淺談“云網關”轉控對接技術

作者：蔡伸? ?單位：中國移動智慧家庭運營中心

在東數西算的大背景下，為深入落實中國移動集團云網融合升級戰(zhàn)略，實現為用戶提供“連接+算力+能力”一體化服務，達成“網絡無所不達、算力無所不在、智能無所不及”的愿景，中國移動智慧家庭運營中心開拓創(chuàng)新，推出云網關產品，將網關云化放在邊緣側，為家庭算網的發(fā)展和推廣打下堅實的基礎。云網關是SDN架構下的產物，轉發(fā)面和控制面分離是其中的核心思想，今天就來帶大家簡單了解一下智慧家庭云網關的轉控分離對接技術。

1、什么是“云網關”？

云網關主要是指將用戶接入網關放到邊緣云側，云網關承接用戶上網，增值業(yè)務流量調度等功能。服務提供側通過云網關就近接入各類業(yè)務，使用戶能夠簡單的實現一跳上云，簡單高效地體驗穩(wěn)定高性能的海量增值業(yè)務。

云網關的部署應用更加接近用戶家庭，結合算力網絡的規(guī)劃，以云網關為基礎，發(fā)展云網關衍生應用，可以發(fā)掘海量的家庭“算力”，為家庭算力的模型構建以及運用打下一個堅實的基礎。

當然，云網關的種種好處離不開它基于SDN網絡架構的核心思想，即轉發(fā)和控制分離的理念。

2、“云網關”開創(chuàng)用戶上網新模式

云網關開創(chuàng)了一種用戶接入網絡新形式。家庭寬帶上網方式的發(fā)展歷史可以概括為從撥號連接到電纜調制解調器，到DSL和光纖到戶，再到云網關，網絡速度和連接方式不斷升級，用戶的上網體驗也越來越好。

總的來說，互聯網接入中國的二十多年里，家庭寬帶用戶上網的方式發(fā)生了多次重大的變化，每次變化都給用戶的體驗和服務質量帶來了跨越式的提升，云網關也不例外。

3、“云網關”的技術架構

云網關基于SDN思想，實現了一套轉控分離的高性能轉發(fā)框架。

轉發(fā)面：在云網關中，轉發(fā)面（轉發(fā)進程）主要負責根據策略，路由等規(guī)則，進行高性能純數據包的轉發(fā)和流量調度。

控制面：與傳統的設計不同的是，在云網關中控制面分成兩個層級。

（1）設備控制面

云網關的設備控制面，主要負責一些路由協議的協商和鄰居建立，如BGP、OSPF、RIP等常見協議路由獲取導入以及生成，再通過轉控對接方式，將計算后的路由結果下發(fā)給轉發(fā)面，轉發(fā)面只需要根據下發(fā)的路由結果進行數據包的匹配轉發(fā)，不需要參與到特定的路由計算和生成環(huán)節(jié)。

與此同時，設備控制面還負責協議的控制報文生成和交互，如IPsec加密隧道的IKE生成等。除此之外，設備控制面還負責ARP報文的解析生成ARP表項的下發(fā)，同步轉發(fā)面和控制面接口MTU等一系列需要計算和維護的功能。

由此可以看出，一系列功能的處理和運行，對設備內部控制面和轉發(fā)面的對接方式有了較高的要求，具體會在下個章節(jié)進行介紹。

（2）控制器以及運營平臺

云網關網元層面的控制面，就是一般意義上的SDN控制面，如上圖所示，總的來說在云網關管理系統中，管理面（云網關控制器以及運營平臺）主要負責網絡拓撲發(fā)現和管理、流量控制和管理、網絡安全管理、業(yè)務訂單管理等功能，與設備內部層面不同的是，網元側控制面在更宏觀的角度對設備進行管理，對網絡進行調度編排，更充分劃分了一個大腦的功能。

然而，網絡拓撲發(fā)現，流量控制，訂單管理依賴各類完全不同的南北向接口，對轉發(fā)面控制面的邊界劃分，內部協議貫通對齊，都有新的挑戰(zhàn)，對架構規(guī)劃以及研發(fā)能力有較高要求。

4、“云網關”的轉控對接方案

綜合前面幾個小節(jié)所描述的，因為云網關的轉發(fā)面控制面分為設備內部和網元單元，所以云網關的轉控對接技術，不能簡單的理解成傳統意義上設備和控制器的南北向接口，設備內部的實現更多地基于底層驅動的設計實現，計算機底層原理的理解運用，而網元單元更多的是網絡業(yè)務相結合的技術。

4.1 常見的南北向接口

? OpenFlow

OpenFlow是一種網絡通信協議，伴隨SDN誕生，可以說是最早的南向協議，屬于數據鏈路層，能夠控制網上交換器或路由器的轉發(fā)平面（forwarding plane），借此改變網絡數據包所走的網絡路徑。

? Netconf

IETF在2003年5月成立了Netconf工作組，該工作組主要是為了提出一個全新的基于XML的網絡配置（Netconf）協議而成立的。該工作組已于2006年12月通過了Netconf協議的基本標準RFC4741-4744，2011年6月RFC6241、RFC6242替代了原有的 RFC4741、RFC4742，RFC4743和 RFC4744則被標記為歷史資料。

? PCEP

路徑計算單元協議（Path Computation Element Protocol，PCEP）：為MPLS網絡域間流量工程（Traffic Engineering，TE）等應用提出的，以支持集中化的路徑計算。

如上所述，云網關也有一套自己的南北向對接方式。

4.2 “云網關”網元對接接口

云網關的控制面負責網絡拓撲管理、流量調度、安全管理和業(yè)務訂單管理等功能。換言之，控制面需要與轉發(fā)面對齊相關信息，以便在數據傳輸通道（如統計和調度）和網絡信息通道（如拓撲發(fā)現）中進行交互。

? 普通數據通道

云網關實際部署時，發(fā)現常常需要將云網關部署在私有局域網，而云管平臺（控制面）則部署在公網中，故云網關在設計時，使用Websocket在轉發(fā)面和控制面之間建立了一個TCP長連接雙向通道，但是由于Websocket的重傳機制不太友好，同時需要為轉發(fā)面控制面另外預留一條HTTPS的網絡接口用于數據發(fā)送接收。

傳輸的消息格式，采用RestFul風格設計，能夠快速便捷地進行設備編排管控。

? 網絡信息通道

網絡拓撲收集和拓撲自生成，是路徑調度，網絡編排的基礎，僅這個模塊就是非常復雜的。云網關在設計過程中，依賴了BGP的能力，在一定場景下（云網關作為POP設備時），通過BGP-LS能力和控制器建立BGP-LS鄰居，云網關通過BGP的路由屬性，攜帶計算好的拓撲信息至控制器，控制器通過BGP協議能夠快速解析生成網絡拓撲。

然而，該方案需要控制器支持南向BGP-LS接口，因為BGP-LS是BGP的一種擴展屬性，很多設備和控制器不一定能夠支持。云網關在設計過程中，結合POP探究場景，提出了一種基于SRv6的拓撲快速生成方法，并申請了相關專利，在該方案中，控制器只要擁有普通數據通道即可快速或許拓撲信息。

4.3 “云網關”設備內部轉控對接

回到設備內部，上文提到了設備內部也需要面臨轉控對接的問題。同樣，也存在兩個具體的南北向通道大類，一個是數據交互通道，一個是控制報文交互通道。

? 數據交互通道

設備內部的數據交互通道，是用來下發(fā)設備內部控制面計算好的路由，IP以及ARP等信息，以數據的形式下發(fā)至轉發(fā)面，轉發(fā)面拿到相關信息調用相應接口，在轉發(fā)面增刪改這些基本信息。

在云網關中，數據通道利用了Linux內核自帶的Netlink消息作為載體，控制面進程在計算完信息后，如BGP協議建立BGP鄰居通過路由重分布獲取到路由，控制面進程通過路由屬性判斷好路由優(yōu)先級，最終加入FIB轉發(fā)表中時，除非Netlink消息，發(fā)送至設備轉發(fā)進程，由于數據量可能會很大，轉發(fā)進程結合Epoll機制，創(chuàng)建大量Socket，最終實現高效的數據信息下發(fā)。

? 控制報文交互通道

上文提到了，設備內部控制面還要負責控制報文協商，比如BGP的OPEN報文，IPsec的IKE等。那么如何將這部分報文從轉發(fā)進程中分離出來，通過哪種途徑通道將數據包發(fā)送到控制面，控制面如何發(fā)送給轉發(fā)面。不過作為控制報文，可以犧牲一小部分性能。

云網關在設計時，針對這塊采用了通過Linux內核驅動創(chuàng)建Tun/Tap口，轉發(fā)面和控制面均通過這個虛擬硬件口收發(fā)控制報文，云網關同時針對這個方案進行了Linux內核驅動的優(yōu)化修改，提升了幾倍性能。

5、“云網關”的應用和未來

云網關的研發(fā)和推出，完成了許許多多的技術積累和創(chuàng)新突破，積累了一定技術能力，以轉控對接技術為例，這類技術不僅僅在云網關上適用，相應的技術創(chuàng)新和積累還可以在整個SDN網絡以及未來將要構建的算網底座中使用。

除了完成技術創(chuàng)新和積累，中國移動智慧家庭運營中心將以云網關為基礎，研發(fā)部署云化業(yè)務插件、基于SFC業(yè)務鏈技術的調度系統， 面向不同客戶場景，通過家庭網絡調度能力，實現上網安全、應用加速等增值服務快速加載部署，滿足不同家庭場景需求。

未來，中國移動智慧家庭云網關還將持續(xù)賦能更多產業(yè)合作伙伴、衍生更多使用場景，做大生態(tài)圈，為家庭、泛家庭用戶提供更加人性化的業(yè)務服務。