UCloud 基于 P4 交换机的云平台网络实践

自 2012 年 UCloud 成立起，虚拟网络始终是 IaaS 产品的一个核心组件，也经过了多次演进。演进中我们始终思考的是：如何在不增加用户成本的情况下为用户提供更可靠、更快速的网络。而答案则是要求技术团队不断采用新技术，来同时满足租户隔离、转发能力、稳定性等多种需求。

我们最早的 SDN 方案在转发面是采用 Open vSwitch （以下简称 OVS ）来实现，控制面是自研的控制器。期间亦首先采用盛科的 SDN 交换机，来解决物理机（ bare metal ）和公有云之间的互访需求。为解决 SDN 交换机 OpenFlow 流表条目有限的问题，UCloud 开始采用 DPDK 技术的网关集群来替代 SDN 交换机。经过实践检验的各种 DPDK 网关，越来越多地出现在 UCloud 的云平台中，为用户提供更快速的网络能力。

DPDK 的不足

随着 2017 年 25G 网络开始迅速被采用，对 UCloud 的虚拟网络又提出了更高的挑战。在此背景下，DPDK 也逐渐暴露出了一些不足：

– 基于 DPDK 的应用可以达到很高的包转发速率，但这是通过多服务器、多核负载均衡实现的。且负载均衡算法通常是由硬件交换机或者网卡实现的，并不能被软件定义。如果网络中出现单个大象流，无法被硬件交换机或者网卡的负载均衡算法很好的分发，就会造成单根网线或者单个 CPU Core 出现拥塞，对业务造成巨大影响。 – 随着网络带宽从 10G 向 25G、40G、50G、100G 的演进，DPDK 需要更强力的 CPU 才能够达到线速，而更强力的 CPU 通常价钱也很昂贵，不利成本。特别是单 Core 的主频越高，价格越贵，且主频增加之间和价格增加是非线性关系。

两个被排除的方案

2017 年中 UCloud 开始对新的 SDN 硬件卸载方案做评估：

**首先进入我们视野的是基于 VXLAN VTEP 的解决方案。**此类方案通常由交换机厂商提供包括 SDN Controller 在内的整套解决方案，比较适合私有云的环境部署。但缺点也很显而易见：封闭、非标准化、无法定制。通常用户只能通过北向厂商特有的 API 方式和此类方案进行交互。且此类方案通常只支持 10w 左右的虚拟网络 MAC 地址，很难满足 UCloud 的业务需要。此外 UCloud 对基于 Ethernet Over GRE （ Linux GRETAP ）的 Overlay 封装有需求，但没有一家硬件交换机支持该 Overlay 协议。

**接下来我们又把目光投向了支持 OpenFlow **1.3 协议的硬件交换机。经过一番预研和测试，我们发现支持 OpenFlow 1.3 协议的硬件交换机和 OVS 间存在着巨大的 GAP。实际上不可能把我们的 OpenFlow 流表移植到硬件交换机上。除了同样不支持 Ethernet Over GRE 协议外，我们 OVS 上使用的 Flow Based Tunneling 特性也没有硬件交换机支持。

P4 进入视野 2017 年 Q4，我们开始预研 Barefoot 的支持 P4 的可编程交换机（ Tofino 芯片），很快发现了它能够很好地满足我们的需求。

提到 P4 和 Barefoot 就不能不提 Nick Mckeown 教授。2007 年 Nick 和伙伴们一起创立了 Nicira Networks 公司，也几乎标志着“软件定义网络(SDN)”这个产业的诞生。Nicira 作为 OpenFlow 的大本营，接连发布了 NOX 和 Open vSwitch 作为 OpenFlow 的重要组件。

2012 年 VMware 收购 Nicira 后，Nick 认为 SDN 的第二步则是发展为它专门优化的硬件设备，又和同伴共同发起了对数据包进行处理的编程语言 P4 （ Programming Protocol-Independent Packet Processors ），帮助网络用户摆脱被芯片硬件厂商各种协议的制约。

– P4 在设计上具备如下优点： – 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。 – 转发设备协议无关转发。 – 设备无关性。

2013 年 Nick 成立了 Barefoot Networks 公司，致力于开发基于 P4 的网络芯片 Tofino 和软件开发套件 Capilano，并帮助 P4 社区发展壮大。

Barefoot 支持 P4 的可编程交换机（基于 Tofino 芯片），具备如下优点：

– 相对 DPDK 更高的转发性能 – 1.8T ~ 6.5T 线速转发 – 更低时延 – 单线最高 100G，避免单线拥塞 – 转发性能可预期，DPDK 的转发性能随业务模型可能变化 – 相对其他硬件交换机，更开放 – 可编程能力强，转发面 p4lang 定制开发 – 完美解决 Ethernet Over GRE 和 Flow Based Tunneling 的问题 – 开发效率高 – 控制面可通过 Apache Thrift、gRPC 接口远程管理 – 操作系统采用 Open Network Linux （基于 Debian ） – 生态圈：P4 Runtime、Stratum

P4 Switch 架构

1.控制面实现

最初我们准备修改 Barefoot 提供的 switch.p4 来实现我们的功能，但尝试阅读代码后发现 switch.p4 虽然完整的包含交换机所需要的功能，但很多特性我们并不需要，所以我们没有选择修改、裁剪 switch.p4 ，而是自己从头开始写一个更符合自身需求的控制面。

NOS 这层参考我们之前开发 DPDK 程序的经验，完全通过 Linux 来实现。P4 代码会把所有非 Ethernet Over GRE 封装的报文当做控制报文送到 CPU 口。CPU 口在 Linux 上就是一个虚拟网卡，报文再通过 Kernel 转发到 hostif 的虚拟网卡上。hostif 的虚拟网卡上配置 IP 地址，ARP 学习等功能都通过 Linux Kernel 来实现。Quagga 等 Userspace 的程序就通过 hostif 虚拟网卡上的 IP 和上级路由器跑 BGP，再将学习到的路由写到 Kernel 的路由表。我们直接开发的 APP 模块以 bf_switchd 插件的方式加载，通过 netlink 接口学习 Kernel 的 ARP 表、路由表，调用 P4 代码编译后生成的 API 写入 Tofino 芯片。

Controller 这一层最早我们是通过 P4 编译器生成的 Apache Thrift 接口将数据下发到 bf_switchd，然后写入 Tofino 芯片。但通过简单的性能测试发现，由于 Apache Thrift 接口设计的限制，每次 RPC 调用只能配置一条数据，因此需要配置大量数据时性能很不理想。为此我们在 APP 模块中启动了 gRPC server，重新定义了批量下发配置的接口，将配置下发速度提升了 8 倍。未来我们计划将控制面演进到 P4 Runtime 和 Stratum。

2.Sharding

P4 可编程交换机的 PPS 或者 BPS 性能很强能够线速转发，对比 DPDK，制约单机性能的瓶颈主要出现在交换机的 DRAM 和 TCAM 上。毕竟 DPDK 跑在 X86 服务器上内存 64G 起步，512G 也不稀奇，而交换机芯片上的内存资源就相对要少很多。

为了突破单台交换机的资源瓶颈，我们设计了将数据按租户分片的方案，从而实现了水平扩展的目标。

首先采用 64 口 P4 可编程交换机作为接入层，主要实现数据分片和灰度发布的能力。例如采用 VNI 的后 6 位分为 64 个分片，为每个分片指定一个下一跳地址，从而达到整个集群的资源水平扩展的能力。

3.强灰度能力

传统上网络设备通常采用主备、或者主主的方式部署，当需要升级的时候将全部流量切到一半设备上，另外一半设备下线升级，升级完成后再重新加入集群分担一半的流量。这种升级方式简单粗放，在 UCloud 我们提出了更高的要求。我们软件行业的现状就是不论花多大的成本去测试，真正的用户行为总是不可能被穷尽的，缺陷总是会有的，这时我们最后的安全网就是“灰度发布”。在现网真实环境作为终极测试的同时，通过控制变更范围尽可能的减少风险；一旦真的有缺陷快速回滚，最大程度的降低影响面。在 UCloud 我们坚定的在每个产品上采用按账号灰度发布，即使是在虚拟网络设备上。

我们将灰度发布交换机软件的能力 Buildin 在 Access 层：

1. 当需要升级交换机软件时，将预留灰度交换机安装新版本软件；
2. 按照灰度账号定义新的数据分片，指定灰度交换机同步新的数据分片；
3. 按照 VNI+源地址或 VNI+目的地址配置灰度规则按 VM 的粒度将流量切换到灰度交换机处理；
4. 切换完成后立刻自动回归测试，Ping 检测各种场景下的网络互通性是否正常；
5. 测试通过则逐步增加灰度的 VM 地址，直到整个 VPC 的流量全部切换到灰度交换机；
6. 再切换一个新的 VPC，直到所有分片内的 VPC 都切换到新的交换机下；
7. 旧的交换机下线清洗，安装新版本软件，直到整个集群完成升级。

通过这种传统网络设备完全不同的升级方式，在 SDN 软件快速迭代的背景下，有力地保障了 SDN 网络的可靠性。

P4 Switch 应用 P4 可编程交换机在 UCloud 规划的使用场景包括：

– 支持租户的增强交换和路由 – 物理机接入虚拟网络 – 一致性哈希 ECMP 负载均衡 – 流量限速与计费 – ARP 代理 – 等等

目前 UCloud 已经采用 P4 可编程交换机完成了新一代交换网关 UXR 的开发和测试工作，同时部署了一个地域并切换灰度流量进行验证。

总结 Barefoot 的 Tofino 芯片在 2018 年初量产后，P4 可编程交换机开始逐渐出现在市场上，但仍是一个新兴事物。不可否认目前确实还有一些不足之处，但 UCloud 确实看到它和之前的交换机相比，能给软件工程师无与伦比的自由度。

在 6 月 27 日 Barefoot CEO Craig Barratt 先生一行来 UCloud 总部的技术交流中，大家也认为通过紧密合作，能够产生更加贴切需求、切实解决痛点的可定制解决方案。我们相信凭借持续的技术演进，可以不断为云平台用户提供更快速更强大的网络能力，就像 Barefoot 主页所说，We can now finally say “ Software is eating the network ”。

参考链接：

P4

Barefoot

Quagga

DPDK

Open vSwitch

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