转发技术风雨三十年
引子
2000年
大学报道，为了给家人报平安，小O在电话亭足足排了2小时。
这些都是那个年代的符号，朋友为了测试通话质量是否OK，浪费了小O六角钱至今仍让人耿耿于怀……
2010年
乔布斯和他的革命性产品–苹果手机问世，世界从此改变。
从90年代到现在，应用从少至多，从单调到丰富。那么，支撑这些应用的网络，它的转发方式经历了哪些变化呢？
IP起航
90年代校园局域网大获发展，web、bbs、甚至音乐视频点播服务层出，但网络出口小，2M专线已属高配。
路由器，连接局域网和广域网，根据静态或动态的路由信息，生成转发表，到达路由器的IP报文就可以根据转发表把报文从目的端口发到下一跳。
第一代转发架构
最早期的路由器甚至就是普通的计算机加多个网卡构成，当时流量小，主频很低、实时性很差的CPU也能够应付带宽需求。
第一代转发架构：集中转发、总线交换
特点：
单核单线程，控制转发合一，没有并行处理、保序、pipeline，架构简单实用。
第二代转发架构
随着网络用户增多、网络流量增大，需提高网络接口数量，降低CPU、总线负担。
第二代转发架构：集中+分布转发、接口模块化、总线交换
接口智能化
- 常用路由信息：接口卡Cache路由表直接转发
- 其他报文：CPU处理
第三代转发架构
Web技术导致用户访问量拓宽，一方面，Cache经常找不到路由，总线、CPU瓶颈效应出现；另一面，联网计算机增加后路由器接口数量不足。
第三代转发架构：分布转发、总线交换
路由与转发分离
- 主控板：管理设备、收集/计算路由、下发路由表
- 业务板：根据路由表独立路由转发
- 总 线：业务板之间的数据转发独立于主控板
并行高速处理，性能成倍提高，90年代中期主流设备。
第四代转发架构
后Web时代核心网络的流量以指数级数增长，基于软件的IP路由器无法再满足带宽的要求，ASIC实现应运而生。
第四代转发架构：ASIC分布转发，网络交换
- ASIC:转发过程通过硬件方式实现
- CrossBar:无阻塞交换方式，解决内部交换瓶颈
诞生了早期的千兆交换式路由器GSR
IP黄金十年
中国互联网海外上市并迅速破灭，引发对网络的理性思考，业界认为需要从业务、运维、管理、安全的角度重新思考互联网的未来，网络处理器（NP）登上舞台。
一款革命性的NP：IXP1200
- 包转发引擎*6个：指令空间和寄存器独立，内存和总线共享；可编程；具有2K条指令空间；为包转发处理设计了移位、Bit操作、比较、跳转等单条指令。
- 硬线程*4：指令空间共享，寄存器可独立或共享。可充分发挥并行性。
- 性能可达到同规格单核单线程CPU的24倍（理论值）
第五代转发架构
第五代转发架构：NP分布转发、网络交换
网络处理器（NP）提升吞吐量的关键：流水线处理和并行处理。
- 流水线方式：报文处理分段：接收、解析、查找、修改、发送……，在减少指令总数、缩短处理时间的同时，简化指令和引擎设计，提升执行效率。
- 并行处理：充分发挥所有处理器所有硬线程的威力，隐藏IO访问时延。
流水线方式+并行处理，满足带宽要求，满足复杂业务不降低整体性能的要求。
网络处理器的另一个大杀器就是灵活编程，灵活编程在应对VPN、MPLS网络、IPV4/IPV6混合网络、精细的流量管理、各种安全网关以及BT这种高带宽但不增值的数据流识别与限制上得心应手。
网络处理器为产业发展立下汗马功劳，但世事难料，IXP、Xelerated、EZchip等早期英雄被并风潮后，NP黯然退场。
NP消退必然因素：
- 诞生“原罪”：是性能和灵活性折中的产物，性能比不过ASIC、灵活性比不过CPU。
- 开发门槛：从微码到C语言，写出高性能的转发软件难度大。
- 无OS裸跑:迁移工作量大且不增值。大厂不重视，产业链不成熟。
基于MIPS（Million Instructions Per Second）架构开发的商业多核芯片，将网络连接、负载均衡、加/解密、应用加速等功能集成在一个芯片上，即片上系统SoC，在高度灵活性和较高性能方面，找到了最佳平衡点。
多核处理器一度被认为是完美的处理器，在40Gbps甚至80Gbps以下所向无敌，在安全、业务路由器、L4+报文处理领域完全独领风骚。
多核和NP区别：
- 多核处理器的CPU通用，可运行vxworks或者Linux；
- 多核处理器没有NP的指令空间限制，包转发处理可以是流水线或RTC（Run-to-Completion）模式；
- 基于Linux的SMP降低开发和移植难度；
继往开来
SDN
谷歌在全球有几十个数据中心，每个数据中心有数十万台服务器和上千台交换机。为了减少数据中心互联的带宽成本、提高利用率，谷歌引入了SDN/OpenFlow。
- 高优先级流量只占10%-15%，对数据中心流量分级:
- 用户数据备份至远程数据中心：数据量小、延迟敏感、高优先级
= 多个数据中心数据同步：数据量大、延迟不敏感、低优先级 - 远程存储访问进行分布式计算
流量分级需要的配合：应用所需的带宽预估；低优先级应用无法保证带宽和丢包；需要一个中心控制系统分配带宽。
SDN使谷歌的网络带宽利用率大大提高，网络更稳定，管理简化了，Cost降低了。将原来网络设备盒子中的控制分离出来集中到Controller，以及基于流表的交换机取代原来各种路由器交换设备，是SDN/OpenFlow最核心的两个点。
OpenFlow将数据面的交换机行为进行了统一，如果推动整个产业链的话，硬件成本将大幅下降。但这一过程异常艰难，除利益既得者会想尽一切办法阻止这一进程，技术上也是困难重重。
DPDK
NFV通过基于行业标准的x86服务器、存储和交换设备，来取代通信网的那些私有专用的网元设备，可节省成本，并通过API获得更加灵活的网络能力。
但NFV里没有NP、ASIC或多核处理器，x86中的转发性能怎么解决呢？
DPDK（Data Plane Development Kit），配合Intel的高速网卡和IO虚拟化技术，解决了x86服务器这些年来最让人诟病的IO性能问题，NFV也因此有胆量抛弃所有的非标准，（非x86cpu、非intel网卡或不支持IO虚拟化的网卡）组件。
DPDK提供了一系列用于报文处理的库函数和驱动，提供的L3转发模型在Intel最新的CPU上可以达到28Mpps/core性能，比linux内核态IO性能提升几十倍。
DPDK相对NP和多核处理器在报文处理上并无过人之处，但X86在转发领域的不完美，“倒逼”DPDK解决X86的短板。
在硬件通用化、虚拟化大行其道的今天，DPDK的地位已经无法撼动，NFV明确要把DPDK加速纳入标准体系，所有的x86平台上只要跟IP相关，都逃不脱DPDK的绑架。
而NP已经被逼到只能和ASIC竞争高端路由交换市场，多核处理器也只能自降身份，沦为x86的配角，在智能网卡领地求得一丝喘息。
P4
OpenFlow协议作为SDN最流行的南向协议广受关注，但OpeFlow交换机还不能提供更好的可编程能力。P4(Programming protocol-independent packet processors)是种高级“协议独立数据包处理编程语言”。
主要优点：
- 可灵活定义转发设备数据处理流程，且可以做到转发无中断的重配置。
- 协议无关。交换设备无需关注协议语法语义等内容，就可以完成数据处理。
- 设备无关。无需关心底层设备的具体信息，P4编译器会将通用的P4语言处理逻辑编译成设备相关的指令，完成转发设备的配置和编程。
P4语言支持对交换机处理逻辑进行编程定义，使得协议版本在更新迭代时无需购买新设备，只需通过控制器编程更新交换机处理逻辑即可。这种创新解决了OpenFlow编程能力不足，版本不稳定的问题。此外，这也让底层交换机更加白盒化，适用范围更广，更容易降低设备采购成本，也解除了服务提供商对网络设备厂家绑定的顾虑。
自诞生以来，P4得到了业界的关注和认可，被认为将成为OpenFlow2.0的可能方向。不过，作为完全可编程的SDN实现，性能问题是其需要面临的大问题，也是急需解决的技术难题。
SmartNIC
软件方案并不能提供足够的网络可靠性和服务质量，而具有高级可编程功能的智能网卡（SmartNIC），在虚拟化网络中扮演非常重要的角色。
智能网卡核心：
- 通过FPGA协助CPU处理网络负载，编程网络接口功能。
- FPGA（Field－Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。
Smart NIC能提升应用程序和虚拟化性能，实现SDN和NFV的诸多优势，将网络虚拟化、负载均衡和其他低级功能从服务器CPU中移除，确保为应用提供最大的处理能力。
与此同时，智能网卡还能够提供分布式计算资源，使用户可以开发自己的软件或提供接入服务，从而加速特定应用程序。
结束语
从IP到SDN、NFV、DPDK、P4、SmartNIC……转发技术的变革大潮已势不可挡，随着5G、物联网的迎到来，ICT的完全融合、云计算承载一切，大数据主导一切，互联网将引来第二次革命。
未来已来，拭目以待。
注：本文原作者岳青伦，原标题《转发技术风雨三十年，你经历过……》，小O对内容进行了改编。可点击“阅读原文”查看更详细内容。
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