络操作系统之间的一层适配。

在裸金属服务器或白盒设备上，预装ONIE，通过ONIE可以安装不同厂商网络操作系统（NOS）。这点类似于标准服务器通过BIOS，可以引导安装Windows，Linux，FreeBsd等不同操作系统，这里可以再次印证网络设备借鉴服务器领域的发展方向。ONIE对下屏蔽硬件架构差异，目前支持ARM，x86，PowerPC架构；对上屏蔽不同操作系统。似乎平淡无奇，但确实关键一步，简直是巧夺天工。

ONIE可以理解为一套具备系统引导功能的微型操作系统，它管理网络设备的CPU，存储及原始的接口管理，但不具备转发能力。简单架构如下：

预装了ONIE的网络设备首次上电后，进行网络操作系统安装（如：SONiC，ONL等），其过程如下：

网络操作系统安装好之后，再次启动，系统引导至已安装的操作系统，而跳过ONIE，过程如下：

网络操作系统方面，ONL（Open Network Linux）值得一提，它作为OCP工程的一部分，旨在打造网络领域的开源标准Linux，目前已在CORD 和Stratum项目中有落地。ONL支持多种数据平面抽象接口：OF-DPA, OpenNSL 及 SAI。同时兼容大部分路由转发代理项目：FRRouting, Quagga, BIRD, Facebook FBOSS, Google gNOS以及 Azure SONiC。

展望

江湖门派林立，招式繁多，至简融合转型之道，已强势来临。网络转型中，硬件形态林林总总，决策因素，不一而足。乾坤未定，都是黑马；胜负未分，皆有变数，倚楼听风雨，淡看江湖事。。。