Descripción general de la tecnología de interruptores de caja blanca

Los interruptores de caja blanca se han desarrollado rápidamente en las últimas tres décadas. La Open Networking Foundation (ONF), la Linux Foundation, el Open Compute Project (OCP), el Telecom Infra Project (Telecom Infra Project, TIP) y otras organizaciones de código abierto han hecho contribuciones significativas. Un conmutador de caja blanca es un dispositivo de red abierto con desacoplamiento de software y hardware. En comparación con el interruptor cerrado tradicional que integra software y hardware, tiene muchas ventajas:

En primer lugar, el conmutador de caja blanca adopta una arquitectura de dispositivo abierta y la idea de desacoplar el software y el hardware. Puede personalizar el hardware subyacente y el software de capa superior según las necesidades comerciales. En comparación con la compra en paquete y el uso monopólico del software y hardware del conmutador tradicional, puede reducir significativamente el costo de compra del conmutador. Además, en cuanto a las funciones del software, se puede realizar un desarrollo secundario basado en software de código abierto, reduciendo el ciclo de desarrollo y el costo.

En segundo lugar, los switches de caja blanca admiten la programación del plano de datos de hardware y la implementación en contenedores de software. Personalizan la lógica de reenvío del plano de datos a través de métodos definidos por software y hacen un uso completo de la tecnología moderna de computación en la nube para actualizar e iterar rápidamente las funciones de red para mejorar la flexibilidad, la agilidad y el rendimiento de la red. Además, con la ayuda de la implementación en contenedores, la gestión y la operación y el mantenimiento se pueden simplificar de manera unificada, lo que reduce los costos de operación y mantenimiento de la red.

Finalmente, la caja blanca de los conmutadores ha sido reconocida unánimemente por las empresas de conmutadores ascendentes y descendentes, como los fabricantes de chips, los proveedores de equipos, los proveedores de servicios en la nube y los operadores de telecomunicaciones. Esto puede vincular el desarrollo de la ecología de código abierto de caja blanca y la ecología industrial para formar una próspera red de caja blanca. La ecología de la red puede, en última instancia, promover la innovación y la evolución continuas de la red, resolver los problemas comerciales actuales y cumplir con los requisitos de la red en el futuro.

En la actualidad, los switches de caja blanca han formado un ecosistema de red con capacidades de industrialización. Se han desarrollado desde chips programables comerciales hasta la estandarización de dispositivos de hardware de caja blanca, desde la interfaz de chip unificado hasta los sistemas operativos de conmutación de código abierto. Este artículo primero describe brevemente el historial de desarrollo de los interruptores de caja blanca, luego presenta el estado actual de los interruptores de caja blanca desde las perspectivas de la ecología de código abierto y la ecología industrial, y finalmente expone las tendencias de desarrollo futuras relacionadas con los interruptores de caja blanca. .

La historia del desarrollo del blanco.–interruptores de caja

en 1998, IBM, Compaq, Dell y otras empresas comenzaron a utilizar sistemas Linux comerciales uno tras otro, y su tecnología de red y los ecosistemas relacionados comenzaron a desarrollarse rápidamente.

en 2008, Linux comenzó a combinarse con chips de conmutación para proporcionar servicios de transmisión de datos intradominio de gran capacidad y gran ancho de banda en escenarios de centros de datos.

Con el fin de promover aún más el desarrollo comercial de los conmutadores Linux, Nippon Electric (NEC) y Hewlett-Packard (HP) comenzaron a estudiar la tecnología de software de conmutación y lanzaron conmutadores de software abierto basados ​​en OVS (OpenVSwitch). en 2010. Los recursos y las capacidades de la red se liberaron como nunca antes, y las operaciones de la red comenzaron a avanzar hacia la automatización y la inteligencia.

en 2011, basado en la tecnología de software de conmutación, OCP y otras organizaciones comenzaron a prestar atención a la tecnología de virtualización de conmutación. Comenzaron la estandarización de la caja blanca del hardware del conmutador, lanzaron ONIE (Open Network Install Environment), FBOSS (Facebook Open Switching System), software de gestión de dispositivos y documentos estándar del controlador ODL (OpenDaylight), que han logrado grandes avances en el campo de SDN. e interruptores de caja blanca.

en 2015, OCP lanzó con éxito el primer interruptor de caja blanca, Wedge. Al mismo tiempo, proyectos virtualizados y de caja blanca como OVN (Open Virtual Network), red SDN virtualizada, sistema operativo ONL (Open Network Linux), controlador ONOS (Open Network Operating System), y OpenNFV y CORD en el campo de las telecomunicaciones han también surgieron uno tras otro.

Desde 2016, tecnologías como equipos de caja blanca, sistemas operativos de software y automatización de redes se han desarrollado vigorosamente. Los sistemas operativos de conmutadores de código abierto surgen uno tras otro, como SONiC (Software para redes abiertas en la nube) lanzado por Microsoft, OpenSwitch de HP y DANOS (Disgregated Network Operating System) de AT&T, y Stratum lanzado por Google para NG-SDN. (SDN de próxima generación). Al mismo tiempo, las soluciones de gestión y control de red como ONAP, la interfaz P4Runtime y Trellis también están en el horizonte, y la tecnología de red relacionada con los conmutadores de caja blanca es próspera sin precedentes.

El ecosistema de código abierto de los conmutadores de caja blanca gira principalmente en torno a varias organizaciones de código abierto en el país y en el extranjero:

1). el Proyecto de Computación Abierta, que es responsable de la formulación de estándares de hardware para conmutadores de caja blanca;

2). Open Networking Foundation, que promueve el desarrollo y la implementación de tecnologías relacionadas con SDN en conmutadores de caja blanca;

3). el proyecto de infraestructura de telecomunicaciones, que explora el uso de la tecnología de interruptores de caja blanca para cambiar el método tradicional de construcción y despliegue de infraestructura de red de telecomunicaciones;

4). el Comité de centro de datos de código abierto trabaja con instituciones nacionales para llevar a cabo un desarrollo abierto, cooperativo, innovador y beneficioso para todos en torno a la infraestructura del centro de datos.

Fundación Redes Abiertas

Open Computing Project (OCP) es un proyecto de hardware abierto lanzado por Facebook, Intel, Rackspace, Goldman Sachs y Andy Bechtolsheim en 2011 para compartir diseños de código abierto. Se ha convertido en una comunidad cooperativa global de rápido crecimiento. OCP se enfoca en rediseñar la tecnología de hardware para hacerla más eficiente, flexible y escalable para soportar las crecientes demandas de infraestructura informática. OCP proporciona una arquitectura para que individuos y organizaciones compartan propiedad intelectual con otros y promueve la apertura y popularización de servicios, almacenamiento y tecnologías de centros de datos a través de la combinación de hardware y software de fuente abierta.

La Open Network Foundation (ONF) es una organización de código abierto en el campo de las redes fundada por Nick McKeown y Scott Shenker en 2011, los principales defensores de SDN. Su objetivo es promover el desarrollo y la implementación de SDN y es un líder reconocido y abanderado en el campo SDN. Desde sus inicios, ONF ha promovido con éxito SDN para que se convierta en una tecnología de red de próxima generación generalmente aceptada por operadores, proveedores de equipos y proveedores de servicios.

El Telecom Infra Project (TIP) es una organización abierta en el campo de las telecomunicaciones liderada por Facebook en 2016. Su objetivo es cambiar el método tradicional de construcción y despliegue de infraestructura de red de telecomunicaciones a través de la cooperación conjunta para desarrollar nuevas tecnologías.

El Comité de Centros de Datos Abiertos (ODCC), bajo la dirección de la Asociación de Estándares de Comunicaciones de China, tiene como objetivo la apertura, la cooperación, la innovación y el beneficio mutuo. Se enfoca en servidores, instalaciones de centros de datos, redes, nuevas tecnologías y pruebas, computación de punta, monitoreo inteligente, administración, etc.

En la ecología de la industria de interruptores de caja blanca, se ha formado una cadena ecológica industrial completa desde los proveedores de equipos aguas arriba hasta los proveedores de servicios en la nube y los operadores de telecomunicaciones aguas abajo. Los proveedores de equipos incluyen principalmente a Cisco y H3C, que brindan al mercado soluciones de equipos similares a cajas blancas. Los proveedores de servicios en la nube incluyen principalmente a Google, Microsoft, Alibaba, Tencent, etc., y han comenzado a estudiar los sistemas operativos de los conmutadores de caja blanca y a utilizarlos para promocionar otros nuevos. Los operadores de telecomunicaciones incluyen principalmente a AT&T, China Mobile, China Unicom, China Telecom, etc. Utilizan conmutadores de caja blanca para la transformación comercial y la reconstrucción de la red.

En cuanto a la granularidad controlada por los dispositivos, el desarrollo de los dispositivos de red de caja blanca ha pasado hasta ahora por dos etapas. En la primera fase, el propietario de la red controla de forma centralizada el equipo de red y su software. Las funciones o protocolos del dispositivo de red se pueden modificar y configurar de forma remota. En esta etapa, el equipo/software/interfaz de la red está relativamente cerrado, junto con una interoperabilidad deficiente del protocolo, una lógica de reenvío sólida, un largo tiempo de desarrollo de nuevos protocolos/funciones y altos costos de investigación y desarrollo, que no pueden satisfacer las necesidades de una red flexible y diversa. nuevas funciones de red.

Por lo tanto, el equipo de red se ha convertido gradualmente en la segunda etapa de la arquitectura de equipo abierto y el reenvío de paquetes de datos controlable. La canalización originalmente fija se ha transformado en una arquitectura PISA (Protocol-Independent Switch Architecture) flexible y programable. Gracias al auge del software de red de código abierto como OVS, SONiC, FBOSS, FRR (FRRouting) y ONOS, las redes opacas y cerradas se han vuelto transparentes y abiertas.

PISA (Arquitectura de conmutación independiente del protocolo)

La escala de la red continúa expandiéndose, los tipos de servicios continúan aumentando y la dificultad de administración y control de la red continúa aumentando. Teniendo esto en cuenta, la gestión de equipos de red debe abandonar el método de gestión y mantenimiento por parte de personal especial, y construir un sistema abierto de caja blanca de extremo a extremo que incluya 5G para lograr un software completo de extremo a extremo, de arriba hacia abajo. programabilidad definida. Es necesario adoptar una arquitectura de red abierta con separación avanzada de software y hardware, programabilidad flexible y cambios a pedido. También debe esforzarse por cumplir con los requisitos de red diferenciados y personalizados de diferentes industrias y acelerar la integración profunda de la red y la economía real.

Para el plano de administración de red, el administrador de red solo necesita describir el comportamiento de administración en la parte superior para crear un ciclo cerrado de administración de red inteligente. La red se dividirá, compilará y ejecutará automáticamente de acuerdo con el comportamiento. Los recursos de red (incluidos la nube, el ISP y la red 5G) se consideran operadores programables. La verificación diaria y la inspección en tiempo real se realizan a través de la automatización del software.

Un circuito cerrado de gestión de red inteligente

Para realizar las funciones anteriores, es necesario dominar las siguientes tres tecnologías clave:

(1) Alto mantenimiento controlable: investigación sobre BFD (detección de reenvío bidireccional) de alto rendimiento para realizar la detección de estado de nivel de milisegundos de los recursos de la red;

(2) Percepción de red de alta precisión: basada en INT (telemetría de red en banda) y telemetría, etc. Realice investigaciones de medición de red de alta precisión, realice telemetría de red en banda y verifique si cada paquete de datos o todos los estados son "correcto";

(3) Programación de red eficiente: mecanismo de enrutamiento SR adecuado para redes a gran escala para lograr una programación y control eficientes del ancho de banda y las rutas del tráfico.

 

Los conmutadores de caja blanca implican múltiples niveles de cooperación, que incluyen no solo la selección y adaptación de hardware, sino también una serie de nuevas tecnologías de red. Con el fin de clasificar la arquitectura y las tecnologías involucradas en los interruptores de caja blanca y promover mejor la investigación técnica y la construcción ecológica en este campo, este capítulo presentará los puntos técnicos clave del diseño de interruptores de caja blanca desde los cuatro aspectos: tecnología de desacoplamiento de software y hardware, tecnología de red programable, tecnología de aceleración de hardware y tecnología de seguridad de caja blanca.

1. Tecnología de desacoplamiento de software y hardware

AT&T divide el ecosistema de interruptores de caja blanca en cuatro capas:

• Capa de hardware 1: la capa de chip comercial es responsable de la conmutación y el reenvío subyacentes. En la actualidad, no existe un estándar estricto para esta capa.
• Software 1 Layer: La capa de interfaz del chip, que extrae las funciones del chip y proporciona servicios hacia arriba. Esta capa requiere estandarización en principio, pero lleva tiempo.
• Capa 2 de hardware: la capa de diseño de referencia de función de red, que proporciona la referencia de diseño de función de red para los dispositivos de hardware. Esta capa incluye principalmente el diseño de referencia de la función de red de dispositivos de hardware formulada por el proyecto OCP.
• Software 2 Layer: El sistema operativo de red y la capa de protocolo, es responsable de implementar las funciones de control y gestión del avión. Esta capa incluye principalmente el sistema operativo de red y la aplicación de protocolo de red de capa superior, que es la capa más importante.

2. Tecnología programable en red

El plano de control realiza principalmente una gestión centralizada en el equipo de conmutación de red subyacente, incluida la supervisión del estado, la toma de decisiones de reenvío, el procesamiento y la programación del tráfico del plano de datos, y realiza funciones como el descubrimiento de enlaces, la gestión de topología, la formulación de políticas y la entrega de entradas de tablas. Las operaciones ascendentes se realizan a través de interfaces orientadas al norte para proporcionar una abstracción flexible de recursos de red para aplicaciones comerciales de capa superior y sistemas de administración de recursos y abrir múltiples niveles de capacidades programables.

múltiples niveles de capacidades programables

El desarrollo de la tecnología programable del plano de control traerá las siguientes ventajas:

1) Los conmutadores de caja blanca usan un sistema operativo de red similar al de los servidores, que pueden usar las herramientas de administración de servidores existentes para lograr la automatización de la red y admitir un fácil acceso a paquetes de software de servidor de código abierto. También puede usar exactamente la misma interfaz de administración de configuración en el conmutador que en el servidor, para aumentar la velocidad de la innovación;

2) Convertir el entorno de red especial de los conmutadores tradicionales en un entorno más general, para expandir y administrar de manera eficiente los servicios de red y mejorar la programabilidad y la visibilidad de la red de los conmutadores de caja blanca;

3) Puede realizar programabilidad dinámica en el sistema operativo de red del conmutador a través de API y controladores. También escribe las funciones de red requeridas (como los divisores de red), lo que reduce la implementación de hardware en cada conmutador y centraliza la administración y el monitoreo de la red.

El plano de datos tradicional solidifica todo el procesamiento de mensajes y la lógica de reenvío de la red en el chip de hardware, que se completa con la lógica del chip de velocidad de cable completa, lo que mejora en gran medida el rendimiento de la red. Sin embargo, no puede cumplir con los crecientes requisitos del software comercial y de control de capa superior actual para la red subyacente. El plano de reenvío está limitado en gran medida por chips ASIC de función fija.

Chip de interruptor tradicional frente a chip de interruptor programable

El núcleo de la tecnología de red programable es un chip conmutador con características programables, es decir, la lógica de procesamiento y reenvío de mensajes del chip se puede ajustar según sea necesario a través del software. En la actualidad, el soporte de hardware de un chip de conmutación programable es una combinación de ASIC y FPGA (Field Programmable Gate Array).

3. Tecnología de aceleración de hardware

En la mayoría de los escenarios, el conmutador es responsable de la transmisión de los paquetes de datos de la red, y el procesamiento y el cálculo se realizan después de que los paquetes de datos finalmente llegan al servidor de destino. Sin embargo, con el rápido crecimiento del tráfico de red, limitado por el cuello de botella de rendimiento de la CPU y los chips de conmutación, la arquitectura del plano de datos existente ya no puede cumplir con los requisitos de baja latencia y alta transmisión de los usuarios.

Para resolver los problemas anteriores, las tarjetas de aceleración de hardware, como las tarjetas de red inteligentes y las FPGA, pueden integrarse en el plano de datos, y la tecnología de aceleración de hardware puede usarse para descargar el tráfico de la red. Reducir la latencia general de la red y el consumo de recursos de los chips de CPU/conmutadores puede mejorar significativamente el rendimiento general y la calidad del servicio de la red.

Arquitectura de switch tradicional frente a arquitectura CPU+SmartNIC 

El plano de datos puede utilizar una combinación heterogénea de CPU+SmartNIC. La CPU está conectada a SmartNIC a través de una interfaz PCIe de alta velocidad. Durante el proceso de reenvío, la parte que necesita un procesamiento especial para el paquete de datos (la función de red que consume grandes recursos de CPU o tiene una gran ganancia de procesamiento de hardware) puede ser directamente offcargado en la tarjeta de red inteligente. Este método de combinación no solo puede realizar el reenvío normal de paquetes de red, sino que también fortalece la capacidad de procesamiento del dispositivo, lo que puede mejorar efectivamente el rendimiento del conmutador de caja blanca y reducir el retraso de la red.

4. Tecnología de seguridad de caja blanca

La arquitectura abierta de los switches de caja blanca tiene problemas de seguridad que no se pueden ignorar. Por ejemplo, ONIE permite a los usuarios implementar o reemplazar sistemas operativos de red (incluidos el arranque y la restauración de sistemas operativos de red de proveedores como Big Switch Networks, Cumulus Networks, etc.) sin reemplazar el hardware.

Aprovechando las vulnerabilidades y fallas de ONIE, incluida la falta de autenticación y cifrado, un pirata informático podría insertar un código malicioso durante la fase de arranque del conmutador (es decir, antes de que el sistema operativo esté completamente cargado). El código malicioso cargado se considera un componente bueno/conocido porque el software de seguridad del sistema operativo no puede ejecutarse durante la fase de arranque. Incluso si se detecta un ataque, puede resultar costoso para los usuarios eliminar el código malicioso reemplazando el firmware.

5. Arquitectura del dispositivo

El interruptor de caja blanca se divide en dos partes: hardware y software. El hardware generalmente incluye chips de conmutación, chips de CPU, tarjetas de red, almacenamiento y dispositivos de hardware periféricos, etc. Sus interfaces y estructuras deben cumplir con las especificaciones de estandarización de OCP. El software se refiere al sistema operativo de red (NOS) y sus aplicaciones web. En un conmutador de caja blanca, el NOS generalmente se instala a través de la guía de la plataforma de software básica (como la ONIE). La capa de interfaz del chip (como SAI) encapsula las funciones de hardware del chip de conmutación en una interfaz unificada, desacoplando la aplicación de la capa superior y el hardware subyacente. Específicamente, la aplicación de la capa superior personaliza la lógica de reenvío subyacente llamando a la interfaz del chip para proporcionar la función programable de la red.

Niveles de hardware y software

La capa de reenvío de hardware generalmente incluye los siguientes tipos de dispositivos: 1) chips de conmutación: se utilizan para reenviar datos; 2) chips de CPU: controlan principalmente el funcionamiento del sistema; 3) Tarjetas de red: brindan funciones de administración del lado de la CPU; 4) Dispositivos de almacenamiento: incluyendo memoria, discos duros, etc.; 5) Hardware periférico: incluidos ventiladores, fuentes de alimentación, etc. Entre ellos, el chip de conmutación es responsable de la conmutación y reenvío de los paquetes de datos subyacentes del conmutador y es el componente central del conmutador.

Según CrehanResearch, las compras de conmutadores de caja blanca por parte de Amazon, Google y Facebook en 2018 han superado dos tercios del tamaño total de su mercado, aunque la adopción general del mercado de conmutadores de caja blanca en la conmutación de centros de datos está dentro del rango de 20%.

Pero dado que Amazon, Google y Facebook tienden a adoptar estos dispositivos antes para cumplir con la búsqueda de velocidades de red más nuevas y más rápidas, los conmutadores de caja blanca seguirán creciendo. Casi todos los centros de datos de 400 GbE de Google en la actualidad funcionan con conmutadores de caja blanca.

Se han lanzado los estándares eléctricos y de empaquetado del módulo óptico 400G, y los módulos ópticos 400G se pueden adaptar a una variedad de escenarios de aplicación. Hay dos organizaciones principales para la formulación estándar de módulos ópticos, IEEE y MSA.

MSA (Acuerdo de fuentes múltiples) es un estándar de la industria formulado por fabricantes representativos de la industria para un campo específico. Por ejemplo, en el campo de los módulos ópticos, existen los estándares de empaquetado SFF, MSA y los estándares de implementación de Módulos ópticos 100G: 100G QSFP28 PSM4 MSA y 100G QSFP28 CWDM4 MSA, etc.

En cuanto a los módulos ópticos de 400G, los MSA relevantes incluyen principalmente 400G QSFP-DD, 400G OSFP y 400G CFP8 relacionados con el empaquetado y 400G QSFP-DD CWDM8 relacionados con el modo de transmisión. Las normas pertinentes han sido formuladas y publicadas.

QSFP-DD-400G-LR4 de FiberMall

Además, la serie de estándares IEEE 802.3 define específicamente el control de acceso al medio de la capa física y la capa de enlace de datos de la red cableada. Entre ellos, los módulos ópticos 400G están relacionados con la definición de varios tipos de interfaces dependientes del medio físico (PMD).

El lanzamiento de estándares relevantes ha sentado las bases para que la industria promueva el uso comercial de Módulos ópticos 400G. Al mismo tiempo, los abundantes estándares también ayudan a los módulos ópticos 400G a adaptarse a una variedad de escenarios de aplicación con diferentes requisitos de distancia, número de fibras ópticas, velocidad de onda única, etc.