Компьютерные сети. 6-е изд.

Для этой архитектуры используется общее название — протоколонезависимая архитектура коммутатора (protocol-independent switch architecture). Она предполагает наличие фиксированного набора конвейеров обработки. Каждый из них обладает памятью для таблиц сопоставления действий и определенным объемом регистровой памяти, а также поддерживает ряд простых операций, например добавление (Босхарт и др.; Bosshart et al., 2013). Соответствующая модель переадресации называется реконфигурируемыми таблицами сопоставления (Reconfigurable Match Tables, RMT); ее конвейерная архитектура была вдохновлена RISC-архитектурами. Каждая ступень конвейера обработки может считывать информацию из заголовков пакетов, модифицировать значения заголовка с помощью простых арифметических операций и записывать эти значения обратно в пакеты (илл. 5.44). Архитектура чипа содержит программируемый парсер, набор ступеней сопоставления в определенном состоянии. Они выполняют арифметические вычисления над пакетами и принимают простейшие решения по их передаче или удалению. Другой компонент чипа, депарсер, записывает полученные значения обратно в пакеты. Каждая ступень чтения/модификации может менять как собственное состояние, так и любые метаданные пакетов (например, информацию о том, какую глубину очереди видит отдельный пакет).

Илл. 5.44. Реконфигурируемый конвейер сопоставления действий для обеспечения программируемой плоскости данных

Модель RMT также позволяет использовать нестандартные форматы заголовка, а значит, в каждом пакете можно хранить дополнительные данные помимо информации, предусмотренной в стандартных протоколах. При использовании RMT программист может модифицировать аппаратную плоскость данных без внесения изменений в само оборудование, а также задать несколько таблиц сопоставления произвольного размера с учетом общего ограничения ресурсов. Оператор также получает достаточную свободу модификации полей заголовка по своему усмотрению.

Современные чипсеты, такие как Barefoot Tofino, позволяют выполнять протоколонезависимую обработку нестандартных пакетов на входе и на выходе (илл. 5.45). Благодаря этому можно анализировать временные параметры очередей (например, время нахождения в очереди отдельных пакетов), а также производить нестандартную инкапсуляцию и декапсуляцию. Кроме того, можно применять метод активного управления очередью (к примеру, RED) к выходным очередям, используя метаданные, получаемые из входных очередей. В настоящее время исследуются способы использования этой архитектуры для управления трафиком и перегрузками, в частности, путем мелкоструктурной оценки параметров очередей (Чэнь и др.; Chen et al., 2019).

Такая степень программируемости оказалась наиболее полезной в сетях дата-центров. Благодаря своей архитектуре они способны извлечь выгоду из широких возможностей настройки. С другой стороны, данная модель обеспечивает общее повышение эффективности и расширение функциональности. Она позволяет включать в пакеты информацию о состоянии самой сети с помощью внутриполосной сетевой телеметрии (In-band Network Telemetry, INT) (например, величину задержки на каждом транзитном участке пути).

Илл. 5.45. Реконфигурируемые конвейеры сопоставления действий на этапах входа и выхода

На сегодняшний день существуют программируемые сетевые карты, комплект разработчика плоскости данных (Data Plane Development Kit, DPDK) от Intel и другие библиотеки, а также гибкие конвейеры обработки (например, чипсет Barefoot Tofino, программируемый на языке P4 (Босхарт и др.; Bosshart et al., 2014)). Благодаря этому операторы сетей разрабатывают нестандартные протоколы и производят расширенную обработку пакетов в самом коммутационном оборудовании. P4 — высокоуровневый язык для программирования протоколонезависимых обработчиков пакетов (например, RMT-чипов). Также были разработаны программируемые плоскости данных для виртуальных коммутаторов (точнее, это произошло задолго до появления программируемых аппаратных коммутаторов). Еще одним важным шагом в области программируемого управления коммутаторами стала разработка открытой программной реализации Open vSwitch (OVS), которая позволяет обрабатывать пакеты на нескольких уровнях и работает в виде модуля ядра Linux. OVS предлагает целый ряд возможностей, от VLAN до IPv6. Операторы сетей получили возможность настраивать переадресацию в дата-центрах, в частности, запуская OVS в качестве коммутатора в гипервизоре серверов.

5.6.4. Программируемая сетевая телеметрия