화이트박스 스위치 기술 개요

화이트박스 스위치는 지난 XNUMX년 동안 빠르게 발전했습니다. ONF(Open Networking Foundation), Linux Foundation, OCP(Open Compute Project), Telecom Infra Project(Telecom Infra Project, TIP) 및 기타 오픈 소스 조직이 상당한 기여를 했습니다. 화이트박스 스위치는 소프트웨어와 하드웨어가 분리된 개방형 네트워크 장치입니다. 소프트웨어와 하드웨어를 통합하는 기존의 폐쇄형 스위치와 비교할 때 다음과 같은 장점이 있습니다.

우선 화이트박스 스위치는 개방형 장치 아키텍처와 소프트웨어와 하드웨어를 분리한다는 아이디어를 채택했습니다. 비즈니스 요구 사항에 따라 기본 하드웨어 및 상위 계층 소프트웨어를 사용자 지정할 수 있습니다. 기존 스위치 소프트웨어 및 하드웨어의 번들 구매 및 독점 사용과 비교하여 스위치 구매 비용을 크게 줄일 수 있습니다. 또한 소프트웨어 기능 면에서도 오픈소스 소프트웨어를 기반으로 XNUMX차 개발을 진행할 수 있어 개발 주기와 비용을 절감할 수 있다.

둘째, 화이트박스 스위치는 하드웨어 데이터 플레인 프로그래밍 기능과 소프트웨어 컨테이너식 배포를 지원합니다. 소프트웨어 정의 방법을 통해 데이터 평면 전달 논리를 사용자 지정하고 최신 클라우드 컴퓨팅 기술을 최대한 활용하여 네트워크 기능을 빠르게 업그레이드하고 반복하여 네트워크 유연성, 민첩성 및 네트워크 성능을 개선합니다. 또한 컨테이너식 배포를 통해 관리, 운영 및 유지 보수를 통합적으로 간소화할 수 있어 네트워크 운영 및 유지 보수 비용을 절감할 수 있습니다.

마지막으로, 스위치의 화이트 박스는 칩 제조업체, 장비 제공업체, 클라우드 서비스 제공업체 및 통신 사업자와 같은 업스트림 및 다운스트림 스위치 회사에서 만장일치로 인정했습니다. 이것은 화이트박스 오픈소스 생태의 발전과 산업생태를 연결하여 번영하는 화이트박스 네트워크를 형성할 수 있다. 네트워크 생태는 궁극적으로 네트워크의 지속적인 혁신과 진화를 촉진하고 현재 비즈니스 문제를 해결하며 미래의 네트워크 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

현재 화이트박스 스위치는 산업화 능력을 갖춘 네트워크 생태계를 형성하고 있다. 그들은 상용 프로그래머블 칩에서 화이트 박스 하드웨어 장치의 표준화, 통합 칩 인터페이스에서 오픈 소스 스위칭 운영 체제에 이르기까지 발전했습니다. 이 글은 먼저 화이트박스 스위치의 발전사를 간략히 설명한 후, 오픈소스 생태학과 산업생태학의 관점에서 화이트박스 스위치의 현황을 소개하고, 마지막으로 화이트박스 스위치와 관련된 향후 개발 동향에 대해 설명한다. .

흰색의 발전 역사-박스 스위치

1998에서, IBM, Compaq, Dell 등이 잇달아 상용 Linux 시스템을 사용하기 시작했고, 이들의 네트워크 기술과 관련 생태계가 빠르게 발전하기 시작했습니다.

2008에서, Linux는 데이터 센터 시나리오에서 대용량, 고대역폭 도메인 내 데이터 전송 서비스를 제공하기 위해 스위칭 칩과 결합하기 시작했습니다.

Linux 스위치의 상업적 개발을 더욱 촉진하기 위해 Nippon Electric(NEC)과 Hewlett-Packard(HP)는 스위치 소프트웨어 기술 연구를 시작하고 OVS(OpenVSwitch) 기반의 개방형 소프트웨어 스위치 출시 2010년. 네트워크의 리소스와 기능은 전례 없이 공개되었으며 네트워크 운영은 자동화 및 인텔리전스를 향해 이동하기 시작했습니다.

2011에서, 스위치 소프트웨어 기술을 기반으로 OCP 및 기타 조직은 스위치 가상화 기술에 관심을 기울이기 시작했습니다. 스위치 하드웨어 화이트박스 표준화 시작, ONIE(Open Network Install Environment), FBOSS(Facebook Open Switching System), 장치 관리 소프트웨어, ODL(OpenDaylight) 컨트롤러 표준 문서를 출시하여 SDN 분야에서 큰 돌파구를 마련했습니다. 및 흰색 상자 스위치.

2015에서, OCP는 최초의 화이트박스 스위치인 Wedge를 성공적으로 출시했습니다. 동시에 통신 분야에서 OVN(Open Virtual Network), 가상화된 SDN 네트워크, ONL(Open Network Linux) 운영 체제, ONOS(Open Network Operating System) 컨트롤러, OpenNFV 및 CORD와 같은 가상화 및 화이트박스 프로젝트는 도 속속 등장했다.

2016 이후, 화이트 박스 장비, 소프트웨어 운영 체제 및 네트워크 자동화와 같은 기술이 활발하게 발전했습니다. Microsoft의 SONiC(Software for Open Networking in the Cloud), HP의 OpenSwitch, AT&T의 DANOS(Disaggregated Network Operating System), Google의 NG-SDN용 Stratum 등 오픈 소스 스위치 운영 체제가 속속 등장하고 있습니다. (차세대 SDN). 동시에 ONAP, P4Runtime 인터페이스, Trellis와 같은 네트워크 관리 및 제어 솔루션도 등장하고 있으며 화이트박스 스위치와 관련된 네트워크 기술은 전례 없이 번성하고 있습니다.

화이트 박스 스위치의 오픈 소스 생태계는 주로 국내외의 여러 오픈 소스 조직을 중심으로 이루어집니다.

1). 화이트 박스 스위치에 대한 하드웨어 표준의 공식화를 담당하는 개방형 컴퓨팅 프로젝트;

2). 화이트박스 스위치에서 SDN 관련 기술의 개발 및 구현을 촉진하는 Open Networking Foundation,

삼). 통신 네트워크 인프라 구축 및 배포의 전통적인 방법을 변경하기 위해 화이트 박스 스위치 기술의 사용을 탐구하는 통신 인프라 프로젝트;

4). 오픈 소스 데이터 센터 위원회(Open Source Data Center Committee)는 국내 기관과 협력하여 데이터 센터 인프라를 중심으로 개방적이고 협력적이며 혁신적이며 상생하는 개발을 수행합니다.

개방형 네트워킹 재단

OCP(Open Computing Project)는 Facebook, Intel, Rackspace, Goldman Sachs 및 Andy Bechtolsheim이 오픈 소스 디자인을 공유하기 위해 2011년에 시작한 오픈 하드웨어 프로젝트입니다. 빠르게 성장하는 글로벌 협동조합 커뮤니티가 되었습니다. OCP는 증가하는 컴퓨팅 인프라 수요를 지원하기 위해 보다 효율적이고 유연하며 확장 가능한 하드웨어 기술을 재설계하는 데 중점을 둡니다. OCP는 개인과 조직이 다른 사람과 지적 재산을 공유할 수 있는 아키텍처를 제공하고 오픈 소스 하드웨어와 소프트웨어의 결합을 통해 서비스, 스토리지 및 데이터 센터 기술의 개방성과 대중화를 촉진합니다.

ONF(Open Network Foundation)는 SDN의 주요 지지자인 Nick McKeown과 Scott Shenker가 2011년에 설립한 네트워크 분야의 오픈 소스 조직입니다. SDN의 개발 및 구현을 촉진하는 것을 목표로 하며 SDN 분야에서 인정받는 리더이자 표준 전달자입니다. ONF는 처음부터 SDN을 사업자, 장비 공급업체 및 서비스 제공업체가 일반적으로 인정하는 차세대 네트워크 기술로 발전시키는 데 성공했습니다.

TIP(Telecom Infra Project)는 2016년 페이스북이 주도한 통신 분야의 개방형 조직이다. 기존의 통신 네트워크 인프라 구축 및 구축 방식을 공동 협력을 통해 변화시켜 새로운 기술을 개발하는 것을 목표로 한다.

ODCC(Open Data Center Committee)는 중국 통신 표준 협회(China Communications Standards Association)의 지도 하에 개방, 협력, 혁신 및 상생을 목표로 합니다. 서버, 데이터 센터 시설, 네트워크, 신기술 및 테스트, 에지 컴퓨팅, 지능형 모니터링, 관리 등에 중점을 둡니다.

화이트박스 스위치 산업 생태계에서는 업스트림 장비 제공업체에서 다운스트림 클라우드 서비스 제공업체 및 통신 사업자에 이르기까지 완전한 산업 생태계 체인이 형성되었습니다. 장비 공급업체에는 주로 시장에 오프너 화이트박스와 같은 장비 솔루션을 제공하는 Cisco 및 H3C가 포함됩니다. 클라우드 서비스 제공자는 주로 구글, 마이크로소프트, 알리바바, 텐센트 등이 있으며, 화이트박스 스위치의 운영체제를 연구하고 이를 활용하여 새로운 운영체제를 홍보하기 시작했다. 통신 사업자에는 주로 AT&T, China Mobile, China Unicom, China Telecom 등이 포함됩니다. 이들은 비즈니스 전환 및 네트워크 재구성을 위해 화이트 박스 스위치를 사용합니다.

디바이스가 제어하는 ​​세분성 측면에서 화이트박스 네트워크 디바이스의 개발은 지금까지 두 단계를 거쳤다. 첫 번째 단계에서 네트워크 장비와 소프트웨어는 네트워크 소유자가 중앙에서 제어합니다. 네트워크 장치의 기능 또는 프로토콜은 원격으로 수정 및 구성할 수 있습니다. 이 단계에서 네트워크 장비/소프트웨어/인터페이스는 상대적으로 폐쇄적이며 프로토콜 상호운용성이 낮고 포워딩 로직이 견고하며 새로운 프로토콜/기능의 개발 시간이 길며 연구 개발 비용이 많이 들어 유연하고 다양한 요구 사항을 충족할 수 없습니다. 새로운 네트워크 기능.

따라서 네트워크 장비는 개방형 장비 아키텍처 및 제어 가능한 데이터 패킷 전달의 두 번째 단계로 점차 발전했습니다. 원래 고정된 파이프라인은 유연하고 프로그래밍 가능한 PISA(Protocol-Independent Switch Architecture)로 변환되었습니다. OVS, SONiC, FBOSS, FRR(FRRouting), ONOS와 같은 오픈 소스 네트워크 소프트웨어의 등장으로 불투명하고 폐쇄적인 네트워크가 투명하고 개방적으로 변했습니다.

PISA(프로토콜 독립 스위치 아키텍처)

네트워크의 규모가 계속 확장되고 서비스 유형이 계속 증가하며 네트워크 관리 및 제어의 어려움이 계속 증가하고 있습니다. 이를 고려할 때 네트워크 장비 관리는 전문 인력에 의한 관리 및 유지 보수 방식을 버리고 5G를 포함한 end-to-end 화이트박스 개방형 시스템을 구축하여 end-to-end, top-down, 완전한 소프트웨어- 정의된 프로그래밍 가능성. 소프트웨어와 하드웨어의 고급 분리, 유연한 프로그래밍 가능성, 온디맨드 변경이 가능한 개방형 네트워크 아키텍처를 채택해야 합니다. 또한 다양한 산업의 차별화되고 맞춤형 네트워크 요구 사항을 충족하고 네트워크와 실물 경제의 심층 통합을 가속화하기 위해 노력해야 합니다.

네트워크 관리 평면의 경우 네트워크 관리자는 상단에서 관리 동작을 설명하기만 하면 지능형 네트워크 관리의 폐쇄 루프를 구축할 수 있습니다. 네트워크는 동작에 따라 자동으로 분할, 컴파일 및 실행됩니다. 네트워크 리소스(클라우드, ISP 및 5G 네트워크 포함)는 프로그래밍 가능한 캐리어로 간주됩니다. 일일 검증 및 실시간 점검은 소프트웨어 자동화를 통해 수행됩니다.

폐쇄형 지능형 네트워크 관리

위의 기능을 구현하려면 다음 세 가지 핵심 기술을 마스터해야 합니다.

(1) 높은 제어 가능한 유지 관리: 네트워크 리소스의 밀리초 수준 상태 감지를 실현하기 위한 고성능 BFD(양방향 전달 감지)에 대한 연구;

(2) 고정밀 네트워크 인식: INT(In-band Network Telemetry) 및 Telemetry 등을 기반으로 고정밀 네트워크 측정 연구를 수행하고 대역 내 네트워크 원격 측정을 구현하고 각 데이터 패킷 또는 모든 상태가 올바른지 확인합니다. "옳은";

(3) 효율적인 네트워크 스케줄링: 트래픽 대역폭 및 경로의 효율적인 스케줄링 및 제어를 달성하기 위해 대규모 네트워크에 적합한 SR 라우팅 메커니즘.

 

화이트 박스 스위치는 하드웨어 선택 및 적응뿐만 아니라 여러 가지 새로운 네트워크 기술을 포함하여 여러 수준의 협력을 포함합니다. 화이트 박스 스위치와 관련된 아키텍처 및 기술을 분류하고 이 분야의 기술 연구 및 생태 건설을 더 잘 추진하기 위해 이 장에서는 소프트웨어 및 하드웨어 디커플링 기술, 프로그래밍 가능한 네트워크 기술, 하드웨어 가속 기술 및 화이트박스 보안 기술.

1. 소프트웨어 및 하드웨어 분리 기술

AT&T는 화이트 박스 스위치 에코시스템을 XNUMX개의 계층으로 나눕니다.

• 하드웨어 1 계층: 상용 칩 계층은 기본 스위칭 및 전달을 담당합니다. 현재 이 레이어에 대한 엄격한 표준은 없습니다.
• 소프트웨어 1계층: 칩의 기능을 추출하고 상위에 서비스를 제공하는 칩 인터페이스 계층. 이 계층은 원칙적으로 표준화가 필요하지만 시간이 걸립니다.
• 하드웨어 2 계층: 하드웨어 장치에 대한 네트워크 기능 설계 참조를 제공하는 네트워크 기능 참조 설계 계층. 이 계층은 주로 OCP 프로젝트에서 공식화한 하드웨어 장치 네트워크 기능의 참조 설계를 포함합니다.
• 소프트웨어 2 계층: 네트워크 운영 체제 및 프로토콜 계층은 평면 제어 및 관리 기능을 구현하는 역할을 합니다. 이 계층은 주로 네트워크 운영 체제와 가장 중요한 계층인 상위 계층 네트워크 프로토콜 응용 프로그램을 포함합니다.

2. 네트워크 프로그래밍 가능 기술

제어 평면은 주로 상태 모니터링, 의사 결정 전달, 데이터 평면 트래픽 처리 및 스케줄링을 포함하여 기본 네트워크 스위칭 장비에 대한 중앙 집중식 관리를 수행하고 링크 검색, 토폴로지 관리, 정책 공식화 및 테이블 항목 전달과 같은 기능을 실현합니다. 상향 작업은 상위 계층 비즈니스 애플리케이션 및 자원 관리 시스템을 위한 유연한 네트워크 자원 추상화를 제공하고 여러 수준의 프로그래밍 가능한 기능을 개방하기 위해 노스바운드 인터페이스를 통해 이루어집니다.

여러 수준의 프로그래밍 가능 기능

제어 평면 프로그래밍 가능 기술의 개발은 다음과 같은 이점을 가져올 것입니다.

1) 화이트박스 스위치는 기존 서버 관리 도구를 사용하여 네트워크 자동화를 달성할 수 있는 서버와 유사한 네트워크 운영 체제를 사용하고 오픈 소스 서버 소프트웨어 패키지에 대한 쉬운 액세스를 지원합니다. 또한 서버에서와 똑같은 구성 관리 인터페이스를 스위치에서 사용하여 혁신 속도를 높일 수 있습니다.

2) 기존 스위치의 특수 네트워크 환경을 보다 일반적인 환경으로 전환하여 네트워크 서비스를 효율적으로 확장 및 관리하고 화이트 박스 스위치의 프로그래밍 가능성 및 네트워크 가시성을 향상시킵니다.

3) API 및 컨트롤러를 통해 스위치의 네트워크 운영 체제에서 동적 프로그래밍을 실현할 수 있습니다. 또한 필요한 네트워크 기능(예: 네트워크 스플리터)을 작성하여 각 스위치의 하드웨어 배포를 줄이고 네트워크 관리 및 모니터링을 중앙 집중화합니다.

기존 데이터 평면은 전체 유선 속도 칩 논리로 완성되는 하드웨어 칩에서 네트워크의 모든 메시지 처리 및 전달 논리를 통합하여 네트워크 성능을 크게 향상시킵니다. 그러나 오늘날의 상위 계층 비즈니스 및 기본 네트워크에 대한 제어 소프트웨어의 증가하는 요구 사항을 충족할 수 없습니다. 전달 평면은 고정 기능 ASIC 칩에 의해 크게 제한됩니다.

기존 스위치 칩과 프로그래밍 가능한 스위치 칩

프로그램 가능한 네트워크 기술의 핵심은 프로그램 가능한 특성을 가진 스위치 칩입니다. 즉, 칩의 메시지 처리 및 전달 논리는 소프트웨어를 통해 필요에 따라 조정할 수 있습니다. 현재 프로그래밍 가능한 스위칭 칩의 하드웨어 캐리어는 ASIC과 FPGA(Field Programmable Gate Array)의 조합입니다.

3. 하드웨어 가속 기술

대부분의 시나리오에서 스위치는 네트워크 데이터 패킷의 전송을 담당하며 데이터 패킷이 최종적으로 대상 서버에 도착한 후 처리 및 계산이 수행됩니다. 그러나 CPU 및 스위칭 칩의 성능 병목 현상에 의해 제한되는 네트워크 트래픽의 급격한 증가로 인해 기존 데이터 플레인 아키텍처는 더 이상 낮은 대기 시간 및 높은 전송에 대한 사용자 요구 사항을 충족할 수 없습니다.

위의 문제를 해결하기 위해 스마트 네트워크 카드 및 FPGA와 같은 하드웨어 가속 카드를 데이터 평면에 통합할 수 있으며 하드웨어 가속 기술을 사용하여 네트워크 트래픽을 언로드할 수 있습니다. CPU/스위치 칩의 전체 네트워크 대기 시간과 리소스 소비를 줄이면 네트워크의 전체 성능과 서비스 품질을 크게 향상시킬 수 있습니다.

기존 스위치 아키텍처 대 CPU+SmartNIC 아키텍처 

데이터 플레인은 CPU+SmartNIC의 이기종 조합을 사용할 수 있습니다. CPU는 고속 PCIe 인터페이스를 통해 SmartNIC에 연결됩니다. 전달 프로세스 중에 데이터 패킷에 대한 특수 처리가 필요한 부분(대량의 CPU 리소스를 소모하거나 큰 하드웨어 처리 이득이 있는 네트워크 기능)을 스마트 네트워크 카드로 직접 오프로드할 수 있습니다. 이 조합 방식은 정상적인 네트워크 패킷 전달을 실현할 수 있을 뿐만 아니라 장치의 처리 기능을 강화하여 화이트박스 스위치의 성능을 효과적으로 개선하고 네트워크 지연을 줄일 수 있습니다.

4. 화이트박스 보안기술

화이트박스 스위치의 개방형 아키텍처에는 무시할 수 없는 보안 문제가 있습니다. 예를 들어 ONIE를 사용하면 하드웨어를 교체하지 않고도 네트워크 운영 체제(Big Switch Networks, Cumulus Networks 등과 같은 공급업체의 네트워크 운영 체제 부팅 및 복원 포함)를 배포하거나 교체할 수 있습니다.

인증 및 암호화 부족을 포함하여 ONIE의 취약점과 결함을 이용하여 해커는 스위치의 부팅 단계(즉, 운영 체제가 완전히 로드되기 전) 동안 악성 코드를 삽입할 수 있습니다. 로드된 악성 코드는 부팅 단계에서 운영 체제의 보안 소프트웨어를 실행할 수 없기 때문에 알려진/좋은 구성 요소로 간주됩니다. 공격이 감지되더라도 사용자가 펌웨어를 교체하여 악성 코드를 제거하는 데 많은 비용이 소요될 수 있습니다.

5. 장치 아키텍처

화이트 박스 스위치는 하드웨어와 소프트웨어의 두 부분으로 나뉩니다. 하드웨어에는 일반적으로 스위칭 칩, CPU 칩, 네트워크 카드, 스토리지 및 주변 하드웨어 장치 등이 포함됩니다. 인터페이스 및 구조는 OCP 표준화 사양을 준수해야 합니다. 소프트웨어는 NOS(네트워크 운영 체제) 및 해당 웹 응용 프로그램을 나타냅니다. 화이트박스 스위치에서 NOS는 일반적으로 ONIE와 같은 기본 소프트웨어 플랫폼의 안내를 통해 설치됩니다. 칩 인터페이스 계층(예: SAI)은 스위칭 칩의 하드웨어 기능을 통합 인터페이스로 캡슐화하여 상위 계층 애플리케이션과 기본 하드웨어를 분리합니다. 특히 상위 계층 응용 프로그램은 네트워크의 프로그래밍 가능한 기능을 제공하기 위해 칩 인터페이스를 호출하여 기본 전달 논리를 사용자 지정합니다.

하드웨어 및 소프트웨어 수준

하드웨어 전달 계층에는 일반적으로 다음 유형의 장치가 포함됩니다. 1) 스위치 칩: 데이터를 전달하는 데 사용됩니다. 2) CPU 칩: 주로 시스템 작동을 제어합니다. 3) 네트워크 카드: CPU 측 관리 기능을 제공합니다. 4) 저장 장치: 메모리, 하드 디스크 등을 포함합니다. 5) 주변 장치 하드웨어: 팬, 전원 공급 장치 등을 포함합니다. 그 중 스위칭 칩은 스위치의 기본 데이터 패킷의 스위칭 및 전달을 담당하며 스위치의 핵심 구성 요소입니다.

CrehanResearch에 따르면 2018년 Amazon, Google 및 Facebook의 화이트 박스 스위치 구매는 전체 시장 규모의 20분의 XNUMX를 초과했지만 데이터 센터 스위칭에서 화이트 박스 스위치의 전체 시장 채택은 다음 범위 내에 있습니다. XNUMX%.

그러나 Amazon, Google 및 Facebook이 더 새롭고 더 빠른 네트워크 속도에 대한 요구를 충족하기 위해 이러한 장치를 더 일찍 채택하는 경향이 있으므로 화이트박스 스위치는 계속 성장할 것입니다. 오늘날 Google의 거의 모든 400GbE 데이터 센터는 화이트박스 스위치로 구동됩니다.

400G 광 모듈 패키징 및 전기 표준이 발표되었으며 400G 광 모듈은 다양한 응용 시나리오에 적용할 수 있습니다. 광 모듈의 표준 공식화에는 IEEE와 MSA의 두 가지 주요 조직이 있습니다.

MSA(Multi-Source Agreement)는 특정 분야에 대해 업계의 대표적인 제조업체가 공식화한 업계 표준입니다. 예를 들어, 광 모듈 분야에는 패키징 표준 SFF, MSA 및 구현 표준이 있습니다. 100G 광 모듈: 100G QSFP28 PSM4 MSA 및 100G QSFP28 CWDM4 MSA 등

400G 광 모듈의 경우 관련 MSA는 주로 다음을 포함합니다. 400G QSFP-DD, 패키징과 관련된 400G OSFP 및 400G CFP8, 전송 모드와 관련된 400G QSFP-DD CWDM8. 관련 표준이 공식화되어 발표되었습니다.

FiberMall의 QSFP-DD-400G-LR4

또한 IEEE 802.3 시리즈 표준은 유선 네트워크의 물리적 계층 및 데이터 링크 계층의 매체 접근 제어를 구체적으로 정의합니다. 그 중 400G 광 모듈은 다양한 유형의 물리적 매체 종속(PMD) 인터페이스 정의와 관련이 있습니다.

관련 표준의 발표는 산업이 상업적 사용을 촉진하는 기반을 마련했습니다. 400G 광 모듈. 동시에 풍부한 표준은 400G 광 모듈이 거리, 광섬유 수, 단파 속도 등에 대한 요구 사항이 다른 다양한 응용 시나리오에 적응하는 데 도움이 됩니다.