可編程技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)芯片上的應(yīng)用

網(wǎng)絡(luò)是數(shù)據(jù)中心里的交通樞紐，連接著所有運(yùn)行應(yīng)用業(yè)務(wù)的設(shè)備。沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)，也就沒(méi)有數(shù)據(jù)中心，沒(méi)有互聯(lián)網(wǎng)的今天，網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)中心里發(fā)揮著非常關(guān)鍵的作用，所以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一直是熱點(diǎn)，在不斷發(fā)展進(jìn)化著，其中就包含可編程技術(shù)?？删幊碳夹g(shù)在各行各業(yè)中都有廣泛應(yīng)用，同樣在網(wǎng)絡(luò)世界里也很普遍。這種技術(shù)在芯片上實(shí)現(xiàn)各硬件單元都不是固定的，可由用戶(hù)在使用中選擇，即通過(guò)計(jì)算機(jī)指令來(lái)選擇不同的通道和不同的電路功能，稱(chēng)為編程控制，這給使用者提供了極大的靈活性。比如：處理器、FPGA、CPLD、DSP，這四種都是可編程芯片。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的硬件內(nèi)部一般由CPU、內(nèi)存、Flash、轉(zhuǎn)發(fā)芯片、FPGA、EEPROM等芯片組成，這些大部分都是可編程芯片，可有沒(méi)有人注意到其實(shí)轉(zhuǎn)發(fā)芯片絕大部分都不是可編程芯片，無(wú)論是路由器中采用的NP，還是交換機(jī)中采用的Switch Chip，都不是可編程芯片。這些芯片的硬件轉(zhuǎn)發(fā)邏輯已經(jīng)設(shè)計(jì)好，無(wú)法通過(guò)調(diào)整軟件參數(shù)去更改，軟件設(shè)置的只是讓這些功能模塊可以運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)，但絕不可以調(diào)整它們的處理順序，而且軟件設(shè)置的范圍都是提前預(yù)定好的。

比如我們需要在交換機(jī)上實(shí)現(xiàn)入方向上的報(bào)文過(guò)濾，這樣就需要在轉(zhuǎn)發(fā)芯片入方向下發(fā)一些ACL過(guò)濾規(guī)則。在一些商用轉(zhuǎn)發(fā)芯片上，這些ACL過(guò)濾規(guī)則固定下發(fā)在轉(zhuǎn)發(fā)模塊之后，如果進(jìn)入芯片的是三層轉(zhuǎn)發(fā)流量，此時(shí)下發(fā)的ACL過(guò)濾規(guī)則匹配的就是三層轉(zhuǎn)發(fā)之后的報(bào)文，此時(shí)報(bào)文MAC已經(jīng)發(fā)生了替換，下發(fā)的ACL規(guī)則只能匹配轉(zhuǎn)發(fā)之后的報(bào)文特征，這就是不能可編程實(shí)現(xiàn)的局限性。

當(dāng)然，網(wǎng)絡(luò)芯片和其它芯片不同，芯片要承擔(dān)大量的數(shù)據(jù)流量轉(zhuǎn)發(fā)，這些數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于CPU、內(nèi)存以及Flash這些器件的數(shù)據(jù)，這就要求芯片硬件處理邏輯要盡可能地簡(jiǎn)單，否則轉(zhuǎn)發(fā)效率都成問(wèn)題，延遲是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備一個(gè)重要的考核指標(biāo)，這使得網(wǎng)絡(luò)芯片要盡可能做到簡(jiǎn)單。使用者只要做選擇就可以，將參數(shù)輸入芯片，芯片就可以按照制定的數(shù)據(jù)來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)，所以多年以來(lái)，轉(zhuǎn)發(fā)芯片都是不能編程的，網(wǎng)絡(luò)發(fā)展也好好的。隨著 云計(jì)算 、大數(shù)據(jù)和虛擬化技術(shù)的出現(xiàn)，這給網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的沖擊是最大的，網(wǎng)絡(luò)固定的轉(zhuǎn)發(fā)模式無(wú)法適應(yīng)這些年新技術(shù)的應(yīng)用，在這些新技術(shù)面前，網(wǎng)絡(luò)部分顯得相形見(jiàn)絀，是到了該要改變的時(shí)刻了。

三年前，一家專(zhuān)做SDN芯片的公司成立，叫Barefoot Networks，Barefoot Networks從事開(kāi)源可編程網(wǎng)絡(luò)芯片的設(shè)計(jì)和研究，Barefoot Networks的芯片Tofino是一種可編程芯片，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)6．5 Tbps處理速度，用戶(hù)或網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商可以利用P4編程語(yǔ)言來(lái)定制白盒解決方案或固定配置產(chǎn)品，這樣用戶(hù)可以在數(shù)周內(nèi)部署新協(xié)議，而不需要新版本的芯片來(lái)支持，具有極大的靈活性?，F(xiàn)在很多網(wǎng)絡(luò)需求，聽(tīng)到最多的就是芯片限制實(shí)現(xiàn)不了，只能換更高級(jí)的芯片設(shè)備，有了可編程芯片的設(shè)備就不同了，可以根據(jù)客戶(hù)需求，通過(guò)軟件對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行重新設(shè)計(jì)都可以實(shí)現(xiàn)，不用再去更換硬件，刷新軟件就可以解決。

Broadcom也發(fā)布了可編程網(wǎng)絡(luò)商用芯片Trident 3系列，雖然處理速度只有Tofino的一半3．2Tbps，但Broadcom控制了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)芯片市場(chǎng)的90％左右，其壟斷地位決定了Trident 3芯片一定會(huì)得到很多使用者的追捧，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)入了可編程時(shí)代?，F(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，快和手機(jī)行業(yè)一樣了，使用三年基本就不能再滿(mǎn)足業(yè)務(wù)發(fā)展需要了，使用五年基本成古董了，這給數(shù)據(jù)中心帶來(lái)了很大成本壓力，數(shù)據(jù)中心要不斷增加設(shè)備采購(gòu)，同時(shí)淘汰更多的老舊設(shè)備，說(shuō)是老舊也不過(guò)就兩三年。如果網(wǎng)絡(luò)設(shè)備具有可編程性，就可以通過(guò)重新編程來(lái)滿(mǎn)足未來(lái)需求，同時(shí)繼續(xù)大力降低網(wǎng)絡(luò)設(shè)備使用的成本和功耗。

由此可見(jiàn)，網(wǎng)絡(luò)芯片進(jìn)入了可編程時(shí)代，這就增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)部分的靈活性，更加適應(yīng)未來(lái)業(yè)務(wù)發(fā)展需要。這種可編程能力與軟件定義SDN還有些區(qū)別，可編程能力指的是通過(guò)基于腳本的編程靈活實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議功能，SDN則是通過(guò)控制器向網(wǎng)絡(luò)設(shè)備下發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)流表，實(shí)現(xiàn)流量轉(zhuǎn)發(fā)，流表實(shí)現(xiàn)只是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功能的一部分，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備還有ACL過(guò)濾、路由策略、修改報(bào)文內(nèi)容、隊(duì)列調(diào)度等豐富的網(wǎng)絡(luò)功能，這些通過(guò)SDN都無(wú)法實(shí)現(xiàn)，通過(guò)可編程技術(shù)則可以很好實(shí)現(xiàn)。未來(lái)，若是某項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)功能滿(mǎn)足不了，又說(shuō)是芯片限制，就要考慮下這個(gè)說(shuō)法的真實(shí)性了，芯片的可編程能力極大地?cái)U(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)處理的靈活性，可適應(yīng)各種復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景的應(yīng)用，即便有限制也會(huì)很少。