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同步式硬件處理技術:下一代交換技術

2019-11-05 01:33:53
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供稿:網友

  在數據交換領域,如何有效地解決安全與效率問題已經成為當前的主要命題。高速增長的用戶數量、層出不窮的新業務、防不勝防的病毒,已經成為當前網絡應用的三大挑戰,SPOH技術在這樣的背景下應運而生。
  
  當前,網絡正在走向“大數據多業務”時代:音頻、視頻等多媒體業務的數據傳輸量驚人;網絡存儲、數據共享等應用讓企業網絡不得不“超載前行”;ERP、電子商務也逐漸滲透到因特網……,網絡越來越變成一個傳輸海量數據的“多業務平臺”。
  
  大數據多業務網絡的首要挑戰就是QoS的負擔大大增加,如何智能化調控,尤其是保障要害業務不容回避;而隨著病毒與黑客等安全風險的倍增,必須要大量利用ACL技術來從硬件層面加強安全防范。
  
  至此,突出的矛盾產生了:一方面大數據多業務網絡本身的數據傳輸呈現幾何級增長,讓原有網絡負擔大大增加;另一方面,為了促進網絡的可治理性、智能性與安全性,專門處理QoS與ACL等功能的數據也同步擴張,讓原有網絡數據交換能力更加捉襟見肘。
  
  在不斷加強網絡規模建設的同時,如何促進ACL、QoS的全面提升又不會制約整體處理性能?這就要求保障ACL、QoS處理的最大獨立性,從而最大程度地提升數據處理能力。
  
  交換技術的趨勢
  交換機使用硬件實現L2交換,但在L3/ACL/QoS/組播等功能的處理上,隨著網絡交換技術和芯片技術的不斷發展,經歷了幾個主要的階段:
  
  第一階段,軟件處理階段。采用軟件實現L3/ACL/QoS/組播等功能,性能受限,一般只能達到Kpps級別的處理能力,隨著啟用這些功能的端口數的增加和流量的增加,性能急劇下降。
  
  第二階段,集中硬件處理階段。在治理模塊通過ASIC芯片集中處理,性能開始可以達到Mpps處理級別,但由于整機提供單個ASIC芯片集中處理所有L2/L3/ACL/QoS功能,隨著交換機不斷增加用戶線卡,啟用這些功能的端口數的增加和流量的增加,性能將成比例地下降。
  
  第三階段,分布式硬件處理階段。在每個用戶線卡上配備自己的ASIC芯片,提供統一的硬件查表項,負責自己線卡所有端口的L2/L3/ACL/QoS/組播等功能實現。分布式硬件處理方式由于每增加一個線卡流量的同時也增加一個ASIC處理芯片,所以可以極大地提高整機處理能力。同樣,由于每個線卡所有的數據行為都集中在當地一個ASIC芯片實現,不論ASIC芯片如何快速地設計,數據到達ASIC芯片以后都需要等待ASIC芯片的資源調度,隨著當地線卡越來越多的端口啟用這些功能、越來越多的流量增加,性能會有較小比例地下降。
  
  第四代,同步硬件處理階段(即SPOH技術階段)。在這個階段,可以實現整機數據端口級同步處理ACL/QoS,可大大提升整體性能。
  
  從技術發展軌跡上看,從軟件到硬件,從集中處理到分布式處理,直到最后的徹底的“全分布”設計體現是交換技術架構的整體方向,功能分布到端口、通過分工合作提升性能,體現了第四代交換技術的核心價值。
  
  SPOH技術是什么
  SPOH技術(synchronization PRocess over hardware)即同步式硬件處理技術,它是分布式設計和硬件實現進一步結合的技術產物。SPOH技術通過最新的硬件芯片技術,讓交換機每個端口都具備獨立的數據處理能力,將分布在線卡層面的部分功能進一步布設到端口,實現了端口級的數據同步交換。
  
  不同的數據處理行為對端口的依靠性不同,通過對L2/L3/ACL/QoS/組播等的分析發現,這些數據行為可以分為兩大類:
  
  一類是ACL和QoS等針對單獨端口的數據行為。數據的處理與其它端口無關,假如可以分別為每個端口單獨提供處理,將可以達到整機所有端口同步處理,效率大幅度提高,不因為加入端口數的增加或流量的增加而影響性能。
  
  另一類是L2/L3/組播等針對不同端口之間轉發數據的行為。數據的處理與相關端口都有關聯,需要在不同端口之間協調好資源,需要為相關端口提供統一處理。
  
  SPOH的設計理念正是針對兩類不同數據行為對端口依靠性的不同,而采用各自不同的處理方式來最大限度地提升整機處理能力:L2/L3/組播等數據在不同端口之間轉發,與多個端口關聯,需要協調統一關聯端口的資源情況;而ACL和QoS則依靠于獨立的單個端口,實施效果受制于端口本身的資源情況。
  
  SPOH技術的具體實現機制是,在線卡分布式設計的基礎上,為各個物理端口配備專用的FFP(FFP: fast filter processor)處理模塊,FFP模塊可以實現硬件處理QoS與ACL功能,實現整機數據端口級同步處理ACL/QoS;同時,通過線卡芯片線速轉發L2/L3/組播數據,實現從線卡到端口的全面分布式硬件設計,有效分流、緩解線卡ASIC芯片的負載壓力,極大地提升交換機的整體數據處理能力。
  
 

  圖1是采用SPOH技術的主機結構圖
  

  圖2是為各個物理端口配備專用的FFP處理模塊的ASIC芯片結構圖
  SPOH技術的應用環境
  SPOH主要是滿足在大量啟用QoS、ACL功能的環境下同時提供強大的數據處理能力,因此適合在大型網絡核心使用,尤其是大數據多業務網絡環境。
  
  在這些網絡環境當中,由于網絡病毒和攻擊行為的泛濫,安全需求在其中顯得極為重要;而作為網絡核心的設備,由于流量巨大,對巨大流量進行線速轉發的同時需要提供穩定運營平臺;同時這些網絡與多種應用緊密結合,運行了大量的應用系統,假如存在對時延敏感的應用,網絡中包括核心設備在內的交換設備需要啟用QoS保障。因此,在這種應用環境當中,非凡需要SPOH技術的支持。
  
  例如,在當前的金融與電信網絡當中,多業務大數據傳輸已經成為常態;而對于教育等行業的核心層應用,也充分表現出這種需求動向:VOD、電子閱覽室等多媒體應用已經成為校園網建設的常規項目,融合教學、科研、生活、辦公四大職能則是校園網發展的大勢所趨,而建設具有網治理計費與身份認證功能的可運營網絡則是校園網實現可持續發展的內在要求……這些都要求同步實現穩定性、安全性、智能性、高效數據處理等保障,ACL與QoS首當其沖。
  
  因此,隨著寬帶與增值建設、大數據傳輸、多業務集成更為廣泛的應用,數據中心、ERP業務系統、實時電子商務等需求日漸提升。可見,SPOH技術的潛在市場也在不斷擴展,SPOH必將隨著海量數據交換應用環境的成熟而迎來發展機會。
  
  知識鏈接
  QoS(Quality of Service),也就是ip數據的服務質量,體現的是IP數據在網絡上傳輸的性能。在擁有敏感或重要應用的網絡里,QoS極其要害,QoS把不同數據進行分類,并根據分類進行優先級標記;此后,根據數據的優先級不同,進行合理排隊。網絡實施了QoS,數據在通過交換機的時候,就會根據需要安排其占用的帶寬,更加具有順序性、完整性和實時性。
  
  ACL(access Control List),指訪問控制列表,可以看成是用戶與設備可以得到的服務和信息的控制列表。ACL如同一個權限檢查與治理機構,每個用戶和設備都具有自己的一個權限。通過ACL,可以針對不同的用戶,區別性地提供不同服務;另一個非常重要的是,ACL可以針對各種病毒和攻擊行為進行限制或屏蔽,大大提高了安全性,成為一個有效的“安檢”關卡。


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