プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例

プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例
Emerge of Programmable Dataplane and Network Operation Stack examples.

@ Okinawa Open Days 2017 (2017/12/07)

パケット処理に求められるニーズの多様化や変化のスピードに呼応し、近年プログラマブルかつ高速処理が可能なデータプレーン・ハードウェア（ASIC,NPU,FPGA）が数多く登場しました。それにともない、データプレーン・プログラム言語であるP4に対応したプラットフォームが広がりつつあります。これらの技術動向を紹介すると共に、多様なデータプレーンが利用される時代に求められるネットワーク・オペレーション・スタックの実装例をご紹介します。

Recently, many programmable and high-performance data plane hardware (ASIC, NPU, FPGA) became available responding to the growing demand to make it possible for data plane to adjust to different use cases. Reflecting this trend, platforms supporting data plane programming language such as P4 is increasing. In this session, the speaker will introduce such technology trends and describe requirements and implementation of Network Operation Stack to support various programmable data plane.

Transcript

1. プログラマブル・データプレーンの技術動向と ネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 Okinawa Open Days 2017 海老澤 健太郎 ＠ Ponto Networks, Inc. プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 1
2. プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 3 Ponto Networks, Inc. Delaware C corp, established Dec 2015 PontOS Dataplane agnostic “Network Operation System + Stack” providing performance, programmability, openness, scalability and modularity leveraging multiple hardware accelerated dataplanes like programmable silicon powered WhiteBox switches, NPU/FPGA powered SmartNICs and more. Headquarters San Diego, California (USA) Development Tokyo (Japan) + San Jose (USA) Investors Ex-executives of Internet and Mobile industry
3. プログラマブル・データプレーンとは？ 「現在」 「課題」 と 「未来」 ネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 5 アジェンダ
4. プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 6 データプレーン とは？ イーサネットヘッダを解析 宛先アドレスをKEYに MACテーブルを参照 学習済みポートへ転送 テーブル参照 （Match） ヘッダ解析 （Parse） 変更・転送 （Action） パケット処理 パイプライン
5. プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 7 最も柔軟な データプレーン とは？ どんな処理も実装できる（プログラマブル） CPU
6. プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 8 ハードウェア・データプレーン（ASIC） を使う理由 ピーク性能 Gbps単価 CPU 300Gbps 10,000円 ASIC 6.5Tbps 461円 ※ 数字は概算（桁感の例）です。CPU/ASIC １個搭載のサーバー/スイッチ価格を300万円として比較。 ※ 数字は概算（桁感の例）です ※ CPU/ASIC １個搭載のサーバー/スイッチ価格を300万円として比較。 ※ CPU: XEON® PLATINUM 8180 (PCIe 3 x 48 = 300Gbps) ※ ASIC: Barefoot Tofino (100GbE x 65 port) を Layer 2/3 switch として利用
7. プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 9 機能追加時に必要な開発体制とコスト ピーク性能 Gbps単価 開発体制 開発コスト （人件費除く） CPU 300Gbps 10,000円 数人 数百万円 ASIC 6.5Tbps 461円 数十人 数億円 ※ 数字は概算（桁感の例）です。CPU/ASIC １個搭載のサーバー/スイッチ価格を300万円として比較。 ASIC 作り直し
8. プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 10 ASICのスケーラビリティ ＋ CPUの開発コスト ピーク性能 Gbps単価 開発体制 開発コスト （人件費除く） CPU 300Gbps 10,000円 数人 数百万円 ASIC 6.5Tbps 461円 数十人 数億円 プログラマブル ASIC 6.5Tbps 461円 数人 数百万円 ※ 数字は概算（桁感の例）です。CPU/ASIC １個搭載のサーバー/スイッチ価格を300万円として比較。
9. プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 11 「プログラマブル・データプレーン」の登場 イノベーションがスケールする時代に 試作・試行コストが小さくなる ⇒ サーバーで起きたイノベーションをネットワークへ コスト＆性能の良いプラットフォームでイノベーションが実現 個人で開発への参加が可能 ⇒ オープンな活動の活性化 より多くの人が新しい試みに参加できるように
10. • In-band Network Telemetry (INT) • 「パケット自身に」 パケットがマッチしたルールやQueueの情報を含める事により、SNMP等ではモニタリングできなかった粒度でネッ トワークの状況を把握 • 遅延や特定アプリケーションの性能劣化原因を特定 • トラフィックエンジニアリングへの利用 • Tbps Class Load Balancer • ラックあたり Tbps クラスのトラフィックに対応したLoad Balancerを低コストで構築 • トラフィック種別により振り分けに利用するフィールドを変更 • Pre-processing & Content aware routing for Massive IoT • 様々な Client からの細かいデータをサーバーが処理しやすいように前処理 • データ種別に応じた計算。bit -> Byte データ展開。 • ペイロード中のIDに応じたサーバーへの振り分け、ストレージへの直接保存 • アプリケーション毎のペイロード・データフォーマットの定義 プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 12 プログラマブル・データプレーンを用いた試行（例）
11. プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 13 https://p4.org/members/announcing-the-p4-applications-working-group/ プログラマブル・データプレーンを用いた アプリケーション検討のワーキンググループ発足 （2017年11月）
12. プログラマブル・データプレーンの現在 ハードウェア・データプレーンに関して プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 14
13. プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 15 「プログラマブル・データプレーン」 で 「プログラム」 できること ヘッダ フォーマットの定義 パースグラフの構築 ヘッダ解析 （Parse） テーブル参照 （Match） マッチフィールドの定義 テーブルタイプの定義 （Exact / Masked） MAC address IPv4 address proto + TCP ports ( any header fields ) 変更・転送 （Action） アクションの定義 フィールド操作ロジック bit shift (<<) (>>) add(+) sub(-) multiple(*) drop forward copy push / pop
14. プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 16 プログラマブル・データプレーン（ハードウェア）の現在 メーカー・ 製品名称 タイプ 開発環境 Cavium XPliant ASIC XDK 製品出荷実績多数 （クラウド事業者） OEM：Arista, Brocade Barefoot Tofino ASIC P4 大規模事業者を中心とした限定出荷 検証・開発用筐体は一般入手可能 Netronome NFP NPU C-based SmartNIC １枚から広く入手可能 OEM多数（非公開・アプライアンス製品等） NetFPGA (Xilinx) FPGA SDNet NetFPGAは研究・教育目的が中心 Xilinx FPGA 搭載ボード（+SDNet）としても入手可能 ※ 代表的な製品のみ記載。他多数のメーカーもプログラマブル ASIC/NPU/FPGA リリースを予定している。
15. プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 17 https://www.amazon.co.jp/ Edgecore AS7512” で検索 Cavium Xpliant CNX88091 3.2Tbps
16. プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 18
17. プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 19 （最もハードルが高い） ハードウェアは入手可能に
18. プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 20 プログラマブル・データプレーン 「課題」 と 「未来」 （最もハードルが高い） ハードウェアは入手可能に
19. プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 21 プログラマブル・データプレーンの課題 （１） メーカー・ 製品名称 タイプ 開発環境 Cavium XPliant ASIC XDK Barefoot Tofino ASIC P4 Netronome NFP NPU C-based NetFPGA (Xilinx) FPGA SDNet 言語もツールも異なる 過去の学習が生かされない SDK入手に別途契約が必要な場合も 「自由にプログラム」 からは、やや遠い
20. プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 22 P4：汎用データプレーン・プログラミング言語の登場 P4 Source Code パケット処理パイプラインの定義 パーサーやテーブル、アクション、など P4 Compiler P4をTarget上で実行可能な形式にコンパイル Target毎に提供される Target (P4対応Dataplane) P4 Dataplane runtime に従いパケットを処理 Hardware: ASIC, NPU, FPGA | Software: CPU “Programming Protocol-Independent Packet Processors”
21. P4プログラム （例） プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 23 ヘッダ定義 パーサー定義 テーブル定義 • C 構造体のようにプロトコルヘッダを定義 • パーサー、テーブル、パイプラインを簡単な構文で記述可能 パイプライン定義
22. プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 24 P4 対応状況 メーカー・ 製品名称 タイプ 開発環境 P4 対応状況（入手状況） Cavium XPliant ASIC XDK 対応予定 （エンドースメント・プレスリリース有り） Barefoot Tofino ASIC P4 Capilano SDE (製品購入者＋契約) Netronome NFP NPU C-based Agilio P4C SDK (製品購入者) NetFPGA (Xilinx) FPGA SDNet P4→NetFPGA / P4-SDNet （登録必要） Netronome: https://www.netronome.com/products/datapath-programming-tools/ NetFPGA: https://github.com/NetFPGA/P4-NetFPGA-public/wiki
23. P4 on Linux （ソフトウェア・リファレンス実装） プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 25 https://github.com/p4lang P4 対応 Software Switch （サンプルCLI付き） P4 チュートリアル＆サンプル （P4 source code, Protocol agent ...） P4 コンパイラ P4 ソフトウェア実装｜ビルド・実行手順サンプル https://www.slideshare.net/kentaroebisawa/how-to-run-p4-bmv2
24. プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 26 プログラマブル・データプレーンの課題 （２） データプレーンをどうコントロールするか？ プログラマブル・データプレーン時代に必要な 「ネットワーク・オペレーション・スタック」 とは？
25. プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 27 Dataplane (ASIC, NPU, FPGA, CPU) Dataplane Abstraction Pipeline Profile Modular Protocol Agents Config Manager CLI API User Applications 5. アプリケーションのためのAPI • 都度コンパイルでなく、gRPC/REST等APIで制御可能 1. 異なるデータプレーン・ハードウェアへの対応 2. パケット処理パイプラインの管理 • （Match/Action Table） 3. プロトコル・エージェントの入れ替え 4. ユーザーアプリケーションの動作 • シェルアクセス • サーバー同様の開発ツールチェイン プログラマブル・データプレーン時代の 「ネットワーク・オペレーション・スタック」 に何が求められるか？
26. プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 28 Open Network OS の現状 Dataplane Abstraction Pipeline Profile Modular Protocol Agents User Apps APIs for Apps OpenSwitch SnapRoute + Dell 〇 × 〇 〇 × SONiC 〇 × 〇 〇 × ONL Open Network Linux ー × ー ー ー
27. プログラマブル・データプレーン時代の ネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 29
28. プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 30 Modular Routing Agents REST API (WebAPI) User Apps Linux shell (CLI as an Application) Config Broker (data store) Modular Routing Agents FEA (Forwarding Engine Abstraction) Data Path Profile Manager Flexible Data Plane User Apps Management Plane Data Plane External Apps Mngment System Operator Flex ASIC (XPliant etc.) PontOS² コンセプト＆アーキテクチャ Application Friendly API Linux Kernel Network Stack P4 (SmartNIC, NPU, FPGA) Native Applications Native Applications Native Applications SDK (Language API) Flexible Data plane プロファイル選択により入れ替え可能な パケット処理エンジン オープンソースにより構成された ビルディング・ブロック ネットワークプログラマビリティを実現する アプリケーション・フレンドリーな開発環境
29. プログラマブルASICデモ ｜GTP Parser & Match/Action + Stats on Cavium XPliant プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 31 Open Compute Project |サンノゼ... 2017年3月 Computex Taipei | 台湾・台北 ... 2017年6月 RAN EPC SGi Service Functions Internet eNodeB SGW PGW GW GTP-U Tunnel GTP-U Tunnel VLAN, etc.
30. プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 32 GTP TEID match/action & statistics （デモ構成図） 100GbE 100GbE host1 host2 = IP Interface • Parse GTP Header • Match/Action based on GTP TEID • stats via REST API XPliant スイッチ（White Box） GTP トラフィック生成用サーバー（VM） 10.0.40.1/24 10.0.40.2/24 GTP Traffic (TEID=100/200/300/400) Mngmnt Port Mngmnt Port デモ GUI （Webブラウザ） REST API
31. プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 33 Modular Routing Agents REST API (WebAPI) User Apps Linux shell (CLI as an Application) Config Broker (data store) Modular Routing Agents FEA (Forwarding Engine Abstraction) Data Path Profile Manager Flexible Data Plane User Apps Management Plane Data Plane External Apps Mngment System Operator Flex ASIC (XPliant etc.) Linux Kernel Network Stack P4 (SmartNIC, NPU, FPGA) Native Applications Native Applications Native Applications SDK (Language API) Zebra 2.0 Open Source Network Stack Fresh rewrite of Zebra/Quagga Data Plane agnostic NetOS Stack PontOS² Seamless integration with multiple Proprietary Data Plane platforms Performance and quality control for service providers PontOS² Implementation （実装）
32. プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 34 Zebra 2.0 on GitHub !! https://github.com/coreswitch/zebra https://github.com/coreswitch/openconfigd Zebra 2.0 Installation • Install openconfigd $ go get github.com/coreswitch/openconfigd/openconfigd • Install CLI $ go get github.com/coreswitch/openconfigd/cli_command $ cd $GOPATH/src/github.com/ coreswitch /openconfigd/cli $ ./configure; make $ sudo make install $ cd $GOPATH/src/github.com/coreswitch/openconfigd/bash_completion.d $ sudo cp cli /etc/bash_completion.d/ • Install zebra $ go get github.com/coreswitch/zebra/rib/ribd
33. プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 35 Zebra 2.0 Architecture CLI openconfigd Linux dataplane quaggad bgpd / ospfd ribd fea quagga openconfigd zebra gRPC gRPC (yang model) vtysh Tap interface netlink Hardware dataplane HW API (SAI, XDK etc.) zebra proto gRPC bgpd/ospfd gRPC gRPC etcd JSON Written from scratch in Go • openconfigd • configuration system • yang model • CLI (Junos like) • etcd for scalability • zebra/ribd • dataplane management (ex: FIB) • zebra/fea • multiple dataplane support • link/port, bridge domain etc. • New bgpd/ospfd • multi-core support • quaggad & zebra protocol • for backward compatibility
34. • オープンかつモジュラーなアーキテクチャ。 • 例：openconfigd 部分だけを利用して他製品に組み込み • Lagopus Router • https://github.com/lagopus/vsw • 新しい技術のユースケース確認が身近に • 例：SRv6 対応 （2017年11月） オープン＆オープンソースのデータプレーン管理プラットフォーム プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 36 Zebra 2.0 アーキテクチャの特徴
35. プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 37 Zebra2.0 SRv6 on Linux dataplane https://github.com/coreswitch/zebra/blob/master/docs/srv6.md
36. プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 38 Zebra2.0 + OpenConfigd + Quagga ospfd/bgpd On LXC Containers https://github.com/coreswitch/zebra/blob/master/docs/quagga-lxc.md
37. • Basic routing/switching features (ACL, NAT etc.) • New Protocol Support • SRv6 Network Programming • Forwarding Engine Abstraction • ASIC support (via SAI) • P4 dataplane (via SAI or P4-PI) • New Protocol Agents • BGP, OSPFv2, OSPFv3, IS-IS プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 39 Zebra 2.0 (future roadmap)
38. プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 40 プログラマブル・データプレーンが必要とされる もう １つの理由
39. プログラマブル・データプレーンが必要とされる もう １つの理由 プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 41 ムーアの法則の終焉 出典 ： https://www.karlrupp.net/2015/06/40-years-of-microprocessor-trend-data/ 待っていても性能は向上しない時代に いかに高価なCPUをオフロードするか？
40. プログラマブル・データプレーンが必要とされる もう １つの理由 プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 42 ムーアの法則の終焉 出典 ： https://www.karlrupp.net/2015/06/40-years-of-microprocessor-trend-data/ 「ユースケース最適」 な ハードウェアの選択 が必要に （ ASIC / NPU / FPGA ） 待っていても性能は向上しない時代に いかに高価なCPUをオフロードするか？
41. プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 43 p4alu Arithmetic Logic Unit written in P4 https://www.slideshare.net/kentaroebisawa/p4alu-arithmetic-logic-unit-in-p4 Source Code on GitHub https://github.com/ebiken/p4sandbox/tree/master/p4alu Generic P4 information in Japanese （日本語） How to Run P4 Behavior Model v2 (JAPANESE) https://www.slideshare.net/kentaroebisawa/how-to-run-p4-bmv2
42. プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 44 “p4alu: Arithmetic Logic Unit in P4” GPU => 機械学習 Ethernet ASIC => ??? In-Network Computing という未来へ https://www.slideshare.net/kentaroebisawa/p4alu-arithmetic-logic-unit-in-p4
43. CuiShark by @slankdev | https://github.com/slankdev/cuishark プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 45 packets after going through p4alu op1 opCode op2 result
44. CuiShark by @slankdev | https://github.com/slankdev/cuishark プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 46 packets after going through p4alu op1 opCode op2 result
45. プログラマブル・データプレーン時代に目指すもの プログラマブル・データプレーンの技術動向とネットワーク・オペレーション・スタックの実装例 | Okinawa Open Days 2017 47 データプレーンに自由を スケーラブルなデータプレーンを「個人」がプログラムできる時代に