Page 32 - 网络电信2021年1/2月刊下
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OpenDaylight和ONOS两大开源控制器阵营，并大力构建相关的                      传统网络转发设备种类多样但彼此标准不同，网络受到功
            产业生态，期望能打造具有高性能、分布式的SDN大网控制器。                        能固定的包转发处理硬件和芯片硬件厂商不兼容协议的限制，
                在网络编排方面，主要包含SDN高层业务编排和NFV底层虚                     存在网络设备更新缓慢、运行成本增加等问题。面对快速升级
            拟网元编排两大部分，其中SDN高层业务编排负责将业务部署的                        的网络需求和不断更新的网络业务，网络可编程的能力成为了
            工作流程进行规范，再转化为标准化策略下发给底层资源控制                          未来网络服务和应用的关键。
            器；NFV底层虚拟网元编排则将物理硬件资源与软件功能解耦，                            网络可编程性是指网元将数据包处理逻辑与网络控制逻
            抽象交换机、路由器、防火墙、负载均衡等网络功能为虚拟网                          辑暴露于用户，以进行系统快速和可理解的重新配置的能力。
            元，通过北向的标准化接口对业务所需要的最终实现业务的部                          网络可编程性的概念始于主动网络研究，随着控制平面和数据
            署，同时也将当前的网络状态反馈给业务编排，进行策略的改                          平面分离等相关研究经历了几个不同的发展阶段。在早期SDN
            进。业务编排和网络资源编排相互依赖，形成一套闭环的网络                          刚刚兴起时，由于转发设备功能和性能的局限性，网络可编程
            编排系统，实现自动化、定制化业务部署。文献                  [34] 总结了网络    主要体现在软件定义网络的控制平面，面对超大规模网络及大
            功能虚拟化技术的最新进展，当前网络功能虚拟化主要用于性                          流量，基于SDN控制器对网络节点提供的开放接口进行管理，
            能加速，包括软件加速、硬件加速和中间件卸载；文献                    [35] 总结  实现对网络功能和行为的按需管控和新业务的快速部署。斯坦
            了基于机器学习的软件定义智能网络应用，随着人工智能技术                          福大学团队设计的OpenFlow模型成为控制平面可编程性的主要
            的不断突破，网络编排正由“自动化”向“智能化”转变。在                          标准接口协议。然而，OpenFlow协议仅仅定义了控制器与转发
            产业生态方面，AT&T和中国移动共同推出了开放式网络自动化                        设备间的行为机制，通过控制器向网络设备下发转发流表，实
            平台(ONAP,  Open  Network  Automation  Platform)，试图克服  现流量转发。网络的可编程性局限于控制平面，数据平面的可
            新软件和虚拟化技术带来的互操作性挑战，实现面向运营商场                          编程性仍旧受限，成为制约网络性能的瓶颈。随着新一代高性
            景的端到端编排。                                             能可编程数据包处理芯片及数据平面高级编程语言的出现，使
                面向2030年的未来网络，网络控制和网络编排将呈现出更                      得以软件编程方式来设定数据包的处理流程并在芯片中编译执
            灵活、更开放、更智能、更深度可编程的特征。端到端控制与                          行成为现实。通过使用可编程芯片以及对应的可编程语言，可
            编排将变成业务用户最关心的能力，各种网络协议将不再像今                          以实现对转发行为的定义，完成ACL过滤、路由策略、修改报
            天这么重要。构建具备开放灵活、面向业务、具有微服务化架                          文内容、队列调度等功能，实现数据平面的可编程。当前，
            构的网络操作系统将成为未来网络的核心，整个网络生态预计                          随着数据中心、云计算等场景的兴起，服务器端CPU（central
            将迎来巨大的变革。随着云计算、边缘计算、智能终端、物联                          processing  unit）的负担逐渐加重，网卡可编程成为一个新的
            网的飞速发展，实现异构云网边端资源的控制、编排、调度将                          趋势，智能网卡（Smart  NIC）可以将网络虚拟化、负载均衡等
            是整个系统的关键。在网络操作系统领域，目前业界已开展诸                          功能从服务器CPU中卸载，从而为应用提供更多的处理能力。因
            多研究，2019年5月，国内科研团队联合推出了CNOS大网级网络                     此，当前网络可编程主要集中在编程语言、可编程芯片、智能
            操作系统    [36] ，具备全场景、全兼容、高性能三大特征，在全球                  网卡的研究上。
            首次实现了SDN交换机代替传统路由器构建广域骨干网的尝试。                            数据平面高级编程语言的出现为用户自定义网络数据包处
                总结来讲，软件定义网络经过十余年的发展取得了巨大                         理流程提供基础。P4是目前主要的数据平面编程语言，其核心
            的影响，从最初的数据中心应用，到现在渗透到各个网络场景                          设计目标体现三个方面：1）可重配置性，交换机的包处理方式
            中，以控制和编排为核心的网络操作系统已成为未来生态构建                          可以修改；2）协议无关性，交换机对数据包的处理方式不受协
            的关键。在各类新型应用的推动下，网络操作系统也面临许多                          议限制；3）平台无关性，管理员对数据处理方式的描述不受底
            新挑战。例如，随着网络规模的扩大，网络操作系统的可扩展                          层平台限制，编程实现与平台无关。P4的抽象转发模型建立在
            性、可靠性、安全性变得尤为重要，网络操作系统如何支持骨                          OpenFlow的“匹配-动作”模式基础之上，主要包含解析器、
            干网、城域网、边缘网、数据中心网络等多场景跨域横向协                           多级流水线和缓冲区三个组成部分。P4程序的工作流程包括配
            同，以及光传输平面、数通平面、业务平面的跨层纵向协同；                          置和运行两个阶段。P4的语言规范定义了管理员处理数据包的
            同时还需要更灵活地兼容路由器、交换机、光传输设备、智能                          范式，目前主要有P4  14和P4  16。PISCES       [37] 基于P4高级编程
            网卡等多种设备形态，以及兼容异构厂商设备、白盒设备等多                          语言在数据平面的深度可编程性提出了协议无关的、可编程的
            种南北向接口；并且随着远程工控、全息通信等新型业务的发                          软件交换机，其解析、匹配、操作执行等代码通过P4编译器生
            展，网络操作系统如何支持网络端到端毫秒级时延、微妙级时                          成代码。除P4之外的数据平面领域特定语言还有POF、Click、
            延抖动保障，如何支持无状态网络层组播成为了必须要解决的                          packetC、PX、NPL等。
            问题；最后还要具备更智能的全网实时感知、按需调度、路径                              可编程芯片是在网络中提供发送和接受逻辑的微处理
            保障、全局优化功能，实现流量管理、故障处理的智能化，并                          器，它打破了转发设备功能固定的限制，配合可编程语言可
            具备支持微服务化架构、分布式集群、TB级别网络状态容量的                         以快速地开发和部署新的网络功能。可编程芯片的转发逻辑
            高性能等。此外，网络功能虚拟化在实现软硬件加速、中间件                          不是在硬件中固定的，而是由网络运营商或交换机制造商
            卸载、部署的灵活性和扩展性等方面也存在巨大的挑战。这些                          编译到芯片上的可编程语言程序决定。可编程芯片软件开
            都是值得继续思考和研究的内容。                                      发环境提供了更多的新增功能，如编译器、调试工具等，
                2、网络深度可编程                                        允许数据层面的自定义功能。当前，根据使用的芯片技术

                                                      网络电信 二零二一年一、二月                                           59
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