超融合可编程网关的应用场景初探

自2006年AWS开始以网络服务的形式向企业用户提供云服务以来，云计算已经走过了蓬勃发展的16年。根据Gartner统计，2021年全球公有云市场（Iaas、Paas、SaaS）规模达到3307.69亿美元。随着市场的繁荣，云计算作为新兴的技术，也引领了计算、网络、存储等领域的技术发展。

云数据中心网关演进历程

近年来，数据中心的网络互联的带宽已经从10G/40G，增长到了100G/400G，云数据中心的东西向流量达到数百T级别。各大云计算厂商为实现功能丰富的云计算产品，例如VPC、EIP、SLB、NAT等，开发了各类NFV网关，以实现云上网络的互联互通。回首十几年云网络的发展，与传统网络类似，都经历了从“软”到“硬”再到“软”“硬”融合的历程。

最初，云上网关采用X86服务器和DPDK技术，实现overlay网络的隧道封装、路由、NAT、限速等功能；利用DPDK技术，可以实现非常灵活的数据面编程，在用户态转发报文以加速网络。后来业界开始采用专用硬件做网络加速，例如使用各类DPU、智能网卡等，释放出的宝贵的CPU算力。

图1：H3C Server-Switch超融合可编程网关

随着可编程交换芯片的出现，业界逐渐开始采用可编程交换芯片扩展系统的数据处理能力，利用灵活的Pipeline编程，实现复杂的云上网络功能。ASIC交换芯片拥有很大的交换容量，常见的有6.4T/12.8T等，对于一个同等级别的服务器集群来说，一般需要几十台到一百余台的服务器能力，才能实现T级别的网络处理能力，因此使用可编程交换机可以极大的节省服务器集群的成本。但是，仅使用可编程ASIC也存在一定的限制，由于交换芯片使用片内有限的TCAM/SRAM硬件资源存储转发表项，因此表项容量限制了网络的规模。

针对可编程交换机的限制，H3C推出了Server-Switch超融合可编程网关产品，Server-Switch拥有媲美服务器的计算能力，和性能堪比交换机的转发能力，同时支持选配FPGA卡，用户可以通过编程扩容转发表项。

图2：超融合可编程网关架构图

Server-Switch融合了高性能的CPU，高带宽和Pipeline可灵活编程的交换机ASIC，以及功能丰富的FPGA器件。可编程交换芯片负责网络功能的卸载和数据面的报文转发，基于PISA架构的交换芯片，Pipeline可以由用户自行编程，很容易实现复杂的数据面转发逻辑，对于想要开发新协议的用户来说，可编程芯片可以方便的进行新协议的验证。由于数据面可编程，用户也可以在报文中加入自定义字段，用于携带某些网络信息。例如，可以自定义加入时间戳、丢包、时延、Buffer等信息，用于报文随流检测。对于对网络要求很高的应用，可以更好的反应业务的真实网络情况，将逐流的信息收集后，可以从全局视角对网络进行优化。

对于首包或交换芯片Hit Miss的数据报文，通过内部以太网互联的网卡，复用成熟的DPDK转发逻辑，通过用户态编程，实现软件转发。软转完成后，CPU将对应表项通过PCIe下发到交换芯片硬件。另外对于ARP等一些协议报文，同样复用原有DPDK代码，避免重复造轮子。对于需要超大规格表项的场景，交换芯片上的TCAM和SRAM资源就会捉襟见肘，尽管可以通过Pipeline折叠等方法缓解，但对于云上某些需要超大表项的场景依旧不能满足业务需求。通过模块化的设计，Server-Switch超融合网关可以针对超大表项场景按需选配FPGA卡，用于扩展可编程交换芯片的硬件表项。对于一般场景，可以无需FPGA卡，节省用户投资。

Server-Switch典型应用场景

Server-Switch的优势在于软硬件融合的能力，在拥有海量接口带宽的同时，还具备灵活的可编程能力与高性能的计算能力。因此Server-Switch非常适合用于对带宽需求很高的云网关场景。例如，专线网关、云互联网关、负载均衡网关等。云网关的北向对接云平台，接受云平台的统一业务编排。通过云平台的SDN控制器向云网关下发流表，实现复杂的网络转发逻辑。高性能CPU作为网关的控制平面，实现业务逻辑。可编程芯片作为网关的数据平面，卸载网络功能，实现T级的流量转发。FPGA芯片可用于扩展流表、Session表项。对于T级别的流量，使用超融合可编程网关可以替代数十台的服务器集群，极大降低成本。

图3：Server-Switch组件示意图

专线网关负责连接公有云VPC与租户云下IDC，负责云上云下数据互通。专线网关需要海量带宽资源用于用户接入，同时也要具备区分租户网络的能力。专线网关负责overlay隧道的封装与解封装，用于与VPC网络互通。对于大客户而言，上云专线带宽可以达到T级别，另外云上云下存在海量路由交互。使用超融合可编程网关，可以有效支撑云上的百万VPC和路由表。

图4：专线接入网关逻辑图

云互联网关负责租户VPC与其他VPC、VPN网关、专线网关等其他组件互通，也提供跨Region的互联互通能力。因此在公有云网络中，云互联网关集群也需要高带宽资源用于网络互通。同时云互联网关需要承载海量路由，采用超融合可编程网关可以满足业务苛刻的需求。

图5：云联网网关逻辑图

负载均衡网关主要指4层负载均衡，用于IDC中underlay网络或云上overlay网络的服务器流量负载均衡。对于互联网服务提供者而言，四层负载均衡网关承载了对外提供服务的所有流量，因此4层负载均衡网关对于互联网企业的重要性不言而喻。一方面，海量的业务流量对负载均衡的网络性能提出了很高的要求；另一方面，在精细化运营的潮流下，如何在保证业务稳定的情况下减少CAPEX和OPEX，也成为了企业考虑的因素。使用Server-Switch超融合可编程网关，单台设备即可提供数T级别的流量承载能力，可以有效节省企业开支。在功能实现上，通过可编程硬件的能力，实现数据面快慢路径分离，将常用流量转发表项下发至交换芯片硬件，实现业务网络加速。由于交换芯片硬件资源有限，在交换芯片硬件上存储的表项也存在一定限制。H3C Server-Switch提供扩展FPGA卡的能力，最大可支持4块FPGA卡，用户可以通过编程，在FPGA卡中存储海量Session表项。

展望

本文总结了超融合网关的发展历程和主要应用场景，在云原生时代，新华三集团将继续秉承“云智原生”的战略，发挥算网融合优势，服务百行百业，铺就算网基石，共创互联网新时代。