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作者：蔡伸? ?單位：中國移動(dòng)智慧家庭運(yùn)營中心
在東數(shù)西算的大背景下，為深入落實(shí)中國移動(dòng)集團(tuán)云網(wǎng)融合升級(jí)戰(zhàn)略，實(shí)現(xiàn)為用戶提供“連接+算力+能力”一體化服務(wù)，達(dá)成“網(wǎng)絡(luò)無所不達(dá)、算力無所不在、智能無所不及”的愿景，中國移動(dòng)智慧家庭運(yùn)營中心開拓創(chuàng)新，推出云網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品，將網(wǎng)關(guān)云化放在邊緣側(cè)，為家庭算網(wǎng)的發(fā)展和推廣打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。云網(wǎng)關(guān)是SDN架構(gòu)下的產(chǎn)物，轉(zhuǎn)發(fā)面和控制面分離是其中的核心思想，今天就來帶大家簡單了解一下智慧家庭云網(wǎng)關(guān)的轉(zhuǎn)控分離對(duì)接技術(shù)。
1、什么是“云網(wǎng)關(guān)”？
云網(wǎng)關(guān)主要是指將用戶接入網(wǎng)關(guān)放到邊緣云側(cè)，云網(wǎng)關(guān)承接用戶上網(wǎng)，增值業(yè)務(wù)流量調(diào)度等功能。服務(wù)提供側(cè)通過云網(wǎng)關(guān)就近接入各類業(yè)務(wù)，使用戶能夠簡單的實(shí)現(xiàn)一跳上云，簡單高效地體驗(yàn)穩(wěn)定高性能的海量增值業(yè)務(wù)。
云網(wǎng)關(guān)的部署應(yīng)用更加接近用戶家庭，結(jié)合算力網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃，以云網(wǎng)關(guān)為基礎(chǔ)，發(fā)展云網(wǎng)關(guān)衍生應(yīng)用，可以發(fā)掘海量的家庭“算力”，為家庭算力的模型構(gòu)建以及運(yùn)用打下一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
當(dāng)然，云網(wǎng)關(guān)的種種好處離不開它基于SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的核心思想，即轉(zhuǎn)發(fā)和控制分離的理念。
2、“云網(wǎng)關(guān)”開創(chuàng)用戶上網(wǎng)新模式
云網(wǎng)關(guān)開創(chuàng)了一種用戶接入網(wǎng)絡(luò)新形式。家庭寬帶上網(wǎng)方式的發(fā)展歷史可以概括為從撥號(hào)連接到電纜調(diào)制解調(diào)器，到DSL和光纖到戶，再到云網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)絡(luò)速度和連接方式不斷升級(jí)，用戶的上網(wǎng)體驗(yàn)也越來越好。
總的來說，互聯(lián)網(wǎng)接入中國的二十多年里，家庭寬帶用戶上網(wǎng)的方式發(fā)生了多次重大的變化，每次變化都給用戶的體驗(yàn)和服務(wù)質(zhì)量帶來了跨越式的提升，云網(wǎng)關(guān)也不例外。
3、“云網(wǎng)關(guān)”的技術(shù)架構(gòu)
云網(wǎng)關(guān)基于SDN思想，實(shí)現(xiàn)了一套轉(zhuǎn)控分離的高性能轉(zhuǎn)發(fā)框架。
轉(zhuǎn)發(fā)面：在云網(wǎng)關(guān)中，轉(zhuǎn)發(fā)面（轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)程）主要負(fù)責(zé)根據(jù)策略，路由等規(guī)則，進(jìn)行高性能純數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)和流量調(diào)度。
控制面：與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)不同的是，在云網(wǎng)關(guān)中控制面分成兩個(gè)層級(jí)。
（1）設(shè)備控制面
云網(wǎng)關(guān)的設(shè)備控制面，主要負(fù)責(zé)一些路由協(xié)議的協(xié)商和鄰居建立，如BGP、OSPF、RIP等常見協(xié)議路由獲取導(dǎo)入以及生成，再通過轉(zhuǎn)控對(duì)接方式，將計(jì)算后的路由結(jié)果下發(fā)給轉(zhuǎn)發(fā)面，轉(zhuǎn)發(fā)面只需要根據(jù)下發(fā)的路由結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)包的匹配轉(zhuǎn)發(fā)，不需要參與到特定的路由計(jì)算和生成環(huán)節(jié)。
與此同時(shí)，設(shè)備控制面還負(fù)責(zé)協(xié)議的控制報(bào)文生成和交互，如IPsec加密隧道的IKE生成等。除此之外，設(shè)備控制面還負(fù)責(zé)ARP報(bào)文的解析生成ARP表項(xiàng)的下發(fā)，同步轉(zhuǎn)發(fā)面和控制面接口MTU等一系列需要計(jì)算和維護(hù)的功能。
由此可以看出，一系列功能的處理和運(yùn)行，對(duì)設(shè)備內(nèi)部控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面的對(duì)接方式有了較高的要求，具體會(huì)在下個(gè)章節(jié)進(jìn)行介紹。
（2）控制器以及運(yùn)營平臺(tái)
云網(wǎng)關(guān)網(wǎng)元層面的控制面，就是一般意義上的SDN控制面，如上圖所示，總的來說在云網(wǎng)關(guān)管理系統(tǒng)中，管理面（云網(wǎng)關(guān)控制器以及運(yùn)營平臺(tái)）主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/a>發(fā)現(xiàn)和管理、流量控制和管理、網(wǎng)絡(luò)安全管理、業(yè)務(wù)訂單管理等功能，與設(shè)備內(nèi)部層面不同的是，網(wǎng)元側(cè)控制面在更宏觀的角度對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)度編排，更充分劃分了一個(gè)大腦的功能。
然而，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)，流量控制，訂單管理依賴各類完全不同的南北向接口，對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)面控制面的邊界劃分，內(nèi)部協(xié)議貫通對(duì)齊，都有新的挑戰(zhàn)，對(duì)架構(gòu)規(guī)劃以及研發(fā)能力有較高要求。
4、“云網(wǎng)關(guān)”的轉(zhuǎn)控對(duì)接方案
綜合前面幾個(gè)小節(jié)所描述的，因?yàn)樵凭W(wǎng)關(guān)的轉(zhuǎn)發(fā)面控制面分為設(shè)備內(nèi)部和網(wǎng)元單元，所以云網(wǎng)關(guān)的轉(zhuǎn)控對(duì)接技術(shù)，不能簡單的理解成傳統(tǒng)意義上設(shè)備和控制器的南北向接口，設(shè)備內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)更多地基于底層驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)底層原理的理解運(yùn)用，而網(wǎng)元單元更多的是網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)相結(jié)合的技術(shù)。
4.1 常見的南北向接口
? OpenFlow
OpenFlow是一種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，伴隨SDN誕生，可以說是最早的南向協(xié)議，屬于數(shù)據(jù)鏈路層，能夠控制網(wǎng)上交換器或路由器的轉(zhuǎn)發(fā)平面（forwarding plane），借此改變網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包所走的網(wǎng)絡(luò)路徑。
? Netconf
IETF在2003年5月成立了Netconf工作組，該工作組主要是為了提出一個(gè)全新的基于XML的網(wǎng)絡(luò)配置（Netconf）協(xié)議而成立的。該工作組已于2006年12月通過了Netconf協(xié)議的基本標(biāo)準(zhǔn)RFC4741-4744，2011年6月RFC6241、RFC6242替代了原有的 RFC4741、RFC4742，RFC4743和 RFC4744則被標(biāo)記為歷史資料。
? PCEP
路徑計(jì)算單元協(xié)議（Path Computation Element Protocol，PCEP）：為MPLS網(wǎng)絡(luò)域間流量工程（Traffic Engineering，TE）等應(yīng)用提出的，以支持集中化的路徑計(jì)算。
如上所述，云網(wǎng)關(guān)也有一套自己的南北向?qū)臃绞健?/strong>
4.2 “云網(wǎng)關(guān)”網(wǎng)元對(duì)接接口
云網(wǎng)關(guān)的控制面負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾?、流量調(diào)度、安全管理和業(yè)務(wù)訂單管理等功能。換言之，控制面需要與轉(zhuǎn)發(fā)面對(duì)齊相關(guān)信息，以便在數(shù)據(jù)傳輸通道（如統(tǒng)計(jì)和調(diào)度）和網(wǎng)絡(luò)信息通道（如拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)）中進(jìn)行交互。
? 普通數(shù)據(jù)通道
云網(wǎng)關(guān)實(shí)際部署時(shí)，發(fā)現(xiàn)常常需要將云網(wǎng)關(guān)部署在私有局域網(wǎng)，而云管平臺(tái)（控制面）則部署在公網(wǎng)中，故云網(wǎng)關(guān)在設(shè)計(jì)時(shí)，使用Websocket在轉(zhuǎn)發(fā)面和控制面之間建立了一個(gè)TCP長連接雙向通道，但是由于Websocket的重傳機(jī)制不太友好，同時(shí)需要為轉(zhuǎn)發(fā)面控制面另外預(yù)留一條HTTPS的網(wǎng)絡(luò)接口用于數(shù)據(jù)發(fā)送接收。
傳輸?shù)南⒏袷剑捎肦estFul風(fēng)格設(shè)計(jì)，能夠快速便捷地進(jìn)行設(shè)備編排管控。
? 網(wǎng)絡(luò)信息通道
網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫占屯負(fù)渥陨?，是路徑調(diào)度，網(wǎng)絡(luò)編排的基礎(chǔ)，僅這個(gè)模塊就是非常復(fù)雜的。云網(wǎng)關(guān)在設(shè)計(jì)過程中，依賴了BGP的能力，在一定場景下（云網(wǎng)關(guān)作為POP設(shè)備時(shí)），通過BGP-LS能力和控制器建立BGP-LS鄰居，云網(wǎng)關(guān)通過BGP的路由屬性，攜帶計(jì)算好的拓?fù)湫畔⒅量刂破?，控制器通過BGP協(xié)議能夠快速解析生成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>
然而，該方案需要控制器支持南向BGP-LS接口，因?yàn)锽GP-LS是BGP的一種擴(kuò)展屬性，很多設(shè)備和控制器不一定能夠支持。云網(wǎng)關(guān)在設(shè)計(jì)過程中，結(jié)合POP探究場景，提出了一種基于SRv6的拓?fù)淇焖偕煞椒ǎ⑸暾?qǐng)了相關(guān)專利，在該方案中，控制器只要擁有普通數(shù)據(jù)通道即可快速或許拓?fù)湫畔ⅰ?/p>
4.3 “云網(wǎng)關(guān)”設(shè)備內(nèi)部轉(zhuǎn)控對(duì)接
回到設(shè)備內(nèi)部，上文提到了設(shè)備內(nèi)部也需要面臨轉(zhuǎn)控對(duì)接的問題。同樣，也存在兩個(gè)具體的南北向通道大類，一個(gè)是數(shù)據(jù)交互通道，一個(gè)是控制報(bào)文交互通道。
? 數(shù)據(jù)交互通道
設(shè)備內(nèi)部的數(shù)據(jù)交互通道，是用來下發(fā)設(shè)備內(nèi)部控制面計(jì)算好的路由，IP以及ARP等信息，以數(shù)據(jù)的形式下發(fā)至轉(zhuǎn)發(fā)面，轉(zhuǎn)發(fā)面拿到相關(guān)信息調(diào)用相應(yīng)接口，在轉(zhuǎn)發(fā)面增刪改這些基本信息。
在云網(wǎng)關(guān)中，數(shù)據(jù)通道利用了Linux內(nèi)核自帶的Netlink消息作為載體，控制面進(jìn)程在計(jì)算完信息后，如BGP協(xié)議建立BGP鄰居通過路由重分布獲取到路由，控制面進(jìn)程通過路由屬性判斷好路由優(yōu)先級(jí)，最終加入FIB轉(zhuǎn)發(fā)表中時(shí)，除非Netlink消息，發(fā)送至設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)程，由于數(shù)據(jù)量可能會(huì)很大，轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)程結(jié)合Epoll機(jī)制，創(chuàng)建大量Socket，最終實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)信息下發(fā)。
? 控制報(bào)文交互通道
上文提到了，設(shè)備內(nèi)部控制面還要負(fù)責(zé)控制報(bào)文協(xié)商，比如BGP的OPEN報(bào)文，IPsec的IKE等。那么如何將這部分報(bào)文從轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)程中分離出來，通過哪種途徑通道將數(shù)據(jù)包發(fā)送到控制面，控制面如何發(fā)送給轉(zhuǎn)發(fā)面。不過作為控制報(bào)文，可以犧牲一小部分性能。
云網(wǎng)關(guān)在設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)這塊采用了通過Linux內(nèi)核驅(qū)動(dòng)創(chuàng)建Tun/Tap口，轉(zhuǎn)發(fā)面和控制面均通過這個(gè)虛擬硬件口收發(fā)控制報(bào)文，云網(wǎng)關(guān)同時(shí)針對(duì)這個(gè)方案進(jìn)行了Linux內(nèi)核驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化修改，提升了幾倍性能。
5、“云網(wǎng)關(guān)”的應(yīng)用和未來
云網(wǎng)關(guān)的研發(fā)和推出，完成了許許多多的技術(shù)積累和創(chuàng)新突破，積累了一定技術(shù)能力，以轉(zhuǎn)控對(duì)接技術(shù)為例，這類技術(shù)不僅僅在云網(wǎng)關(guān)上適用，相應(yīng)的技術(shù)創(chuàng)新和積累還可以在整個(gè)SDN網(wǎng)絡(luò)以及未來將要構(gòu)建的算網(wǎng)底座中使用。
除了完成技術(shù)創(chuàng)新和積累，中國移動(dòng)智慧家庭運(yùn)營中心將以云網(wǎng)關(guān)為基礎(chǔ)，研發(fā)部署云化業(yè)務(wù)插件、基于SFC業(yè)務(wù)鏈技術(shù)的調(diào)度系統(tǒng)， 面向不同客戶場景，通過家庭網(wǎng)絡(luò)調(diào)度能力，實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)安全、應(yīng)用加速等增值服務(wù)快速加載部署，滿足不同家庭場景需求。
未來，中國移動(dòng)智慧家庭云網(wǎng)關(guān)還將持續(xù)賦能更多產(chǎn)業(yè)合作伙伴、衍生更多使用場景，做大生態(tài)圈，為家庭、泛家庭用戶提供更加人性化的業(yè)務(wù)服務(wù)。
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