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SDN的数据平面
发布时间:2019-08-26 浏览次数:122次

    1.数据平面架构

    不同于传统的交换设备,SDN将交换设备的数据平面与控制平面完全解耦。所有数据分组的控制策略由远端控制器通过南向接口协议下发,网络的配置管理也同样由控制器完成;交换设备只保留数据平面,专注于数据分组的高速转发,降低了交换设备的复杂度,即SDN中的交换设备不再有二层交换机、路由器、三层交换机之分(学过数通的小朋友应该知道二三层的区别)。

    SDN交换设备的基本功能包括转发决策、背板转发、输出链路调度。

    转发决策:在SDN交换设备中,用流表代替了传统网络设备的二层和三层的转发表,该流表中的每个表项都代表了一种流解析以及相应处理动作。数据分组进入SDN交换机后,先与流表进行匹配,若与其中一个表项匹配成功则执行相应处理动作;若无匹配项则上交控制器,由其处理决策。

    背板转发:交换机通过背板把各个端口连接起来,数据分组经转发决策后,由背板从入端口转发到目的端口。但就目前的网络设备来说,设备的速率瓶颈点主要还是在交换芯片上,背板提供满足要求的交换速率并不是太大问题。

    输出链路调度:各个端口针对接收线路和发送线路各有一个缓冲队列,数据分组发往交换机某一端口或准备从交换机某一端口发出时,均需在端口队列中等待处理。支持OpenFlow协议的SDN交换机对QoS的支持主要有基于流表项设置报文入队列、根据Meter进行限速、基于Counter进行计费、基于Group的Select功能进行队列调度等。

    2.SDN芯片

    交换设备核心竞争力的高低,很大程度上取决于交换芯片的性能。在传统网络设备市场中,常用的交换芯片技术有通用CPU、ASIC芯片、FPGA和NP等。

    通用CPU的功能易扩展,理论上可以实现任何网络功能,但是其数据处理性能不高,所以一般仅用于网络设备的控制和管理。
ASIC芯片是按需专门定制的硬件电路,可高效实现某些网络功能,但ASIC芯片一旦开发完毕就很难继续扩展至其他应用,所以最适合应用于实现网络中的各种成熟的协议。

    FPGA是一种门列阵芯片,它支持反复擦写,可以通过编程改变电路结构,以实现不同的网络功能,但其处理能力有限,难以实现大规模的网络转发,因此FPGA主要应用于科研和验证。
NP是一种可编程的处理器,利用众多并行运转的微码处理器进行复杂的多业务扩展,适用于实现创新或未成熟的业务,但性能和ASIC相比仍存在差距,多用于路由器、防火墙等协议中更为复杂灵活的网络设备。

    SDN交换设备所要实现的协议相对简单且固定,对稳定性的要求较高,所以ASIC芯片是SDN最佳的选择。然而开发ASIC定制芯片需要巨大的成本和时间投入,只有思科、华为和Juniper这样的巨头才倾向于使用自己的定制ASIC芯片,而其他绝大部分交换设备厂商均使用博通、英特尔旗下的Fulcrum、Marvell等专业芯片制造商生产的商用ASIC芯片。

    目前,SDN在数据平面的主要技术是OpenFlow,但是传统ASIC芯片技术与OpenFlow协议对转发芯片的要求存在很大差异。

    为了能提供支持OpenFlow协议的芯片,ONF成立了转发抽象组(WG)负责数据平面新的转发抽象技术,并提出TTP(Table Typing Pattern)折中方案(2013更名为NDM)。尽管该方案外部支持OpenFlow南向接口,但在内部实现时不仅使用了ACL表项,同时也使用了路由表、MAC表、VLAN表、Port表、MPLS表等其他表项。

    尽管关于SDN芯片的设计收到了广泛关注,但是目前产业界还没有一款专门支持SDN的专用芯片出现,大部分只是在传统芯片的基础上增加了支持SDN的功能。现芯片市场中主要支持SDN的产品有:博通StrataXGS Trident Ⅱ系列芯片、英特尔FM6764芯片、盛科GreatBelt系列芯片、华为以太网络处理器等。

    3.SDN硬件交换机

    传统网络设备市场主要由封闭和垂直集成的平台主导,硬件、网络操作系统以及网络应用都被设备厂商定义和控制。仅思科、HP、Juniper、阿尔卡特朗讯、华为这五大供应商就占据了全球交换机市场的绝大多数份额。

    随着SDN逐渐兴起,各大网络设备商也陆续推出支持OpenFlow的SDN硬件交换机,标志着SDN开始逐步走上了商用道路。

    可将SDN交换机分类为:基于ASIC芯片的SDN品牌交换机、基于ASIC芯片的SDN白盒交换机、基于NP的SDN交换机、基于NetFPGA的SDN交换机。

    基于ASIC芯片的SDN品牌交换机中,较为代表性的有:NEC的IP8800系列交换机、IBM的RackSwitch G8264交换机、HP的SDN系列交换机、DCN的CS16800系列交换机、思科的Nexus 9000系列交换机等等...

    基于ASIC芯片的SDN白盒交换机中,较为代表性的有:盛科的V330/V350 V580白盒交换机、Pica8的SDN白盒交换机系列等。

    但相对于硬件交换机,OpenFlow软件交换机成本更低、配置更为灵活,所以OpenFlow软件交换机是当前进行创新研究、构建试验平台以及建设中小型OpenFlow网络的首选。除此之外,数据平面开发套件DPDK、高性能I/O服务框架FD.io等也在如火如荼地发展着。SDN的出现,使网络设备市场充满了各种可能性。


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