ネットワークOS野郎 ~ インフラ野郎Night 20160414

(仮) このNetwork OS野郎!!
～ネットワークOSの作り方～
海老澤健太郎＠Ponto Networks, Inc.
Twitter: @ebiken
(仮) このNetwork OS野郎!! ＠インフラ野郎Night おかわり｜ 2017/04/14 ｜海老澤健太郎＠Ponto Networks, Inc. 1

世の中には２種類の野郎がいる
（*）野郎＝ジェンダーを問わず

自作する野郎
ネットワークOS（NOS）を
自作しない野郎
自ら道具を磨き進化させる野郎与えられた道具を使い続ける野郎

「ネットワークOS」とは？
自分、「ネットワークOS」作ってるんすよ
ネットワーク処理に特化した割込とか、
コアの割り当てとか、
スケジューリングとか欲しくないですか？
ようやく、BIOSから起動してコンソールに
文字がでるまではできたんすよね
お、楽しそう。どんなの？
？！？ (￣Д￣;)！？！？

「ネットワークOS」とは？
ネットワーク処理に特化したカーネル
（スイッチ等）
ネットワーク機器を動かす
ドライバ・アプリの集合

サーバー vs スイッチの中身
Edge-Core AS7512-32X
http://www.edge-core.com/productsInfo.php?cls=1&cls2=5&cls3=68&id=129
ネットワークの専門家しか
理解できない特別な機械！？

PCI express
CPU
Memory
MemoryMemory
ASIC
マザー
ボード
Switch
ボード
PCI express
CPU
Memory
MemoryMemory
ASIC
FAN
LED
Sensor
NIC
カード
CPU
ボード
サーバーの中身スイッチの中身
ASIC

スイッチのパケット処理
パーサー
（ヘッダ解析）
パケット処理パイプライン
変換・転送
エンジン
OF L2 L3 ACL
マッチ・テーブル
Subnet (LPM) Gateway Port
192.168.10.0 /24 10.0.0.5 5
192.168.20.0 /24 172.16.0.1 1
... ... ...
0.0.0.0/0 172.16.0.1 1
Layer 3 table
MAC Address Port
00-00-5E-00-53-01 1
00-00-5E-00-53-02 2
00-00-5E-00-53-03 3
00-00-5E-00-53-04 4
Layer 2 Table
パケット・ヘッダを解析
テーブル検索（Match）
処理（Action）
Action
Drop / Forward
Rewrite
Push / Pop

ASIC（データプレーン）の処理
PCI express
CPU
Memory
MemoryMemory
ASIC
FAN
LED
Sensor
パーサー
（ヘッダ解析）
パケット処理パイプライン
変換・転送
エンジン
OF L2 L3 ACL
マッチ・テーブル
ネットワークOS

ネットワークOSの中身
PCI express
CPU
Memory
MemoryMemory
ASIC
FAN
LED
Sensor
Base OS (ex: Linux)
User Interface
(CLI, Shell, REST API)
misc drivers
(Fan, LED, Sensor)
ASIC
driver
Protocol AgentProtocol AgentProtocol Agent
（BGP, OSPF ...)
ASIC ControllerConfig Manager
ASIC SDK (API)System Manager

ネットワークOS は
（いわゆる）
オペレーティングシステムではない

ネットワークOSを作る
↓
ASICに処理方法を教えるアプリを作る

↓
皆さんが普段関わっている
技術と比較してみましょう。
むずかしくない？

Reference:
(*1) https://www.theregister.co.uk/2016/03/31/intel_broadwell_ep_xeon_e5_2600_v4/
(*2) https://sebastianraschka.com/faq/docs/difference-deep-and-normal-learning.html
(*3) http://ssmlwf.azurewebsites.net/
(*4) http://www.syuheiuda.com/?p=3972
COMPLEX  SIMPLE ☺
(*1) Broadwell EP 24 Core Arrangement (*2) MLPs : multi-layer perceptrons
(*3) Azure Cloud IoT Solution Architecture
(*4) そうだコンテナーデータセンターを作ろう
Parse -> Match -> Action

なぜ今までは作れなかったのか？
なぜ今作れるのか？

なぜ今、ネットワークOSを作れるのか？
ハードウェアの調達
ASIC SDK/APIの入手
開発リソースの確保
ネットワークOS作成のハードル

ディスアグリゲーション＝ソフト・ハード分離
Google
• B4 (G-Scale Network)
• データセンター間のトラフィック管理
• コントローラーからトラフィック分布を管理可
能なネットワークOSの自作
• 最も初期の “SDN” のひとつ
Facebook
• Wedge + FBOSS
• サーバーと同じツール・手法でネットワーク機
器を運用管理可能に
• サーバーと同じハード・ソフト（OS）に、ASIC及
びASIC管理ソフトを追加
Microsoft
• SONiC / SAI
• 自動化ツールと統合可能なネットワークOS
• ASIC API の標準化を提唱（SAI）
LinkedIn
• Project Falco
• 問題検知・解析を可能とする統計情報など
をASICから取得可能に
• 社内で迅速なバグ修正が可能に

• サーバー運用管理で培ったイノベーションをネットワークへ
• Linux ベースの自動化ツール
• e.g. Chef/Puppet/Ansible/CFEngine ...
• 時代遅れの監視・ログツールへの依存を軽減
• SNMP ⇒ Kafka (pub/sub messaging for telemetry)
• バグのタイムリーな修正（自社のプライオリティに応じた）
• 自社で使用しない機能に由来するバグからの脱却
• ライセンスやサポート費用のスケーラビリティ
ディスアグリゲーションの目的

ODMベンダー中心に、ハードウェア「だけ」を購入可能に
スイッチハードウェアのホワイトボックス化

ASIC SDK/API のオープン化・標準化
Base OS (ex: Linux)
User Interface
misc drivers
(Fan, LED, Sensor)
（BGP, OSPF ...)
System Manager
ASIC
driver
ASIC SDK (API)
ASICベンダーに
よるロックイン

ASIC SDK/API のオープン化・標準化
Broadcom Mellanox Cavium
OF-DPA
OpenNSL
Open
Ethernet
OpenXPS SDK/API
ASIC Broadcom Mellanox Cavium
Switch Abstraction Interface (SAI)
Data Plane Abstraction
Broadcom Mellanox Cavium
Layer 2/3 Agents
(OSPF, BGP, STP, LLDP ...)
Data Plane Abstraction
SAI
Layer 2/3 Agents
(OSPF, BGP, STP, LLDP ...)
Plug-in
ASIC SDK/API のオープン化 ASIC SDK/API の標準化

オープンソースNOSの登場
スイッチハードウェア向けベースOSの提供
Open Network Linux
フル・ネットワークOS
OpenSwitch (Dell + SnapRoute)
制御アプリ（プロトコル・エージェント）
SnapRoute (FlexSwitch)
SONiC (Microsoft)| FBOSS (Facebook)

ハードウェアの調達
⇒ ホワイトボックス（ODM製ハードウェア）の購入
ASIC SDK/APIの入手
⇒ APIのオープン化・標準化（SAI）
開発リソースの確保
⇒ オープンソースなネットワークOSの登場
ネットワークOS作成のハードル（解消）
Giants以外も独自NOSを利用可能に！！

ネットワークOSの作り方
スクラッチから作りたい人向けに

1. スイッチ・ハードウェアの調達
2. ベースOSの選択
3. ASIC SDK/API 入手
4. ASIC コントローラー作成
5. お好みのUI を作成
• オプション
• Protocol Agent
• Config Manager
ネットワークOSの作り方（５ステップ＋オプション）
Base OS (ex: Linux)
User Interface
misc drivers
(Fan, LED, Sensor)
ASIC
driver
（BGP, OSPF ...)
ASIC SDK (API)System Manager
スイッチ・ハードウェア

1. スイッチ・ハードウェアの調達
http://www.colfaxdirect.com/store/pc/viewPrd.asp?idproduct=3019

Linux Distribution
Open Network Linux
https://opennetlinux.org/

3. ASIC SDK / API 入手
Broadcom
Mellanox
Cavium
Open Ethernet
http://www.mellanox.com/open-ethernet/
OpenNSL
https://github.com/Broadcom-Switch/OpenNSL/
OpenXPS
https://github.com/XPliant/OpenXPS

User Interface
（BGP, OSPF ...)
ASIC Controller
ASIC SDK (API)
(OpenXPS as an example)
sai_create_vlan_fn() sai_create_route_fn()
SAI (Switch Abstraction Interface)xpsVlanCreate()
VLAN作成ルート作成

5. お好みのUIを作成
“REST API” <お好みの言語>
サーバー系パッケージの流用（だってLinuxだもん）
野郎は黙って「自作」
http://qiita.com/isaoshimizu/items/71dd2ca2a08ddb607e31

1. スイッチ・ハードウェア
• Edge-Core AS7512-32X (XPliant, 100G x 32 port)
• 某 Linux Distribution
3. ASIC SDK/API 入手
• Cavium から直接入手
• Golang で実装
5. お好みのUI を作成
• CLI: Bash Extension (JunOS like)
• REST API (Golang)
• Config Manager
• 自作 (Zebra2.0)
• Routing Agent
• Quagga, GoBGP, Zebra 2.0
• GTP対応 Match/Action （ASICプロファイルをカスタマイズ）
作ってみた（PontOS）
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
Flex ASIC
(XPliant etc.)
Linux Kernel
Network Stack
SmartNIC,
NPU, FPGA
Native
Applications
Native
Applications
Native
Applications
SDK
(Language API)

Slides by 石黒邦宏 at ONIC Japan 2016
"Zebra 2.0 – SDN, NFV, Container時代の
Networking Softwareの設計と実装"
http://onic.jp/program-detail/#f07

http://www.pontonetworks.com/
Locations
Head Quater
San Diego (USA)
Development
Tokyo (Japan) + San Jose (USA)
Investors
Ex-exectutives of Internet and Mobile industry.
Ponto Networks, Inc.

• プログラマブルなデータプレーンでできる事
• パーサーやマッチ/アクションのカスタマイズ ⇒ 新しいプロトコルをASICで処理
• テーブル設計のカスタマイズ ⇒ リソースの有効活用⇒ スケーラビリティの向上
• アプリケーション：
• GTPなど、モバイル分野でのコモディティ機器の利用
• In-band Network Telemetry
• パケットのふるまいを実トラフィックで観測
• AT&T exploited the programmability of the chip to add In-band Network Telemetry (INT).
• https://www.sdxcentral.com/articles/news/att-picks-barefoot-networks-programmable-switches
• Tbps級のLBを数百万円のハードで実現
• 参考："OPEN NETWORKING" に向けた Management / Data Plane の動向
• ENOG#41＠佐渡
• https://www.slideshare.net/kentaroebisawa/open-networking-management-data-plane
プログラマブル・データプレーンの世界

ネットワークOSを取り巻く環境（まとめ）
つくった感想

• ASICドライバやSDKはソースコードでは公
開されていない
⇒ 対応してないモデルやOS(Kernel)も。
現状の課題
• オープンソースはネットワークOSの一部分
⇒ SONiC, FBOSS, SnapRoute
• SAIだけでは実現できない機能も
⇒ ACL, Match/Action Rules, MPLS etc.
• Full NOS としての OpenSwitch
の今後に期待
⇒ HPE -> Dell/SnapRoute 12月に移行開始
• 活発な機能追加提案進行中
⇒ “SAI: Releasing the Potential of Switch ASIC”
OCP2017 Slide (*)
(*) http://www.opencompute.org/wiki/Networking/Summit-2017-03#0930_-_SAI:_Releasing_the_Potential_of_Switch_ASIC

ネットワークOSを取り巻く環境（まとめ）
ネットワークOSを作るためのパーツはそろった！！
オープンなハードウェア
オープンな ASIC API/SDK
オープンなネットワークOS
（サーバーのように）
ネットワーク機器（ASIC）上で
自分のアプリを開発できる時代に！

世の中には２種類の野郎がいる
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