SPOH技术引发交换机革命？

2019-11-03 10:24:54

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供稿：网友

　　今天的网络就是一个数字化的社会；在这个"网络社会"中，交换机是这个组织的重要枢纽；但是我们看到，目前这个"网络社会"正面临着严重的发展压力，网络用户在成倍直线增长，网络社会的功能在不断丰富，多媒体、电子商务、ERP等新业务，与病毒、黑客等新安全风险一并迅速涌进网络；复杂的多业务应用，要求"网络社会"快速提升服务质量；而新兴的电子商务等关键业务则对网络提出更高的安全要求。

　　交换机作为这个网络社会的枢纽，承担着疏导和维持秩序的重任，正面临着QoS与ACL的双重考验。

　　QoS（Quality of Service），就是ip数据的服务质量，体现了IP数据在网络上传输的性能。在今天多业务的网络应用环境中，QoS极为重要：它能够把不同类型的数据进行分类，并根据分类进行优先级的标记；然后再根据优先级的不同，对网络各种数据进行合理排队，保证不同类型和等级的数据在通过交换机时，能够获得所需要的带宽和服务策略，达到数据传输的顺序性、完整性和实时性，保证网络社会运行的秩序性和高效率。比如，一个备份数据原本比较次要，但在传输过程中有可能会造成网络塞车；这时，通过指定合理的QoS，对它占用的带宽进行约束，这样就保证了其他关键应用的优先处理。

　　ACL（access Control List），是指访问控制列表，可以看成是用户与设备可以得到服务和信息的控制列表。一方面，ACL作为网络社会的一个权限检查与管理机构，每个用户和设备都具有自己的一个权限；通过访问控制列表，可以针对不同的用户，区别性地提供不同的访问服务；另一个方面，ACL还在网络中充当着"安全警察"的职责，通过ACL，可以对网络资源进行访问输入和输出的控制，实现对各种病毒和攻击行为的限制或屏蔽，大大提高了网络的安全性，成为一个有效的"安检"关卡。

　　如何适应网络社会"升级"发展所需的功能要求，一个数据处理技术的"分权运动"势在必行。在网络社会中，交换机的每个端口就是最基本的个体成员，为提高整体网络的数据交换处理能力，必须把原来由交换机核心模块集中完成的全部数据处理功能，合理地分配到每个端口来完成，给予每个端口"公民"，以最充分的数据处理"权利"和"自由"，来一场彻底的"端口革命"，通过"解放每一端口的生产力"，让数据交换真正进入一个"同步"时代，进而从根本上提高整个网络社会的运行效率和数据处理能力，推动网络社会驶入一个安全、高效、有序的崭新世界。

　　一、交换机的发展历史

　　应用与技术的矛盾与天俱来，就好比人类社会中的"生产力"与"生产关系"的一对矛盾；网络应用的发展，推动网络技术的创新；而网络技术的每一次突破，又加快了网络应用的发展步伐；两者在相互作用中，推动了人类社会的网络化应用进程。

　　我们知道，早期的数据处理是倚靠软件来实现的。

　　当时网络用户数较少，数据传输量也相对有限，通过软件技术来实现路由、访问控制等功能足以应付；但是，其性能严重受限，一般只能达到KPPS级别的处理能力；随着用户网络规模扩大，网络流量迅速增加，交换机的性能急剧下降，软件处理模式很快就不堪重任。

　　其后，集中式硬件处理时代到来。

　　这个时期网络开始走向普及，应用逐渐丰富，交换技术走向硬件处理阶段，开始搭乘硬件快车。通过在管理模块上添加功能丰富的ASCI芯片，集中式硬件处理数据，整机处理能力实现飞跃，达到了MPPS级，集中式硬件处理可谓"适逢其时"。

　　但是，整个交换机只靠单个ASIC芯片来处理所有L2/L3/ACL/QOS/组播等功能，要想在网络数据量不断增长的同时保障线速交换，安全智能只是一种理想。在网络走向各行各业、企业各种传统应用不断信息化、网络化的过程中，集中式硬件处理承担着一个过渡角色。

　　因此，分布式硬件处理应运而生。

　　分布式设计给网络带来了一场全新的技术革命，分布式设计是指在每个线卡上都配备专用的ASIC芯片，独立完成线卡所有数据的L2/L3/ACL/QOS/组播等功能。通过分布式设计与集中式管理，整个系统更加健壮和稳定，处理能力得到极大提升，数据处理能力提高到了100MPPS级别。然而，线卡分布式的处理模式仍然有其自身难以克服的不足，线卡分布式硬件处理模式的实现机制，是每个线卡所有的数据行为都集中在当地的一个ASIC芯片实现，大量端口同时进行数据处理时（尤其ACL、QOS功能），无论ASIC芯片进行如何快速地设计，都必需面临不同数据处理请求到达ASIC芯片后等待芯片进行资源调度的问题，无法同步进行处理，这在一定程度上影响了交换机的数据处理效率。

　　通过对数据交换技术的发展回顾，我们看到从软件处理模式到集中式硬件处理，再到线卡级分布式硬件处理，交换机技术发展已经走过了三代。这一发展历程就好比人类社会的民主进化历程，交换技术也经历了一个由"中央高度集权"到"区域逐步分权"的转变；每一次的变革，交换机的数据处理能力和性能发生了质的飞跃。但是，面对今天"大数据多业务"这一新需求，特别在对于ACL、QOS等功能应用激增的情况下，交换机的数据交换技术在实现了线卡分布式设计之后，新的技术变革将走向何方呢？

　　二、交换机面临新挑战

　　快速膨胀的"网络社会"对作为数据处理中心的交换机提出了严峻的挑战。

　　首先，面对超负荷的庞大数据传输，网络业务的顺利运行需要端到端的服务质量保证。在网络数据传输中，往往存在数据量大小一致，但是根据需求各种业务的重要性不同，这就需要区分所有数据的优先级别来确保业务的有序进行。例如，一个公司正在召开一个重要的视频会议，此时，一个日常的网络存储任务就会立即"礼让"；如果一边的电子商务交易正在进行，那么另一边的文件传输就要稍作延缓。所以，作为网络枢纽的交换机，必须具备强大的QOS功能，以保障关键业务的顺利运行。

　　其次，"多业务平台"带来的另一个应用需求是安全保障。越来越多的业务搭上网络快车，很多关键业务容不得半点差错；而恰恰在这时，病毒突如其来、黑客攻击也不时光顾，网络安全警钟不断拉响，去年的"冲击波"病毒一度就造成了重大损害。要想更好的解决网络世界的安全问题，必须要大量利用ACL技术，而这又进一步增加交换机的处理负担。

　　可见，"网络社会"的迅速膨胀，"大数据多业务"增加了原有网络"组织结构"运行的压力；那如何来化解网络新应用带来的压力，更好适应QoS与ACL的挑战呢？

　　从历次应用与技术的矛盾发展规律来看，必须以新技术的革命，提升网络的数据处理能力，以适应新应用"生产力"发展的需要。

　　三、SPOH技术引发交换机革命？

　　SPOH技术（synchronization PRocess over hardware，即"同步式硬件处理"），通过最新的硬件芯片技术，让交换机每个端口都具备独立的数据处理能力，将分布在线卡层面的部分功能进一步分布到端口，实现了端口级的数据同步交换。

　　由此，我们看到伴随SPOH技术的诞生，一场前所未有的"端口革命"也将随之爆发。SPOH技术通过解放"网络社会"最基本的个体成员――"每个数据端口"，将数据处理的"民主化"进程进行到底，以此充分调动每个端口成员的"积极性"和"主动性"，端口独立完成部分的数据处理任务（QOS和ACL功能），最终达到从根本上提升交换机整机的数据处理能力。可以预见，通过这次端口革命，将使传统交换机的每个端口变成一个独立的交换机。

　　通过对交换机数据处理的L2/L3/QOS/ACL/组播等行为进行深入分析后可以发现，不同的数据处理行为对端口的依赖性是不同的：L2/L3/组播等数据在不同端口之间转发，与多个端口关联，需要统一协调关联端口的资源情况；而ACL和QOS则依赖于独立的单个端口，实施效果则是受制于端口本身的资源情况。

　　SPOH技术模式就是针对ACL、QOS等独立端口的数据处理行为，进行彻底的分布式设计，实现端口级分布式硬件处理，达到各不同端口可以同步处理ACL、QOS功能。

　　具体而言，SPOH技术的具体实现机制是，在线卡分布式设计的基础上，为各个物理端口配备专用的FFP（FFP: fast filter processor）处理模块，FFP模块可以实现硬件处理QoS与ACL功能，实现整机数据端口级同步处理ACL/QOS；同时，通过线卡芯片线速转发L2/L3/组播数据，实现了从线卡到端口的全面分布式硬件设计，有效分流、缓解线卡ASIC芯片的负载压力，极大地提升交换机的整体数据处理能力。

　　附：各种数据处理模式下的测试结果列表

　　测试条件：每端口启用ACL与QOS功能，发送端口使用Smartbit设备线速发送每端口满负荷100%数据，接收端口采用Smartbit设备进行接收，得出测试数据

交换机模式	千兆口（4发-4收）	64Byte	整机处理能力	测试结果
软件处理模式	千兆口（4发-4收）	64Byte	KPPS-MPPS	无法测试，该类型设备早已淘汰，预测转发效率低于10%
集中式硬件处理	千兆口（4发-4收）	64Byte	MPPS-100MPPS	无法线速，每端口转发效率小于50%
分布式硬件处理	千兆口（4发-4收）	64Byte	100MPPS以上	无法线速，每端口转发效率70%与80%之间
同步式硬件处理	千兆口（4发-4收）	64Byte	100MPPS以上	线速，每端口转发效率稳定在100%