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基于可编程网络的UPF边缘调度机制研究.docx
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基于可编程网络的UPF边缘调度机制研究.docx
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引言
随着互联网应用场景的不断增长,对于网络的需求呈现爆发式增长,传统的
网络能力已经无法满足面向互联网灵活多变的业务需求,而 SDN 技术的产生使
得传统的网络功能实现了控制和转发分离,加强了网络的实时控制能力
[1]
。可编
程网络技术的兴起,又进一步实现了网络设备的软硬件分类,网元功能虚拟化可
以部署并运行在通用 X86 处理器或者专有芯片上,从而使得网络设备能够承载
更多不同的网元功能。
另一方面,5G 移动网络的不断普及,尤其是 5G 网络架构的云原生转型,使
得传统的核心网和接入网等网元进一步解耦。核心网的网元,尤其是 UPF 等转
发面的网元可以结合不同的边缘场景需求,进一步下沉到边缘端,利用开放的融
合网络设备来承载 UPF(User Plane Function,用户面功能)的转发功能,通过
开放网络和 5G 移动网络共同构建网络切片和确定性网络等能力,满足不同行
业应用场景需求
[2]
,同时运营商也可以提供不同的网络质量保障能力,通过这种
差异化的网络服务质量来实现不同的网络服务。
随着边缘计算在行业应用的不断发展,基于固移融合的开放网络技术目前
是行业内研究的重点。而异构算力的普及,使得在同一个网络硬件设备上往往
可以集成不同的处理单元,基于轻量化云原生的算力调度可以轻松地将不同的
网元功能调度不同的处理单元运行实现自定义的网络功能,同时还能够开放一
部分的算力资源用于处理边缘计算场景下的计算需求
[3]
。而本文结合上述的行
业发展热点,采用开源的可编程网络架构 SONiC 和 UPF 融合的方式,利用云原
生的方式来实现异构算力的调度能力,并提出整体的技术架构和解决方案,从而
实现了在开源可编程网络设备中集成了承载网的转发能力和 5G UPF 的转发
能力,并且实现了异构算力的整体调度能力。
1 SONiC 介绍
SONiC(Software for Open Networking in the Cloud)是一款开源网络操
作系统,由微软于 2016 年发起,并在一年后贡献给了开放计算项目(OCP)。
SONiC 是基于 Linux 建立在交换机抽象接口(SAI)之上进行开发,并且可以运
行在各种交换机和 ASIC 芯片上。SONiC 是内核补丁、设备驱动程序、实用程
序等的集合,旨在解决云网络的可靠性和可用性以及可扩展性的问题。
1.1 SONiC 整 体技术架构
SONiC 构建在 Linux 系统之上,并且利用键值数据库、容器技术、标准化
硬件接口定义等技术,使其成为一个标准软硬件接口、模块松耦合、高可靠、
易于扩展、开源开放的网络软件系统。
如文献[4]所描述,SONiC 系统的体系结构所包含的模块通过集中式和可扩
展的基础结构相互交互
[4]
。整个基础架构的各模块主要依赖于 Redis 数据库来
实现交互。其中数据库提供两个方面的功能:一方面,提供独立于语言接口的
键值数据库功能;另一方面,用于所有各子系统之间的数据持久性、复制和多进
程通信的方法。
同时,随着容器技术的应用,SONiC 将每个模块实现了容器化封装,并且每
个组件都与平台完全解耦。SONiC 的主要技术架构如图 1 所示。
图 1
图 1 SONiC 技术架构图
Fig. 1 Technology architecture of SONiC
依据上述 SONiC 技术架构图,其整体技术架构分为三层:硬件层主要包含
各种硬件以及 asic 芯片等;操作系统内核主要是集成了面向平台、网络和 asic
芯片的驱动等;而在用户面则包含了整个 SONiC 的主要容器化的组件功能。其
主要组件包括以下几个方面:
●TEAMDED 容器 :在设备中负责运行链接聚合功能(LAG)。基于 Linux
的 LAG 协议的开源实现,允许 team 子系统和南向子系统之间进行交互;
●PMON 容器:负责运行“sensored”的守护进程,该守护进程用于定期记录
硬 件 组 件 中 的 传 感 器 读 数 并 在 发 出 警 报 时 触 发 警 报 。 Pmon 容 器 还 托 管
“fancontrol”进程,从相应的平台驱动程序中收集与风扇相关的状态;
●SNMP 容器:托管 snmp 功能 。该组件包括两个相关的进程(Snmpd
进程和 Snmp_ax_impl );
●DHCP 容器:负责将 DHCP 请求从没有 DHCP 服务器的子网中继到其他
子网上的一台或多台 DHCP 服务器中;
●LLDP 容器:负责承载 lldp 功能,主要负责运行 Lldp、Lldp_syncd 以及
Lldpmgr 进程;
●BGP 容器:负责运行支持的路由堆栈之一。虽然该网络功能容器是 BGP
命名的,但是路由堆栈也可以支持其他各种协议(如 ospf、isis、ldp 等)。该
容器主要包括:bgpd、zebra、fpmsyncd 等进程;
●数据库容器:托管 redis 数据库引擎,应用程序可以通过 redis-daemon 来
访问数据库。redis 引擎托管的主要数据库包括:APPL_DB、CONFIG_DB、
ASIC_DB、COUNTERS_DB 等;
●SWSS 容器:交换状态服务(Swss)容器包含一组工具,允许所有 SONiC
模块之间进行有效通信。和数据库容器用于提供存储功能不同,Swss 主要提供
机制来促进所有不同模块之间的通信和仲裁;
●SYNCD 容器:同步(Syncd)容器主要负责提供一种机制,允许交换机
的网络状态与交换机的实际硬件/ASIC 进行同步,包括交换机的 ASIC 当前状态
的初始化、配置和收集等;
●CLI/sonic-cfggen:负责提供 CLI 功能和系统配置功能。
1.2 SONiC SAI 接 口抽象
根据文献[5]所述,交换机抽象接口(Switch Abstraction Interface, SAI)是
2015 年微软向开放计算项目(Open Compute Project, OCP)开源的项目,参
与 的 厂 商 主 要 包 括 : Centec 、 Intel/Barefoot 、 Dell 、 HP 、 Broadcom 、
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