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ルーター開発
~むつかしき問題~
大江 将史<masa@fumi.org>
国立天文台
2014/6/11 Interop2014_C2-08 1
インタロップ2014講演資料抜粋
おことわり
詳細な調査に基づく発表としております.しか
しながら,諸事情により,具体的な製造元など
を細かくお伝えできない場面があることをご理
解ください.
本資料は,公開用のため,確信は記載されてい
ません.講演に参加された方のみぞ知る話です.
2014/6/11 Interop2014_C2-08 2
ルーターとスイッチング
ハードウェアの今を知る
何がむつかしいのかを知るために
2014/6/11 Interop2014_C2-08 3
ことばの確認
ルータとスイッチングハブ(スイッチ)
•ルータとは?
•Layer-3(L3)のIP層において,異なるネットワーク
間の通信を中継する機器
•ルータの基本
•ルーティング
•届いたIPパケットの「宛先」を「経路表(ルーティングテーブル)」を参照
し,次の宛先,インターフェース等を把握
•経路表は,OSPFやBGPといったルーティングプロトコルでコントロール
される.
•フォワーディング
•次の宛先へIPパケットを送ること
2014/6/11 Interop2014_C2-08 4
ここでのルータとは・・・
• 10G・100GbEのような広帯域に対応
し,キャリアにおいてインターネットの全経路
(通称フルルート)を処理する能力を有する機
器
• ルーティングプロトコルの信頼性が高い.
2014/6/11 Interop2014_C2-08 5
ことばの確認
ルータとスイッチングハブ(スイッチ)
•Layer2(L2)スイッチとは?
•データリンク層(Ethernet)において,適切なインター
フェースへ通信を中継する
•L2スイッチの基本
•スイッチング
•届いたEthernetフレームの「宛先MAC」を,FIB(フォワーディング
インフォメーションベース)から適切な宛先インターフェースを把握
•フォワーディング
•宛先へEthernetフレームを送ること
•L3スイッチ=ルータのようにルーティング(=
スイッチング)とフォワーディングする.
• 基本機能は,ルータに同じ
2014/6/11 Interop2014_C2-08 6
ポイント
•L2でもL3でも
•ルータでもスイッチングハブでも,
「受信」「宛先を検索」「送信」
が基本です.
2014/6/11 Interop2014_C2-08 7
今の通信機器
10GbE/40GbE L2/L3 スイッチ,ルータと呼
ばれる製品の内部構成
ブロードコム
BCM56840シリーズ
スイッチ機能制御部
スイッチ機能
LSI
拡張I/F
電源
メーカーA
2014/6/11 Interop2014_C2-08 8
今の通信機器
10GbE/40GbE L2/L3 スイッチ,ルータと呼
ばれる製品の内部構成
スイッチ機能LSI
BCM56840
10GbE x 24 40GbE x 2 (10GbE x 4 x 2)
スイッチ機能制御部
メーカーB
2014/6/11 Interop2014_C2-08 9
コアの部品は,同じ
•汎用LSIの活用が垣間見れる
•Broadcom Trident I / BCM56841A3KFRBG US$ 500
Cisco Nexus 3000/ Arista 7050 / Force 10 S4810 / Juniper QFX3500 他など
Ethernet スイッチングLSIのベースに製品を仕上げる
=
2014/6/11 Interop2014_C2-08 10
(参考)
LSI・ASIC・FPGA
•LSI
•ターゲット・クロックを元に回路デザインをして作成,製造
•コスト高い,高性能を追及できる.CPU等
•汎用LSI一般に販売されている.既製品
•専用LSIメーカ専用品
•ASIC
•既成のASIC上に,必要な機能を実装する.
•高性能を追及ができないが,LSIより安価に開発,量産効果
•FPGA
•メモリーのお化け,いつでも自由に回路を書き換えられる.
•規模が大きくなるといろいろ課題も生じる.FPGAそのものが高
価
•たくさん使うなら,ASICほうが安いとも.
2014/6/11 Interop2014_C2-08 11
機器の構成イメージ
コア機能
制御部
(x86/PorwerPC)
Linux / *BSD /
等OS
ソフトウェア制御
• ルーティングプロ
トコル
• ループ検出
• スタッキング制御
• CLI
(FPGA)
(ASIC)
(汎用LSI)
• 独自プロトコルなどの実装用
• 独自のスイッチング実装
汎用LSIのSERDESなど一部機能
のみを利用する場合もある
専用LSIや汎用LSI
ASICを利用
この点の実装で汎用LSIであっても
製品間の違いがでてくる.
2014/6/11 Interop2014_C2-08 12
(参考)L2/L3 LSI機能ブ
ロックデザイン( 10GbE x 64 ports )
Forwarding Engine
TCAM L3 Longest
Prefix Match
L2
MAC
TCAM
Buffer memory
SERDES
SERDES
ACLTCAM
SERDES:
シリアル-パラレル変換
SERDES
SERDES
2014/6/11 Interop2014_C2-08 13
(参考)汎用LSI
シャーシスイッチ・高機能化
•スケーラビリティ:多段構成を組め
る
•ボックススイッチからシャーシスイッチまで可
•Broadcom Trident II StrataXGS BCM56850
•1.28T/960G/720Gbpsのシリーズ
•1.28Tbps : 32port 40GbE
•HiGIG (Broadcom バックプレーン間接続用通
信方式)とファブリックモジュール用BCM56750
によるモジュラー構造構成
•高機能サービス実装
•FCoE / VxLAN 出典: Broadcom BCM56850 data sheet
2014/6/11 Interop2014_C2-08 15
ベンダーの開発動向
• スイッチ・ルータ用に独自LSIを設計・製作する
ベンダー
• 上位機種に採用,汎用LSIも併用
• 下位機種は,汎用LSIを採用
• 高性能を手に入れ,マーケティングやビジネス上のリスクも負う
• スイッチ・ルータ用に独自ASICを製作するベン
ダー
• ベースとなるASICのチップ上に設計パターンを乗せるイメージ
• ちょっと前までは,ASICで十分な性能でした.
• 汎用LSIの機能を利用,独自実装するより安い
• スイッチ・ルータ用に汎用LSIを活用するベン
ダー
• ホワイトボックススイッチの台頭
2014/6/11 Interop2014_C2-08 16
何がそんなに大変なの?
ワイヤーレートとデバイスの限界
•ワイヤーレートでのルーティングを達成すること
•パケットを受信
•ルーティングテーブル参照
•フォワーディング
•パケット送信
次のフレームが来るまでに完了させないといけない.
•処理能力は,バンド幅(bps)ではなく,フレーム
(パケット)数(fps・pps)を基準に考える.
•バンド幅の拡大=1フレームの処理の猶予が少なくなる
I/Fバンド幅 ワイヤーレート時
百万FPS
フレーム処理時間
1Gbps 1.488095 672μs
10Gbps 14.88095 67.2ns
40Gbps 59.5238 16.8ns
2014/6/11 Interop2014_C2-08 17
帯域が拡大
高速化は幅ではなく時間が効いてくる
!10Gbps = 約67nsの猶予
•DRAM
•DDR/DDR2/DDR3と高速化!
•いやそれは,車線(アクセス幅)が広くなっている.
•車の速度,ビットを取り出せる時間はあまりかわらない.
•遅延 49ns~+アクセスタイム
•まとまったデータを取り出すのは早いけど,初動が重い.
•SRAM
•CPUのキャッシュなど,高価で電力も必要
•Sandy Bridge Core i3 3.3GHzの場合,L1:4Cycle(1.2ns) L2: 12Cycle(3.6ns)
L3:27.85Cycle(8.355ns) / 1Cycle =0.3ns
•初動が速いけど,コスト(DRAMの4倍~),電力消費(DRA
Mの4倍)
2014/6/11 Interop2014_C2-08 18
処理の猶予とメモリデバイスの速度
• TCAM(TernaryCAM)
• MACやIPを高速に一定時間で検索する
• 連想メモリ,保存ではなく「検索」のメモリー
• 0-1ーdの3ステートにより,Longest Matc
h検索やワイルドカードで検索できる.
• SRAMの8倍以上の価格,SRAMの2倍以上の消費電力
• TCAMとSRAMを組み合わせる
• どんな問い合わせでも一定時間(2クロック)で答えが出る.
• 実装上はすごく有利
• ACL,L2,L3の検索に活用
• 40Mbit品でIPv4が100万エント
リ
• 51.2万経路 で18Mbit必要・IPv6なら12.
8万経路
2014/6/11 Interop2014_C2-08 19
TCAM
経路検索
インデックス
SRAM
参照
経路確定
TCAMの乗せれば解決?
•いわゆる力技・正攻法
•消費電力大,冷却設計,回路線長の限界
•いわゆる逃げ
•100万経路(相当)対応,相当って?
•経路の特性を利用して,経路を圧縮,TCAMを圧縮
2014/6/11 Interop2014_C2-08 20
ここまでのまとめ
•ハードウェア視点から見ると,広帯域化は,L
3・L2の宛先検索がボトルネックになる
L3フルルート(100万経路越え)
L2MACアドレステーブル(大量のMAC)
デカいテーブルは,デバイス技術の観点から
コスト・消費電力・設計が大変.
2014/6/11 Interop2014_C2-08 21
ディスカッション
2014/6/11 Interop2014_C2-08 22
テーマ
•生き残れるのはどこだ!
•スイッチング機器
•ルータ機器
2014/6/11 Interop2014_C2-08 23
生存競争
1)運用やプロトコルにより,開発制約を緩く
する
2A)直球で勝負
ハード・ソフト開発の正常進化
2B)アイデアで勝負できる
実用性に耐えうる実装をアイデアで開発
3)別の道へ進む
2014/6/11 Interop2014_C2-08 24
生き様1)冒険して高性能達成
ミッド・バックプレーンを廃止
•もちろん,ブレークスルーする
ベンダーもあります.
•例)ファブリックと各IOモ
ジュールを直交接続化
• ミッドバックプレーンは,線
路長が与える物理的な制約によ
り,高速化・低遅延化がむつか
しくなる.
•ASIC+汎用LSIで広帯域
化・低遅延を実現
• ただし,モジュールスロットの
バリエーションが組めない.
2014/6/11 Interop2014_C2-08 25
生き様2)
経路を圧縮してTCAM削減
•もちろん,ブレークスルーするベンダーもあり
ます.
•例)TCAMを増やすのではなく,ハッシュ化
や,多段構成で検索するなどにより,フルルー
ト相当を実現.
2014/6/11 Interop2014_C2-08 26
生き様概況・生き残れる?
•ルーター直球開発
•ルーター変化球
•フルルートルーターじゃないけど・
•用途の集約化で設計効率を高める
•汎用LSI活用
2014/6/11 Interop2014_C2-08 27
鍛え上げられる=完成度が高くなる
シェアを落とす=完成度は??
•生き残るためにベンダーは,
生存競争を正攻法やアイデア
で生き抜く
2014/6/11 Interop2014_C2-08 28
変化球
• ハッシュなど経路の圧縮によるTCAM削減
• 必要十分に絞ったTCAM量
• カスタムLSI,汎用LSI,ASIC
正攻法
• カスタムLSI
• 十分なTCAM
ハードウエア屋の悩みを知ると,ダ
メなところが見えてくる
•デバイスの壁にぶち当たってるベンダーから話を聞く
と,IPv6は罪作りなプロトコル
•「ハードウェアにやさしい」なんて教えられましたが・・・
•ルーティングテーブルがデカくなる可能性がある
•デュアルスタック=TCAM2倍以上
•運用の「もしかして」に備えた「余裕」により設計が
むつかしくなる
•200万ルート,それとも100万ルート?
•ベンダーは黙々と頑張りますが,こんな状況にみなさ
んはどうお考えですか?
2014/6/11 Interop2014_C2-08 29
マルチから特定用途機器へ変化
•マルチこなす機器から特定用途向け視点を持った進化
•データセンタ事業者・キャリア事業者の視点でどうとらえていますか?
•たとえば?
•DCに必要な機能に絞ったホワイトボックススイッチ+オリジナルOS?
•(参考)ルーター&スイッチのトレンド
•低遅延性
•L2/L3テーブルサイズ
•VxLAN・SDN
•OpenFlow
•PTP,パケットへのタイムスタンプ挿入
•スタッキング・ループ防止
•スイッチング帯域
多機能から費用対効果を考慮した用途別すみわけ
2014/6/11 Interop2014_C2-08 30

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