Разделение control и data plane в сетевом оборудовании

• 18.05.2016
• 1840

Автор
Сергей Калашников, CCIE
Технический директор

В работе сетевого устройства можно выделить две абстракции – управляющий уровень (control plane) и передающий уровень (data plane). Сontrol plane отвечает за логику работы сетевого устройства для обеспечения в дальнейшем возможности передачи пакетов (заполнение различных таблиц, например, маршрутизации, отработку различных служебных протоколов ARP/STP/и пр.). Data plane в свою очередь отвечает непосредственно за передачу полезного трафика через наше сетевое устройство. Т.е. сontrol plane нам предоставляет информацию куда и как слать сетевой трафик, а data plane уже выполняет поставленные перед ним задачи. Данные абстракции могут быть выделены как на логическом, так и на физическом уровне. Но всегда ли на сетевом оборудовании присутствует такое разделение и где именно выполняются функции каждой из абстракций? Давайте попробуем в этом разобраться.

Данное разделение появилось достаточно давно с целью повышения производительности сетевых устройств. Стало ясно, что использование одной абстракции для управления и передачи сетевого трафика неэффективно. Управляющий уровень имеет достаточно сложную логику работы и не выполняет огромное количество операций в секунду. Передающий уровень, наоборот, выполняет относительно однообразные операции, но при этом их очень много. Таким образом, для управляющего уровня требуется интеллектуальное железо, а для передающего – высокопроизводительное. Так как достичь обоих параметров в одной микросхеме сложно и зачастую дорого, логику работы сетевых устройств решили разделить. Это позволило бы реализовывать сложную логику, например, на базе процессоров общего назначения, а высокую производительность получить на специализированных микросхемах. Перед производителями сетевого оборудования на одной чаше весов находится функциональность и производительность, а на второй – стоимость решения. Предлагаю рассмотреть рабочие места управляющего и передающего уровней на примере различных типов сетевых устройств: коммутаторов и маршрутизаторов. Работая сетевым инженером, не всегда глубоко вникаешь в аппаратную часть устройства. Но понимание общих принципов архитектуры необходимо для правильного выбора устройств, дизайна сети, а также подхода к решению сетевых проблем.

Если мы обратим свой взор на программно-определяемые сети (Software-defined Network – SDN), мы обнаружим, что управляющий уровень полностью или частично переносится вообще на выделенное устройство. Однако рассмотрение таких решений оставим за рамками данной статьи.

Коммутаторы

Начнём с коммутаторов, так как тут мы получим наиболее наглядное разделение наших абстракций. Главное для коммутатора– скорость передачи данных. Вся обработка пакетов должна реализоваться на скорости порта (wire-speed), иначе коммутатор будет тормозящим элементом в нашей сети. В связи с этим, именно в коммутаторах мы можем обнаружить реализацию передающего уровня на отдельных микросхемах – ASIC’ах (ASIC — интегральная схема специального назначения). Фактически на коммутаторе управляющий уровень выполняется на базе процессора общего назначения, а передающий уровень, как мы уже отметили, на базе ASIC.

Процессоры, которые устанавливаются в сетевое оборудование, зачастую имеют отличия от тех, которые стоят в наших ПК и серверах. Это чаще всего специализированные процессоры, которые рассчитаны на использование внутри различных устройств (сетевых, систем хранения данных и пр.) и относятся к классу встраиваемых процессоров (embedded processors). Обычно они имеют небольшой размер, потребляют немного энергии и являются частью однокристальной системы (System on a chip – SoC). SoC – практически полноценный компьютер, выполненный на базе одной микросхемы (с (микро)процессором, оперативной памятью, контроллером ввода/вывода, интерфейсами и пр.). Некоторые из таких процессоров заточены на выполнение операций в сетевых устройствах, другие имеют более широкий спектр применения. При этом чаще всего на них можно запустить, например, какие-то решения на базе Unix/Linux, так как они всё же остаются в первую очередь процессорами общего назначения.

Классический ASIC имеет предопределённый набор функций, которые выполняются аппаратно. Фактически общая логика обработки пакетов закладывается в ASIC на этапе производства микросхемы, изменить которую достаточно сложно. В ASIC’е мы получаем приемлемый уровень логики и при этом высокую скорость обработки пакетов. Таким образом, высокая производительность в коммутаторе достигается за счёт выполнения функций передающего уровня на ASIC’ах. И именно ASIC’и являются причиной относительно ограниченной логики работы коммутатора, которую сложно дальнейшем изменить. Можно было бы вместо ASIC использовать микросхемы FPGA (Field-Programmable Gate Array), которые можно перепрограммировать. Но они дороги и энергоёмки. Поэтому производители сетевого оборудования, чтобы не увеличивать стоимость своих устройств, с одной стороны, часть обработки пакетов пытаются перенести на процессор общего назначения (т.е. туда где работает управляющий уровень), что не всегда хорошо сказывается на производительности устройства. С другой стороны, стараются модернизировать ASIC, сделав их более функциональными и даже программируемыми (например, ASIC UADP компании Cisco).

Обычно в коммутаторе стоит один или несколько ASIC’ов. Например, на каждые 12/24 порта ставится свой ASIC. Программирование логики работы ASIC’а выполняет управляющий уровень. Именно он заполняет все таблицы внутри ASIC’а (маршруты, списки доступа и пр.). ASIC может иметь достаточный интеллект, чтобы коммутировать пакеты внутри себя, или же осуществлять коммутацию пакетов через внешнюю шину/коммутационную фабрику. Такая архитектура используется в первую очередь в коммутаторах фиксированной конфигурации (не модульных). Примерами таких коммутаторов могут быть Cisco Catalyst 2960/3650/3850.

Приведённые в статье структурные схемы коммутаторов и маршрутизаторов являются упрощёнными для акцентирования внимания в первую очередь на расположении управляющего и передающего уровней. Они не включают все структурные элементы устройств.

Если мы имеем дело с модульным коммутатором (коммутатор, в который можно устанавливать платы с различными типами портов), архитектура может быть более сложной. Больше портов, значит, требуется больше производительность и больше ASIC’ов. Существует как минимум два подхода в реализации архитектуры таких коммутаторов.

В первом случае, передающий уровень выполняется централизованно на выделенных ASIC’ах, которые располагаются на отдельной плате. В этом случае ASIC’и на линейных картах являются менее интеллектуальными и выполняют крайне ограниченный набор функций. Программированием логики продолжает заниматься управляющий уровень, которой в свою очередь запускается на своих аппаратных мощностях (используется опять же процессор общего назначения (причём их может быть несколько), расположенный на отдельном модуле - супервизоре). Примером таких коммутаторов могут быть Cisco Catalyst 4500 и Cisco Catalyst 6500/6800 (централизованная коммутация).

* микросхемы Port ASIC, установленные на линейных картах, не обладают большой интеллектуальностью и выполняют крайне ограниченный набор функций

Возможен вариант, где на каждом модуле с линейными портами, стоит своя специализированная плата передачи. В этом случае каждый модуль имеет свой передающий уровень, что позволяет повысить производительность всей «коробки». Можно сказать, что это промежуточный вариант между первым и вторым подходами реализации архитектуры модульных коммутаторов. Примером таких коммутаторов могут быть Cisco Catalyst 6500/6800 (распределённая коммутация).

* микросхемы Port ASIC, установленные на линейных картах, не обладают большой интеллектуальностью и выполняют крайне ограниченный набор функций

Второй подход – использовать достаточно интеллектуальные ASIC’и на линейных картах. В этом случае каждый ASIC может самостоятельно обработать сетевой трафик, выполняя основной набор функций. Т.е. мы сразу имеем распределённый передающий уровень. Это может оказаться более дорогим решением, но при этом зачастую более производительным. Также мы минимизируем при такой архитектуре задержки при передаче пакетов. Примером подобного коммутатора может быть Cisco Nexus 9500.

Архитектура модульных коммутаторов бывает достаточно сложной. В частности, для реализации передающего уровня могут использоваться несколько различных ASIC’ов в рамках одной линейной карты. Каждый из них выполняет свой спектр задач или же объединяет нижестоящие ASIC’и. Коммутационная фабрика также может быть построена на базе ASIC’ов, выполняющих как функции связи между линейными картами, так и определённые виды обработки.

Отметим, что в коммутаторах мы можем иметь распределение уровня управления. Например, в коммутаторе Cisco Nexus 9500 управляющий уровень внутри одного устройства разнесён: часть функций выполняются на супервизоре, а часть на плате линейных портов (на каждой плате стоит свой процессор общего назначения).

До этого момента всё рассмотрение шло в рамках одного устройства. Но многие коммутаторы умеют объединяться в одно логическое устройство по средствам стекирования. В случае если у нас собран стек из коммутаторов, обычно управляющий уровень запускается на основном коммутаторе (его ещё называют активным/мастером). А передающий уровень будет запущен отдельно на каждом коммутаторе в стеке. Т.е. через стековый канал связи управляющий уровень, расположенный на основном коммутаторе, раздаёт управляющую информацию на все коммутаторы в стеке для работы передающего уровня локально. Примером такой модели работы может быть стек Cisco StackWise или HPE IRF.

Маршрутизаторы

Давайте теперь посмотрим, как обстоят дела с нашими абстракциями в маршрутизаторах. Если мы будем рассматривать относительно бюджетные маршрутизаторы, управляющий и передающий уровни будут выполняться на одном и том же железе - процессоре общего назначения (чаще всего в формате SoC). Процессорное время будет распределяться в этом случае между обеими абстракциями. Никаких специализированных микросхем для передающего уровня, как это было в коммутаторах, мы там не найдём. В связи с этим мы получим очень гибкую логику работы устройства, но не самые выдающиеся значения по производительности (десятки и сотни мегабитов в секунду). Причём разные вендорные ухищрения (например, Cisco Express Forwarding) являются лишь оптимизацией обработки пакетов на программном уровне на базе стандартной аппаратной базы. Примерами таких устройств являются, Cisco 800, 1900, 2900 и пр. Ситуация меняется, если наш процессор общего назначения становится многоядерным (например, в Cisco ISR 4300), да ещё таких процессоров может быть несколько (например, в Cisco ISR 4400). В этом случае управляющий и передающий уровни могут выполняться на разных ядрах и процессорах. Причём передающему уровню выделяется сразу несколько ядер, чтобы получить параллельную обработку пакетов, а значит, повысить производительность нашего устройства. Стоит заметить, что некоторые ядра могут быть отданы вообще под сторонние сервисы (конечно, если процессор это позволяет сделать).

Современные SoC имеют многоядерные процессоры. 48 ядрами уже никого не удивишь. А вкупе с интегрированными в SoC акселираторами пакетной обработки, на базе одного SoC можно получить очень хорошую производительность: на рынке есть решения SoC, позволяющие обрабатывать сетевой трафик на скоростях до 40 Гбит/с.

Отдельный разговор – это высокопроизводительные маршрутизаторы. В этом случае обычных процессорных мощностей общего назначения может не хватать. Производители сетевого оборудования переносят передающий уровень на отдельное железо, более адаптированное для обработки большого потока трафика. Фактически мы идём к архитектуре коммутаторов. Но так как маршрутизатор более функционален, обычных ASIC’ов не достаточно. В связи с этим каждый производитель предлагает свои решения.

Один из вариантов – использование специализированных сетевых процессоров (Network Processor - NP или Network Processing Unit - NPU). Сетевые процессоры существенно функциональнее, чем ASIC’и, но при этом более производительные, чем процессоры общего назначения.

В качестве примера рассмотрим маршрутизаторы Cisco ASR 1000, где основные функции передающего уровня выполняется на отдельной плате. На такой плате размещается один или два специализированных сетевых процессоров Cisco QuantumFlow Processor (QFP), которые занимаются непосредственно обработкой трафика. Данный процессор имеет архитектуру RISC и заточен именно под передачу трафика. QFP второго поколения включает до 128 процессорных ядер, на каждом из которых может быть запущено четыре отдельных процесса. Т.е. мы имеем до 256 ядер на одной плате (в случае двух процессоров). Сравнив с архитектурой более простых маршрутизаторов, где всё выполняется на нескольких ядрах, можно сразу сделать вывод, что такие маршрутизаторы являются более производительными.

Сетевые процессоры выпускаются различными компаниями (Cisco, EZChip, Broadcom и пр.) и используются для выполнения функций передающего уровня многими производителями сетевого оборудования. Например, сетевые процессоры используются в оборудовании компаний Huawei (как в маршрутизаторах, например, в NetEngine40E, так и в коммутаторах S12700).

Кроме сетевых процессоров, на рынке представлены специализированные чипсеты, например, Juniper Trio chipset. Они позиционируются между сетевыми процессорами и ASIC’ами. По большому счёту, общий смысл сохраняется – передающий уровень выполняется на специализированном железе, в данном случае чипсете Trio Chipset. Отметим, что до вывода на рынок Trio chipset, компания Juniper активно использовала в своих маршрутизаторах программируемые ASIC’и собственной разработки (Internet Processor ASIC и I-Chip).

Стоит отметить, что в топовых решения, мы будем иметь не только разнесение уровней управления и передачи между разным железом, но и распределение внутри каждого уровня. Например, в маршрутизаторе Cisco ASR 9000 управляющий уровень внутри одного устройства разнесён: часть функций выполняются на процессорной плате, а часть на плате линейных портов. То же самое касается и передающего уровня: сетевых процессоров много и они расположены непосредственно на линейных картах.

В заключение

Так как реализаций архитектур даже у одного вендора достаточно много, рассмотреть их все крайне сложно. Однако, если нам требуется большая производительность, чаще всего передающий уровень будет выполняться на специализированном железе: будь то сетевой процессор, специализированный чипсет, обычный или программируемый ASIC, или что-то ещё. В некоторых устройствах мы встретим даже комбинацию этих микросхем. Нередко производители сетевого оборудования в своём оборудовании используют микросхемы сторонних компаний (например, ASIC’и или сетевые процессоры).

Список литературы

1. Cisco Express Forwarding
2. IP Routing on Cisco IOS, IOS XE and IOS XR
3. Cisco Next Generation Security Solutions All in one Cisco ASA