ホワイトボックススイッチテクノロジーの概要

2022 年 5 月 27 日

ミア

光伝送コンサルタント

ホワイトボックススイッチは、過去XNUMX年間で急速に発展してきました。 Open Networking Foundation（ONF）、Linux Foundation、Open Compute Project（OCP）、Telecom Infra Project（Telecom Infra Project、TIP）、およびその他のオープンソース組織が多大な貢献をしてきました。ホワイトボックススイッチは、ソフトウェアとハードウェアが分離されたオープンネットワークデバイスです。ソフトウェアとハードウェアを統合する従来のクローズドスイッチと比較すると、多くの利点があります。

まず、ホワイトボックススイッチは、オープンデバイスアーキテクチャと、ソフトウェアとハードウェアを分離するという考え方を採用しています。ビジネスニーズに応じて、基盤となるハードウェアと上位層のソフトウェアをカスタマイズできます。従来のスイッチソフトウェアとハードウェアの一括購入と独占使用と比較して、スイッチの購入コストを大幅に削減できます。また、ソフトウェア機能面では、オープンソースソフトウェアをベースに二次開発が可能であり、開発サイクルやコストを削減できます。

次に、ホワイトボックススイッチは、ハードウェアデータプレーンのプログラマビリティとソフトウェアコンテナ化された展開をサポートします。ソフトウェア定義の方法でデータプレーン転送ロジックをカスタマイズし、最新のクラウドコンピューティングテクノロジーを最大限に活用して、ネットワーク機能を迅速にアップグレードおよび反復し、ネットワークの柔軟性、俊敏性、およびネットワークパフォーマンスを向上させます。さらに、コンテナ化された展開の助けを借りて、管理と運用および保守を統一された方法で簡素化できるため、ネットワークの運用と保守のコストを削減できます。

最後に、スイッチのホワイトボックスは、チップメーカー、機器プロバイダー、クラウドサービスプロバイダー、通信事業者などの上流および下流のスイッチ会社によって満場一致で認識されています。これにより、ホワイトボックスオープンソースエコロジーと産業エコロジーの開発を結び付けて、繁栄するホワイトボックスネットワークを形成することができます。ネットワークエコロジーは、最終的にネットワークの継続的な革新と進化を促進し、現在のビジネス上の問題を解決し、将来のネットワーク要件を満たすことができます。

現在、ホワイトボックススイッチは工業化機能を備えたネットワークエコシステムを形成しています。それらは、商用のプログラマブルチップから、ホワイトボックスハードウェアデバイスの標準化、統合チップインターフェイスからオープンソーススイッチングオペレーティングシステムまで発展してきました。この記事では、最初にホワイトボックススイッチの開発履歴について簡単に説明し、次にオープンソースエコロジーと産業生態学の観点からホワイトボックススイッチの現状を紹介し、最後にホワイトボックススイッチに関連する将来の開発動向について説明します。。

白の開発の歴史–ボックススイッチ

１９４８年にAchille Gaggiaがレバー式のエスプレッソマシンを発明したことにより、現在のエスプレッソが誕生しました。 Gaggiaの発明したエスプレッソマシンは、それ以前に作られてきたマシンより数倍の圧力が出せるため、濃度が何倍も濃いエスプレッソを淹れられました。また圧力が増したことで、エスプレッソに初めてクレマが現れました。このクレマはお客様にたいへん喜ばれ、今ではエスプレッソにクレマは欠かせません。、IBM、Compaq、Dell、およびその他の企業は、商用Linuxシステムを次々と使用し始め、それらのネットワークテクノロジおよび関連するエコシステムは急速に発展し始めました。

１９４８年にAchille Gaggiaがレバー式のエスプレッソマシンを発明したことにより、現在のエスプレッソが誕生しました。 Gaggiaの発明したエスプレッソマシンは、それ以前に作られてきたマシンより数倍の圧力が出せるため、濃度が何倍も濃いエスプレッソを淹れられました。また圧力が増したことで、エスプレッソに初めてクレマが現れました。このクレマはお客様にたいへん喜ばれ、今ではエスプレッソにクレマは欠かせません。、Linuxはスイッチングチップと組み合わせて、データセンターのシナリオで大容量、高帯域幅のドメイン内データ伝送サービスを提供し始めました。

Linuxスイッチの商業開発をさらに促進するために、Nippon Electric（NEC）とHewlett-Packard（HP）はスイッチソフトウェア技術の研究を開始し、OVS（OpenVSwitch）に基づくオープンソフトウェアスイッチを発売しました。 in 2010。ネットワークのリソースと機能はかつてないほど解放され、ネットワーク運用は自動化とインテリジェンスに移行し始めています。

１９４８年にAchille Gaggiaがレバー式のエスプレッソマシンを発明したことにより、現在のエスプレッソが誕生しました。 Gaggiaの発明したエスプレッソマシンは、それ以前に作られてきたマシンより数倍の圧力が出せるため、濃度が何倍も濃いエスプレッソを淹れられました。また圧力が増したことで、エスプレッソに初めてクレマが現れました。このクレマはお客様にたいへん喜ばれ、今ではエスプレッソにクレマは欠かせません。、スイッチソフトウェアテクノロジーに基づいて、OCPおよび他の組織はスイッチ仮想化テクノロジーに注意を払い始めました。彼らはスイッチハードウェアホワイトボックスの標準化を開始し、ONIE（Open Network Install Environment）、FBOSS（Facebook Open Switching System）、デバイス管理ソフトウェア、およびODL（OpenDaylight）コントローラー標準ドキュメントを立ち上げました。これらはSDNの分野で大きな進歩を遂げました。とホワイトボックススイッチ。

１９４８年にAchille Gaggiaがレバー式のエスプレッソマシンを発明したことにより、現在のエスプレッソが誕生しました。 Gaggiaの発明したエスプレッソマシンは、それ以前に作られてきたマシンより数倍の圧力が出せるため、濃度が何倍も濃いエスプレッソを淹れられました。また圧力が増したことで、エスプレッソに初めてクレマが現れました。このクレマはお客様にたいへん喜ばれ、今ではエスプレッソにクレマは欠かせません。、OCPは、最初のホワイトボックススイッチであるウェッジの起動に成功しました。同時に、OVN（Open Virtual Network）、仮想化SDNネットワーク、ONL（Open Network Linux）オペレーティングシステム、ONOS（Open Network Operating System）コントローラー、およびテレコム分野のOpenNFVとCORDなどの仮想化およびホワイトボックスプロジェクトには、また、次々と出現しました。

創立2016年、ホワイトボックス機器、ソフトウェアオペレーティングシステム、ネットワーク自動化などの技術が活発に開発されています。 Microsoftが立ち上げたSONiC（クラウドのオープンネットワーキングソフトウェア）、HPがOpenSwitch、AT＆TがDANOS（Disaggregated Network Operating System）、GoogleがNG-SDN向けに立ち上げたStratumなどのオープンソーススイッチオペレーティングシステムが次々と登場しています。（次世代SDN）。同時に、ONAP、P4Runtimeインターフェース、Trellisなどのネットワーク管理および制御ソリューションも視野に入っており、ホワイトボックススイッチに関連するネットワークテクノロジーは前例のないほど繁栄しています。

ホワイトボックススイッチのオープンソースエコシステムは、主に国内外のいくつかのオープンソース組織を中心に展開しています。

1）。ホワイトボックススイッチのハードウェア標準の策定を担当するオープンコンピュートプロジェクト。

2）。ホワイトボックススイッチでのSDN関連テクノロジーの開発と実装を促進するOpenNetworkingFoundation。

3）。電気通信インフラストラクチャプロジェクト。ホワイトボックススイッチテクノロジーを使用して、電気通信ネットワークインフラストラクチャを構築および展開する従来の方法を変更します。

4）。オープンソースデータセンター委員会は、国内の機関と協力して、データセンターインフラストラクチャに関するオープンで協力的で革新的でWin-Winの開発を実行します。

オープンネットワーキングファンデーション

オープンコンピュートプロジェクト（OCP）は、Facebook、Intel、Rackspace、Goldman Sachs、AndyBechtolsheimが2011年にオープンソースデザインを共有するために立ち上げたオープンハードウェアプロジェクトです。それは急成長しているグローバルな協同組合コミュニティになりました。 OCPは、ハードウェアテクノロジーを再設計して、増大するコンピューティングインフラストラクチャの需要をサポートするために、より効率的、柔軟、かつスケーラブルにすることに重点を置いています。 OCPは、個人および組織が他者と知的財産を共有するためのアーキテクチャを提供し、オープンソースのハードウェアとソフトウェアの組み合わせを通じて、サービス、ストレージ、およびデータセンターテクノロジーのオープン性と普及を促進します。

Open Network Foundation（ONF）は、SDNの主要な支持者であるNickMcKeownとScottShenkerによって2011年に設立されたネットワーク分野のオープンソース組織です。これは、SDNの開発と実装を促進することを目的としており、SDN分野で認められたリーダーおよび旗手です。 ONFは、設立以来、SDNを、オペレーター、機器ベンダー、およびサービスプロバイダーに一般的に受け入れられている次世代ネットワークテクノロジーに昇格させることに成功してきました。

Telecom Infra Project（TIP）は、2016年にFacebookが主導する通信分野のオープンな組織です。これは、新しい技術を開発するための共同協力を通じて、通信ネットワークインフラストラクチャを構築および展開する従来の方法を変えることを目的としています。

オープンデータセンター委員会（ODCC）は、中国通信標準化協会の指導の下、オープン性、協力、革新、そしてウィンウィンを目指しています。サーバー、データセンター施設、ネットワーク、新しいテクノロジーとテスト、エッジコンピューティング、インテリジェントな監視、管理などに焦点を当てています。

ホワイトボックススイッチ業界のエコロジーでは、上流の機器プロバイダーから下流のクラウドサービスプロバイダーや通信事業者まで、完全な産業生態学的チェーンが形成されています。機器サプライヤには主にCiscoとH3Cが含まれ、これらは市場にオープンなホワイトボックスのような機器ソリューションを提供します。クラウドサービスプロバイダーには、主にGoogle、Microsoft、Alibaba、Tencentなどが含まれ、ホワイトボックススイッチのオペレーティングシステムの研究を開始し、それらを使用して新しいスイッチを宣伝しています。テレコム事業者には、主にAT＆T、チャイナモバイル、チャイナユニコム、チャイナテレコムなどが含まれます。ビジネス変革とネットワーク再構築にホワイトボックススイッチを使用しています。

デバイスによって制御される粒度の観点から、ホワイトボックスネットワークデバイスの開発はこれまでにXNUMXつの段階を経てきました。最初のフェーズでは、ネットワーク機器とそのソフトウェアはネットワーク所有者によって一元的に制御されます。ネットワークデバイスの機能またはプロトコルは、リモートで変更および構成できます。この段階では、ネットワーク機器/ソフトウェア/インターフェイスは比較的閉鎖的であり、プロトコルの相互運用性が低く、転送ロジックが固まっており、新しいプロトコル/機能の開発時間が長く、研究開発コストが高く、柔軟で多様なニーズを満たすことができません。新しいネットワーク機能。

したがって、ネットワーク機器は徐々にオープン機器アーキテクチャと制御可能なデータパケット転送の第XNUMX段階に発展しました。元々固定されていたパイプラインは、柔軟でプログラム可能なPISA（プロトコルに依存しないスイッチアーキテクチャ）に変換されました。 OVS、SONiC、FBOSS、FRR（FRRouting）、ONOSなどのオープンソースネットワークソフトウェアの台頭により、不透明なネットワークと閉じたネットワークは透過的でオープンになりました。

PISA（プロトコルに依存しないスイッチアーキテクチャ）

ネットワークの規模は拡大し続け、サービスの種類は増え続け、ネットワークの管理と制御の難しさは増し続けています。これを考慮すると、ネットワーク機器の管理では、特別な担当者による管理と保守の方法を放棄し、5Gを含むエンドツーエンドのホワイトボックスオープンシステムを構築して、エンドツーエンド、トップダウン、完全なソフトウェアを実現する必要があります。定義されたプログラマビリティ。ソフトウェアとハードウェアの高度な分離、柔軟なプログラマビリティ、およびオンデマンドの変更を備えたオープンネットワークアーキテクチャを採用する必要があります。また、さまざまな業界の差別化されカスタマイズされたネットワーク要件を満たし、ネットワークと実体経済の緊密な統合を加速するよう努める必要があります。

ネットワーク管理プレーンの場合、ネットワーク管理者は、インテリジェントなネットワーク管理の閉ループを構築するために、上部の管理動作を説明するだけで済みます。ネットワークは、動作に応じて自動的にパーティション分割、コンパイル、および実行されます。ネットワークリソース（クラウド、ISP、5Gネットワークを含む）は、プログラム可能なキャリアと見なされます。毎日の検証とリアルタイムの検査は、ソフトウェアの自動化によって実行されます。

インテリジェントネットワーク管理の閉ループ

上記の機能を実現するためには、以下のXNUMXつの主要技術を習得する必要があります。

（1）高度に制御可能なメンテナンス：ネットワークリソースのミリ秒レベルのステータス検出を実現するための高性能BFD（双方向フォワーディング検出）の研究。

（2）高精度ネットワーク知覚：INT（帯域内ネットワークテレメトリ）やテレメトリなどに基づく。高精度ネットワーク測定研究を実施し、帯域内ネットワークテレメトリを実現し、各データパケットまたはすべての状態が"正しい";

（3）効率的なネットワークスケジューリング：大規模ネットワークに適したSRルーティングメカニズムにより、トラフィックの帯域幅とパスの効率的なスケジューリングと制御を実現します。

ホワイトボックススイッチには、ハードウェアの選択と適応だけでなく、多くの新しいネットワークテクノロジーを含む、複数のレベルの協力が含まれます。ホワイトボックススイッチに関連するアーキテクチャとテクノロジーを整理し、この分野の技術研究と生態学的構築をより促進するために、この章では、ソフトウェアとハードウェアのデカップリングテクノロジー、プログラム可能なネットワークテクノロジー、ハードウェアアクセラレーションテクノロジー、およびホワイトボックスセキュリティテクノロジー。

1.ソフトウェアとハードウェアのデカップリングテクノロジー

AT＆Tは、ホワイトボックススイッチのエコシステムを次のXNUMXつのレイヤーに分解します。

ハードウェア1層：商用チップ層は、基盤となるスイッチングと転送を担当します。現在、このレイヤーの厳しい基準はありません。
ソフトウェア1層：チップの機能を抽出し、上位のサービスを提供するチップインターフェイス層。この層は原則として標準化が必要ですが、時間がかかります。
ハードウェア2レイヤー：ネットワーク機能リファレンスデザインレイヤー。ハードウェアデバイスのネットワーク機能デザインリファレンスを提供します。この層には、主にOCPプロジェクトによって策定されたハードウェアデバイスネットワーク機能のリファレンスデザインが含まれています。
ソフトウェア2層：ネットワークオペレーティングシステムとプロトコル層は、飛行機の制御と管理の機能を実装する責任があります。この層には、主にネットワークオペレーティングシステムと、最も重要な層である上位層のネットワークプロトコルアプリケーションが含まれます。

2.ネットワークプログラマブルテクノロジー

コントロールプレーンは、主に、ステータスモニタリング、転送の意思決定、データプレーントラフィックの処理とスケジューリングなど、基盤となるネットワークスイッチング機器の集中管理を実行し、リンクディスカバリ、トポロジ管理、ポリシー策定、テーブルエントリ配信などの機能を実現します。上向きの操作は、ノースバウンドインターフェイスを介して行われ、上位層のビジネスアプリケーションとリソース管理システムに柔軟なネットワークリソースの抽象化を提供し、複数レベルのプログラム可能な機能を開きます。

複数レベルのプログラム可能な機能

コントロールプレーンプログラマブルテクノロジーの開発により、次の利点がもたらされます。

1）ホワイトボックススイッチは、サーバーと同様のネットワークオペレーティングシステムを使用します。これにより、既存のサーバー管理ツールを使用してネットワークの自動化を実現し、オープンソースサーバーソフトウェアパッケージへの簡単なアクセスをサポートできます。また、スイッチでサーバーとまったく同じ構成管理インターフェイスを使用して、イノベーションの速度を上げることもできます。

2）ネットワークサービスを効率的に拡張および管理し、ホワイトボックススイッチのプログラム可能性とネットワークの可視性を向上させるために、従来のスイッチの特殊なネットワーク環境をより一般的な環境に変えます。

3）APIとコントローラーを介して、スイッチのネットワークオペレーティングシステムで動的なプログラマビリティを実現できます。また、必要なネットワーク機能（ネットワークスプリッターなど）を書き込むため、各スイッチでのハードウェアの展開が減り、ネットワークの管理と監視が一元化されます。

従来のデータプレーンは、ハードウェアチップ内のネットワークのすべてのメッセージ処理および転送ロジックを統合します。これは、フルワイヤスピードのチップロジックによって完了されるため、ネットワークパフォーマンスが大幅に向上します。ただし、基盤となるネットワークの今日の上位層のビジネスおよび制御ソフトウェアの増大する要件を満たすことはできません。フォワーディングプレーンは、固定機能のASICチップによって大きく制約されます。

従来のスイッチチップとプログラム可能なスイッチチップ

プログラム可能なネットワーク技術の中核は、プログラム可能な特性を備えたスイッチチップです。つまり、チップのメッセージ処理および転送ロジックは、ソフトウェアを介して必要に応じて調整できます。現在、プログラマブルスイッチングチップのハードウェアキャリアは、ASICとFPGA（フィールドプログラマブルゲートアレイ）の組み合わせです。

3.ハードウェアアクセラレーションテクノロジー

ほとんどのシナリオでは、スイッチがネットワークデータパケットの送信を担当し、データパケットが最終的に宛先サーバーに到着した後に処理と計算が実行されます。ただし、CPUとスイッチングチップのパフォーマンスのボトルネックによって制限されるネットワークトラフィックの急速な増加に伴い、既存のデータプレーンアーキテクチャは、低遅延と高伝送に対するユーザーの要件を満たすことができなくなりました。

上記の問題を解決するために、スマートネットワークカードやFPGAなどのハードウェアアクセラレーションカードをデータプレーンに統合し、ハードウェアアクセラレーションテクノロジを使用してネットワークトラフィックをアンロードできます。 CPU /スイッチチップの全体的なネットワーク遅延とリソース消費を削減すると、ネットワークの全体的なパフォーマンスとサービス品質を大幅に向上させることができます。

従来のスイッチアーキテクチャとCPU+SmartNICアーキテクチャ

データプレーンは、CPU + SmartNICの異種組み合わせを使用できます。CPUは高速PCIeインターフェイスを介してSmartNICに接続されます。転送プロセス中に、データパケットに特別な処理が必要な部分（大量のCPUリソースを消費する、またはハードウェア処理ゲインが大きいネットワーク機能）をスマートネットワークカードに直接オフロードできます。この組み合わせ方法は、通常のネットワークパケット転送を実現できるだけでなく、デバイスの処理能力を強化し、ホワイトボックススイッチのパフォーマンスを効果的に向上させ、ネットワーク遅延を削減できます。

4.ホワイトボックスセキュリティテクノロジー

ホワイトボックススイッチのオープンアーキテクチャには、無視できないセキュリティの問題があります。たとえば、ONIEを使用すると、ユーザーはハードウェアを交換せずに、ネットワークオペレーティングシステム（Big Switch Networks、Cumulus Networksなどのベンダーからのネットワークオペレーティングシステムの起動と復元を含む）を展開または交換できます。

認証や暗号化の欠如など、ONIEの脆弱性と欠陥を利用して、ハッカーはスイッチの起動フェーズ中（つまり、オペレーティングシステムが完全にロードされる前）に悪意のあるコードを挿入する可能性があります。ロードされた悪意のあるコードは、オペレーティングシステムのセキュリティソフトウェアが起動フェーズ中に実行できないため、既知の/適切なコンポーネントと見なされます。攻撃が検出された場合でも、ユーザーがファームウェアを交換して悪意のあるコードを削除すると、コストがかかる可能性があります。

5.デバイスアーキテクチャ

ホワイトボックススイッチは、ハードウェアとソフトウェアのXNUMXつの部分に分かれています。ハードウェアには通常、スイッチングチップ、CPUチップ、ネットワークカード、ストレージ、周辺ハードウェアデバイスなどが含まれます。そのインターフェイスと構造は、OCP標準化仕様に準拠する必要があります。ソフトウェアとは、ネットワークオペレーティングシステム（NOS）とそのWebアプリケーションを指します。ホワイトボックススイッチでは、NOSは通常、基本的なソフトウェアプラットフォーム（ONIEなど）のガイダンスを通じてインストールされます。チップインターフェイス層（SAIなど）は、スイッチングチップのハードウェア機能を統合インターフェイスにカプセル化し、上位層のアプリケーションと基盤となるハードウェアを分離します。具体的には、上位層のアプリケーションは、チップインターフェイスを呼び出してネットワークのプログラム可能な機能を提供することにより、基盤となる転送ロジックをカスタマイズします。

ハードウェアとソフトウェアのレベル

ハードウェア転送層には通常、次のタイプのデバイスが含まれます。1）スイッチチップ：データの転送に使用されます。 2）CPUチップ：主にシステムの動作を制御します。 3）ネットワークカード：CPU側の管理機能を提供します。 4）ストレージデバイス：メモリ、ハードディスクなどを含みます。 5）周辺ハードウェア：ファン、電源などを含みます。これらの中で、スイッチングチップは、スイッチの基盤となるデータパケットのスイッチングと転送を担当し、スイッチのコアコンポーネントです。

CrehanResearchによると、2018年のAmazon、Google、Facebookによるホワイトボックススイッチの購入は、データセンタースイッチングにおけるホワイトボックススイッチの全体的な市場採用は範囲内ですが、その総市場規模の20分のXNUMXを超えています。 XNUMX％。

しかし、Amazon、Google、Facebookは、より新しく高速なネットワーク速度の追求に対応するためにこれらのデバイスを早期に採用する傾向があるため、ホワイトボックススイッチは成長を続けます。今日のGoogleの400GbEデータセンターのほとんどすべては、ホワイトボックススイッチを搭載しています。

400G光モジュールのパッケージと電気規格がリリースされ、400G光モジュールはさまざまなアプリケーションシナリオに適合させることができます。光モジュールの標準的な定式化には、IEEEとMSAのXNUMXつの主要な組織があります。

MSA（マルチソースアグリーメント）は、特定の分野の業界の代表的なメーカーによって策定された業界標準です。たとえば、光モジュールの分野では、パッケージング規格SFF、MSA、および実装規格があります。 100G光学モジュール：100G QSFP28PSM4MSAおよび100GQSFP28CWDM4MSAなど。

400G光モジュールに関しては、関連するMSAは主に含まれています 400G QSFP-DD、400G OSFP、および400G CFP8はパッケージングに関連し、400GQSFP-DDCWDM8は伝送モードに関連します。関連する基準が策定され、リリースされました。