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云计算从9年前被质疑为新瓶装旧酒#xff0c;到经过多年的高速发展#xff0c;正在成为水电煤一样的基础设施。云网络构建在物理网络之上#xff0c;为云计算提供灵动、智能的网络连接。云网络的性能和稳定性是云计算的基石。
VPC是云网络的基础#xff0c;VP…云网络架构
云计算从9年前被质疑为新瓶装旧酒到经过多年的高速发展正在成为水电煤一样的基础设施。云网络构建在物理网络之上为云计算提供灵动、智能的网络连接。云网络的性能和稳定性是云计算的基石。
VPC是云网络的基础VPC的基础组件主要包括2部分GatewayvSwitch。 Gateway是VPC的流量入口负责公网专线和跨region流量的汇聚和分发。vSwitch负责ECS的虚拟交换和Gateway一起为客户搭建一张虚拟专用网。
CPU软转发
物理网络经过几十年的发展接口和协议相对标准和成熟所以物理网络的各类交换机基本都是基于switch芯片其中大部分是Broadcom的做硬转发的。
云网络的发展是这几年的事业务和需求都在快速变化中缺乏行业标准基本都是在按需做定制所以云网络的各类业务基本都是基于CPU在做软转发。
DPDK是Intel针对x86开发的数据面优化技术作为一个开源软件DPDK也可以用于其它的CPU架构比喻说ARM和Power。DPDK运行在用户态通过大页轮询CPU亲和性等技术达到减少内存拷贝减少cache miss减少中断调用减少进程和线程切换等优化目标进而实现CPU软转发的性能优化。
在DPDK出现之前软转发通常是采用带加速引擎的NPx86主要用于控制。DPDK出现之后基于x86的转发从内核态迁移到用户态性能有了大幅提升。
阿里是最早把DPDK产品化的公司之一目前阿里云网络的各个组件已经全面切到DPDK。以vSwitch为例通过DPDKvSwitch的性能得到了数倍的提升。
软硬件一体化
基于CPU的软转发主要面临2个问题一是CPU的单core性能瓶颈在大流和攻击场景下比较容易被打爆导致故障二是CPU的摩尔定律逐步失效CPU的频率和核数提升空间越来越小靠CPU软转做进一步性能提升的空间有限。
以太网的接口速率正在飞速发展中25G NRZ已经普及50G PAM4已经成熟单模块400G已经成为现实。PCIE的接口速率也在快速发展中单lane 16Gb的PCIE Gen4还未规模上线单lane 32Gb的PCIE Gen5的规范已经发布。
随着云计算的发展云网络的流量出现了爆发式增长。游戏视频NFV化对ECS网络性能提出了更高的要求vSwitch的网络正在朝百Gbps迈进。混合云的发展带来了专线和跨region流量的激增Gateway的流量正在朝百Tbps迈进。
为了提升云网络的性能和稳定性满足云计算的技术发展需求和业务发展需求阿里云网络团队对VPC的基础组件做了全链路的软硬一体化设计Gateway以超大流量百万表项为目标vSwitch以超大表项百Gbps为目标。经过一年多的努力2款产品都已顺利上线把阿里云网络产品的竞争力提升了一个台阶。
vSwitch硬件加速
网络的业务可以理解为各种route ACL的组合一次报文转发要经过多次表项查找和head update。快慢速分离的思路就是让Slowpath负责复杂的业务逻辑首包上送Slowpath生成Session/Flow后续报文就不需要把整个业务流程再走一遍直接在Fastpath里基于Session/Flow做Match/Action提升转发性能。 软转发里快慢速都是通过CPU实现的。为了提升vSwitch的性能和稳定性阿里云网络团队经过一年多的努力成功通过AISC实现了Fastpath的硬件化。
通过硬件化vSwitch的性能对比软转发提升了10倍以上延时大幅降低。
Gateway硬件加速
Gateway是VPC所有流量的入口也是云网络带宽和稳定性压力最大的一环。随着搬站和企业上云的推进专线流量出现了数量级的增长达到几十Tbps。这么大的流量通过堆服务器来提升转发能力基本成了不可能完成的任务。
传统交换芯片的数据面对客户是固定的pipeline云网络由于业务和需求变化快没有业界通用标准方案基本都是按需做定制没法使用固定转发的交换芯片。可编程交换芯片的出现给云网络打开了一扇窗让Gateway硬件化成为可能。
为应对超大流量的挑战阿里云网络团队启动了基于可编程交换芯片的Gateway设计。经过一年多的努力成功实现了Gateway的软硬结合设计 通过可交换芯片的加速Gateway单机bps性能提升20倍以上单机pps性能提升近百倍延时降低数十倍整体Capex和Opex大幅降低。
客户价值
技术创新的目的是为了更好的客户体验实现客户第一的目标。通过软硬一体化的技术阿里云可以给客户提供更大带宽更低延时更加可靠的网络连接。
持续演进
可编程交换芯片的转发能力强但片内SRAM/TCAM容量有限。阿里云体量大客户多表项规格大没法全量下发到硬件里。解决方法之一是对表项做水平拆分但云网络的业务复杂客户的配置变化快水平拆分的难度大成本高。解决方法之二是软硬结合动态调整通过速率计算动态检测大象流长尾流长尾流动态调整到软转发大象流动态调整到硬转发软硬一体动态优化。 云网络的二八原则明显长尾流的表项大流量小大象流的流量大表项小。通过软硬结合动态调整的方式一个集群可以容纳全量配置。软转发弥补硬件的表项容量问题硬转发弥补软件的转发能力问题相互配合相得益彰。
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