SONiC与SDNoS架构深度解析：网络操作系统的未来

引言

随着云计算和大规模数据中心的快速发展，传统的网络操作系统已经难以满足现代网络基础设施的需求。在这个背景下，开源网络操作系统SONiC (Software for Open Networking in the Cloud) 应运而生，并逐渐成为业界关注的焦点。同时，SDNoS (Software Defined Network Operating System) 作为一种新型网络操作系统架构，也在不断发展和完善。本文将深入解析SONiC和SDNoS的架构设计，探讨它们如何改变网络设备的构建和管理方式。

SONiC架构概述

SONiC是由微软主导开发的开源网络操作系统，旨在为云环境提供一个标准化、可扩展的网络解决方案。它的核心优势在于实现了网络应用与底层硬件的解耦，使得同一套网络应用可以运行在不同厂商的网络设备上。

SONiC的核心组件

SONiC的架构由以下几个关键组件构成：

  1. Switch State Service (SWSS)：负责将网络配置转换为硬件编程指令
  2. SAI Redis：提供SAI API的Redis实现，作为应用和硬件之间的桥梁
  3. 数据库层：使用Redis数据库存储网络状态和配置
  4. 同步守护进程：确保系统状态的一致性
  5. 应用层：包括各种网络功能模块，如BGP、LLDP等

SWSS详解：网络配置的编排系统

Switch State Service (SWSS) 是SONiC的核心组件之一，它负责将高层网络配置转换为底层硬件编程指令。SWSS采用了模块化的设计，通过一系列专门的编排器（Orchestrator）来处理不同类型的网络功能。

SWSS的架构设计

SWSS的架构主要包括以下部分：

1. OrchDaemon - 编排管理器

OrchDaemon是SWSS的中央控制器，负责初始化和管理所有编排器，设置事件处理循环，并协调数据库和编排器之间的信息流。它的主要职责包括：

  • 按特定顺序创建所需的编排器，以处理依赖关系
  • 将编排器连接到各自的数据库表
  • 将每个编排器添加到目录中，以便跨编排器引用
  • 运行主事件循环，处理数据库更新并将其分派给适当的编排器

2. 核心编排器及其依赖关系

SWSS架构包括多个专门的编排器，每个编排器负责特定的网络功能域。这些编排器之间存在依赖关系，主要包括：

  • PortsOrch：管理物理和逻辑端口，是许多其他网络功能的基础
  • RouteOrch：管理IP路由，与NeighOrch和IntfsOrch密切合作以解析下一跳
  • NeighOrch：管理邻居条目（ARP/NDP），对于正确的路由功能至关重要
  • IntfsOrch：管理网络接口，如路由器接口和VLAN接口

3. 配置数据流

配置数据在SWSS系统中的流动遵循以下路径：

  1. 配置首先被写入CONFIG_DB
  2. 各种管理器（如VlanMgr、IntfMgr等）监听CONFIG_DB的变化
  3. 管理器处理配置并将其转换为APP_DB中的条目
  4. 编排器监听APP_DB的变化
  5. 编排器处理APP_DB条目并通过SAI API编程硬件
  6. 硬件状态被写入ASIC_DB

4. 性能考虑

SWSS采用了几种设计模式来优化性能：

  • 批量操作：许多编排器使用SAI批量API高效地编程多个对象
  • 事件驱动架构：使用select循环响应数据库事件，而不是轮询
  • 状态缓存：编排器维护已编程对象的内存缓存，避免冗余操作
  • 引用计数：用于跟踪对象之间的依赖关系，防止过早移除
  • 计数器和统计：灵活的计数器用于性能监控和诊断

SAI Redis：硬件抽象的桥梁

SAI Redis（sonic-sairedis）是SONiC网络操作系统生态系统中的关键基础设施组件。它作为高级网络应用和特定厂商的Switch Abstraction Interface (SAI) 实现之间的桥梁，使SONiC能够通过统一接口支持多样化的交换ASIC。

SAI Redis的系统架构

SAI Redis系统由几个相互连接的组件组成，这些组件协同工作，通过Redis提供SAI功能：

1. 关键组件

组件 描述
SAI Redis接口 实现SAI API并将操作序列化到Redis
Meta验证 在执行前根据元数据验证SAI操作
syncd守护进程 作为Redis和厂商SAI之间的桥梁，处理操作和通知
对象ID转换 在虚拟ID (VID) 和真实ID (RID) 之间进行转换
通知处理 处理来自硬件的事件并将其传播到应用程序
FlexCounter系统 按配置的间隔从SAI对象收集统计信息

2. 数据流

当应用程序进行SAI调用时，会发生以下流程：

  1. 应用程序调用SAI Redis接口函数
  2. Meta验证系统验证操作的有效性
  3. 操作被序列化并发送到Redis
  4. syncd守护进程从Redis接收操作
  5. syncd将虚拟对象ID转换为真实对象ID
  6. syncd调用厂商SAI实现
  7. 结果被转换回虚拟ID并通过Redis返回

3. 对象ID转换系统

SAI Redis的一个关键特性是在应用程序使用的虚拟对象ID (VID) 和硬件使用的真实对象ID (RID) 之间的转换：

这种转换系统提供了几个好处：

  • VID在系统重启后保持一致
  • 应用程序可以使用稳定的标识符引用对象
  • 在热重启场景中可以保留状态
  • VID包含多ASIC支持的上下文信息

SDNoS：软件定义网络操作系统

SDNoS (Software Defined Network Operating System) 是一种新型网络操作系统架构，它借鉴了软件定义网络的理念，将网络控制平面与数据平面分离，提供更灵活、更可编程的网络基础设施。

SDNoS的架构特点

SDNoS的架构设计具有以下特点：

  1. 控制平面与数据平面分离：遵循SDN的核心理念，实现网络控制逻辑与数据转发的分离
  2. 集中式控制：提供统一的控制平面，简化网络管理和配置
  3. 开放接口：支持标准化的南向接口（如OpenFlow、P4）和北向接口
  4. 可编程性：允许用户通过API或编程语言定制网络行为
  5. 虚拟化支持：原生支持网络功能虚拟化（NFV）和网络切片

SONiC与SDNoS的比较与融合

SONiC和SDNoS虽然在设计理念和架构上有所不同，但它们都致力于解决传统网络操作系统的局限性，提供更开放、更灵活的网络解决方案。

相同点

  1. 开放性：两者都采用开放架构，支持多厂商硬件
  2. 模块化设计：采用模块化组件，便于扩展和定制
  3. 自动化支持：提供丰富的API和接口，便于网络自动化
  4. 容器化：使用容器技术隔离不同的网络功能

不同点

  1. 设计理念：SONiC更注重硬件抽象和云环境优化，SDNoS更强调软件定义和可编程性
  2. 控制模式：SONiC采用分布式控制，SDNoS倾向于集中式控制
  3. 应用场景：SONiC主要面向数据中心网络，SDNoS适用范围更广
  4. 成熟度：SONiC已在大规模生产环境部署，SDNoS相对较新

融合趋势

随着网络技术的发展，SONiC和SDNoS的边界正在变得模糊，两者的优势特性正在相互融合：

  1. SONiC正在增强其可编程性和控制平面功能
  2. SDNoS正在借鉴SONiC的硬件抽象模型
  3. 两者都在向支持更多网络场景的方向发展
  4. 开源社区的贡献促进了技术的交流和融合

结论

SONiC和SDNoS代表了网络操作系统的未来发展方向。SONiC通过其模块化架构和硬件抽象能力，成功解决了传统网络设备的封闭性问题；而SDNoS则通过软件定义的理念，为网络提供了更高的灵活性和可编程性。随着这两种架构的不断发展和融合，我们可以期待未来的网络操作系统将更加开放、灵活、智能，为云计算和数字化转型提供更强大的网络基础设施支持。

参考资料

  1. SONiC-SWSS Architecture
  2. SONiC-SAIRedis Overview
  3. SONiC Documentation
  4. Microsoft SONiC
  5. Open Compute Project - SONiC
发布于 2024年05月15日
分类： 网络技术
标签： SONiC , SDNoS , 网络操作系统 , SAI , 开源网络