引子

2000年

大學報道，為了給家人報平安，小O在電話亭足足排了2小時。

這些都是那個年代的符號，朋友為了測試通話質量是否OK，浪費了小O六角錢至今仍讓人耿耿于懷……

2010年

喬布斯和他的革命性產品–蘋果手機問世，世界從此改變。

從90年代到現在，應用從少至多，從單調到豐富。那么，支撐這些應用的網絡，它的轉發方式經歷了哪些變化呢？

IP起航

90年代校園局域網大獲發展，web、bbs、甚至音樂視頻點播服務層出，但網絡出口小，2M專線已屬高配。

路由器，連接局域網和廣域網，根據靜態或動態的路由信息，生成轉發表，到達路由器的IP報文就可以根據轉發表把報文從目的端口發到下一跳。

第一代轉發架構

最早期的路由器甚至就是普通的計算機加多個網卡構成，當時流量小，主頻很低、實時性很差的CPU也能夠應付帶寬需求。

第一代轉發架構：集中轉發、總線交換

特點：
單核單線程，控制轉發合一，沒有并行處理、保序、pipeline，架構簡單實用。

第二代轉發架構

隨著網絡用戶增多、網絡流量增大，需提高網絡接口數量，降低CPU、總線負擔。

第二代轉發架構：集中+分布轉發、接口模塊化、總線交換

接口智能化

• 常用路由信息：接口卡Cache路由表直接轉發
• 其他報文：CPU處理

第三代轉發架構

Web技術導致用戶訪問量拓寬，一方面，Cache經常找不到路由，總線、CPU瓶頸效應出現；另一面，聯網計算機增加后路由器接口數量不足。

第三代轉發架構：分布轉發、總線交換

路由與轉發分離

• 主控板：管理設備、收集/計算路由、下發路由表
• 業務板：根據路由表獨立路由轉發
• 總 線：業務板之間的數據轉發獨立于主控板
  并行高速處理，性能成倍提高，90年代中期主流設備。

第四代轉發架構

后Web時代核心網絡的流量以指數級數增長，基于軟件的IP路由器無法再滿足帶寬的要求，ASIC實現應運而生。

第四代轉發架構：ASIC分布轉發，網絡交換

• ASIC:轉發過程通過硬件方式實現
• CrossBar:無阻塞交換方式，解決內部交換瓶頸
  誕生了早期的千兆交換式路由器GSR

IP黃金十年

中國互聯網海外上市并迅速破滅，引發對網絡的理性思考，業界認為需要從業務、運維、管理、安全的角度重新思考互聯網的未來，網絡處理器（NP）登上舞臺。

一款革命性的NP：IXP1200

• 包轉發引擎*6個：指令空間和寄存器獨立，內存和總線共享；可編程；具有2K條指令空間；為包轉發處理設計了移位、Bit操作、比較、跳轉等單條指令。
• 硬線程*4：指令空間共享，寄存器可獨立或共享。可充分發揮并行性。
• 性能可達到同規格單核單線程CPU的24倍（理論值）

第五代轉發架構

第五代轉發架構：NP分布轉發、網絡交換

網絡處理器（NP）提升吞吐量的關鍵：流水線處理和并行處理。

• 流水線方式：報文處理分段：接收、解析、查找、修改、發送……，在減少指令總數、縮短處理時間的同時，簡化指令和引擎設計，提升執行效率。
• 并行處理：充分發揮所有處理器所有硬線程的威力，隱藏IO訪問時延。

流水線方式+并行處理，滿足帶寬要求，滿足復雜業務不降低整體性能的要求。

網絡處理器的另一個大殺器就是靈活編程，靈活編程在應對VPN、MPLS網絡、IPV4/IPV6混合網絡、精細的流量管理、各種安全網關以及BT這種高帶寬但不增值的數據流識別與限制上得心應手。

網絡處理器為產業發展立下汗馬功勞，但世事難料，IXP、Xelerated、EZchip等早期英雄被并風潮后，NP黯然退場。

NP消退必然因素：

• 誕生“原罪”：是性能和靈活性折中的產物，性能比不過ASIC、靈活性比不過CPU。
• 開發門檻：從微碼到C語言，寫出高性能的轉發軟件難度大。
• 無OS裸跑:遷移工作量大且不增值。大廠不重視，產業鏈不成熟。

基于MIPS（Million Instructions Per Second）架構開發的商業多核芯片，將網絡連接、負載均衡、加/解密、應用加速等功能集成在一個芯片上，即片上系統SoC，在高度靈活性和較高性能方面，找到了最佳平衡點。

多核處理器一度被認為是完美的處理器，在40Gbps甚至80Gbps以下所向無敵，在安全、業務路由器、L4+報文處理領域完全獨領風騷。

多核和NP區別：

• 多核處理器的CPU通用，可運行vxworks或者Linux；
• 多核處理器沒有NP的指令空間限制，包轉發處理可以是流水線或RTC（Run-to-Completion）模式；
• 基于Linux的SMP降低開發和移植難度；

繼往開來

SDN

谷歌在全球有幾十個數據中心，每個數據中心有數十萬臺服務器和上千臺交換機。為了減少數據中心互聯的帶寬成本、提高利用率，谷歌引入了SDN/OpenFlow。

• 高優先級流量只占10%-15%，對數據中心流量分級:
• 用戶數據備份至遠程數據中心：數據量小、延遲敏感、高優先級
  = 多個數據中心數據同步：數據量大、延遲不敏感、低優先級
• 遠程存儲訪問進行分布式計算

流量分級需要的配合：應用所需的帶寬預估；低優先級應用無法保證帶寬和丟包；需要一個中心控制系統分配帶寬。

SDN使谷歌的網絡帶寬利用率大大提高，網絡更穩定，管理簡化了，Cost降低了。將原來網絡設備盒子中的控制分離出來集中到Controller，以及基于流表的交換機取代原來各種路由器交換設備，是SDN/OpenFlow最核心的兩個點。

OpenFlow將數據面的交換機行為進行了統一，如果推動整個產業鏈的話，硬件成本將大幅下降。但這一過程異常艱難，除利益既得者會想盡一切辦法阻止這一進程，技術上也是困難重重。

DPDK

NFV通過基于行業標準的x86服務器、存儲和交換設備，來取代通信網的那些私有專用的網元設備，可節省成本，并通過API獲得更加靈活的網絡能力。

但NFV里沒有NP、ASIC或多核處理器，x86中的轉發性能怎么解決呢？

DPDK（Data Plane Development Kit），配合Intel的高速網卡和IO虛擬化技術，解決了x86服務器這些年來最讓人詬病的IO性能問題，NFV也因此有膽量拋棄所有的非標準，（非x86cpu、非intel網卡或不支持IO虛擬化的網卡）組件。

DPDK提供了一系列用于報文處理的庫函數和驅動，提供的L3轉發模型在Intel最新的CPU上可以達到28Mpps/core性能，比linux內核態IO性能提升幾十倍。

DPDK相對NP和多核處理器在報文處理上并無過人之處，但X86在轉發領域的不完美，“倒逼”DPDK解決X86的短板。

在硬件通用化、虛擬化大行其道的今天，DPDK的地位已經無法撼動，NFV明確要把DPDK加速納入標準體系，所有的x86平臺上只要跟IP相關，都逃不脫DPDK的綁架。

而NP已經被逼到只能和ASIC競爭高端路由交換市場，多核處理器也只能自降身份，淪為x86的配角，在智能網卡領地求得一絲喘息。

P4

OpenFlow協議作為SDN最流行的南向協議廣受關注，但OpeFlow交換機還不能提供更好的可編程能力。P4(Programming protocol-independent packet processors)是種高級“協議獨立數據包處理編程語言”。

主要優點：

• 可靈活定義轉發設備數據處理流程，且可以做到轉發無中斷的重配置。
• 協議無關。交換設備無需關注協議語法語義等內容，就可以完成數據處理。
• 設備無關。無需關心底層設備的具體信息，P4編譯器會將通用的P4語言處理邏輯編譯成設備相關的指令，完成轉發設備的配置和編程。

P4語言支持對交換機處理邏輯進行編程定義，使得協議版本在更新迭代時無需購買新設備，只需通過控制器編程更新交換機處理邏輯即可。這種創新解決了OpenFlow編程能力不足，版本不穩定的問題。此外，這也讓底層交換機更加白盒化，適用范圍更廣，更容易降低設備采購成本，也解除了服務提供商對網絡設備廠家綁定的顧慮。

自誕生以來，P4得到了業界的關注和認可，被認為將成為OpenFlow2.0的可能方向。不過，作為完全可編程的SDN實現，性能問題是其需要面臨的大問題，也是急需解決的技術難題。

SmartNIC

軟件方案并不能提供足夠的網絡可靠性和服務質量，而具有高級可編程功能的智能網卡（SmartNIC），在虛擬化網絡中扮演非常重要的角色。

智能網卡核心：

• 通過FPGA協助CPU處理網絡負載，編程網絡接口功能。
• FPGA（Field－Programmable Gate Array），即現場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物。

Smart NIC能提升應用程序和虛擬化性能，實現SDN和NFV的諸多優勢，將網絡虛擬化、負載均衡和其他低級功能從服務器CPU中移除，確保為應用提供最大的處理能力。

與此同時，智能網卡還能夠提供分布式計算資源，使用戶可以開發自己的軟件或提供接入服務，從而加速特定應用程序。

結束語

從IP到SDN、NFV、DPDK、P4、SmartNIC……轉發技術的變革大潮已勢不可擋，隨著5G、物聯網的迎到來，ICT的完全融合、云計算承載一切，大數據主導一切，互聯網將引來第二次革命。

未來已來，拭目以待。

注：本文原作者岳青倫，原標題《轉發技術風雨三十年，你經歷過……》，小O對內容進行了改編。可點擊“閱讀原文”查看更詳細內容。

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總結

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