云網絡架構

云計算從9年前被質疑為新瓶裝舊酒，到經過多年的高速發展，正在成為水電煤一樣的基礎設施。云網絡構建在物理網絡之上，為云計算提供靈動、智能的網絡連接。云網絡的性能和穩定性是云計算的基石。

VPC是云網絡的基礎，VPC的基礎組件主要包括2部分：Gateway，vSwitch。

Gateway是VPC的流量入口，負責公網／專線和跨region流量的匯聚和分發。vSwitch負責ECS的虛擬交換，和Gateway一起為客戶搭建一張虛擬專用網。

CPU軟轉發

物理網絡經過幾十年的發展，接口和協議相對標準和成熟，所以物理網絡的各類交換機基本都是基于switch芯片（其中大部分是Broadcom的）做硬轉發的。

云網絡的發展是這幾年的事，業務和需求都在快速變化中，缺乏行業標準，基本都是在按需做定制，所以云網絡的各類業務基本都是基于CPU在做軟轉發。

DPDK是Intel針對x86開發的數據面優化技術，作為一個開源軟件，DPDK也可以用于其它的CPU架構，比喻說ARM和Power。DPDK運行在用戶態，通過大頁／輪詢／CPU親和性等技術，達到減少內存拷貝／減少cache miss／減少中斷調用／減少進程和線程切換等優化目標，進而實現CPU軟轉發的性能優化。

在DPDK出現之前，軟轉發通常是采用帶加速引擎的NP，x86主要用于控制。DPDK出現之后，基于x86的轉發從內核態遷移到用戶態，性能有了大幅提升。

阿里是最早把DPDK產品化的公司之一，目前阿里云網絡的各個組件已經全面切到DPDK。以vSwitch為例，通過DPDK，vSwitch的性能得到了數倍的提升。

軟硬件一體化

基于CPU的軟轉發主要面臨2個問題：一是CPU的單core性能瓶頸，在大流和攻擊場景下比較容易被打爆，導致故障；二是CPU的摩爾定律逐步失效，CPU的頻率和核數提升空間越來越小，靠CPU軟轉做進一步性能提升的空間有限。

以太網的接口速率正在飛速發展中，25G NRZ已經普及，50G PAM4已經成熟，單模塊400G已經成為現實。PCIE的接口速率也在快速發展中，單lane 16Gb的PCIE Gen4還未規模上線，單lane 32Gb的PCIE Gen5的規范已經發布。

隨著云計算的發展，云網絡的流量出現了爆發式增長。游戲／視頻／NFV化對ECS網絡性能提出了更高的要求，vSwitch的網絡正在朝百Gbps邁進。混合云的發展帶來了專線和跨region流量的激增，Gateway的流量正在朝百Tbps邁進。

為了提升云網絡的性能和穩定性，滿足云計算的技術發展需求和業務發展需求，阿里云網絡團隊對VPC的基礎組件做了全鏈路的軟硬一體化設計，Gateway以超大流量+百萬表項為目標，vSwitch以超大表項+百Gbps為目標。經過一年多的努力，2款產品都已順利上線，把阿里云網絡產品的競爭力提升了一個臺階。

vSwitch硬件加速

網絡的業務可以理解為各種route + ACL的組合，一次報文轉發要經過多次表項查找和head update。快慢速分離的思路就是讓Slowpath負責復雜的業務邏輯，首包上送Slowpath生成Session/Flow，后續報文就不需要把整個業務流程再走一遍，直接在Fastpath里基于Session/Flow做Match/Action，提升轉發性能。

軟轉發里，快慢速都是通過CPU實現的。為了提升vSwitch的性能和穩定性，阿里云網絡團隊經過一年多的努力，成功通過AISC實現了Fastpath的硬件化。

通過硬件化，vSwitch的性能對比軟轉發提升了10倍以上，延時大幅降低。

Gateway硬件加速

Gateway是VPC所有流量的入口，也是云網絡帶寬和穩定性壓力最大的一環。隨著搬站和企業上云的推進，專線流量出現了數量級的增長，達到幾十Tbps。這么大的流量，通過堆服務器來提升轉發能力基本成了不可能完成的任務。

傳統交換芯片的數據面對客戶是固定的pipeline；云網絡由于業務和需求變化快，沒有業界通用標準，方案基本都是按需做定制，沒法使用固定轉發的交換芯片。可編程交換芯片的出現給云網絡打開了一扇窗，讓Gateway硬件化成為可能。

為應對超大流量的挑戰，阿里云網絡團隊啟動了基于可編程交換芯片的Gateway設計。經過一年多的努力，成功實現了Gateway的軟硬結合設計

通過可交換芯片的加速，Gateway單機bps性能提升20倍以上，單機pps性能提升近百倍，延時降低數十倍，整體Capex和Opex大幅降低。

客戶價值

技術創新的目的是為了更好的客戶體驗，實現客戶第一的目標。通過軟硬一體化的技術，阿里云可以給客戶提供更大帶寬／更低延時／更加可靠的網絡連接。

持續演進

可編程交換芯片的轉發能力強，但片內SRAM/TCAM容量有限。阿里云體量大／客戶多，表項規格大，沒法全量下發到硬件里。解決方法之一是對表項做水平拆分，但云網絡的業務復雜，客戶的配置變化快，水平拆分的難度大／成本高。解決方法之二是軟硬結合+動態調整，通過速率計算動態檢測大象流／長尾流，長尾流動態調整到軟轉發，大象流動態調整到硬轉發，軟硬一體／動態優化。

云網絡的二八原則明顯，長尾流的表項大／流量小，大象流的流量大／表項小。通過軟硬結合+動態調整的方式，一個集群可以容納全量配置。軟轉發彌補硬件的表項容量問題，硬轉發彌補軟件的轉發能力問題，相互配合／相得益彰。

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總結

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