模塊化直面網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用挑戰(zhàn)

朱杰

編者按:

冷冰冰的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)才有了鮮活的生命。

不同品牌的路由器、交換機(jī),外表上看差別不大,真正讓思科、Juniper、H3C等廠商們角逐的其實(shí)是設(shè)備內(nèi)部看不見的操作系統(tǒng)。從本期開始,我們將開設(shè)“網(wǎng)絡(luò)設(shè)備操作系統(tǒng)較量”專欄,從模塊化選擇、安全性比較、開放性設(shè)計(jì)等角度,分期為您展示網(wǎng)絡(luò)設(shè)備背后的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備操作系統(tǒng)較量(一)

一個(gè)好的操作系統(tǒng),對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的影響非常明顯,而一個(gè)設(shè)計(jì)合理的模塊化結(jié)構(gòu),將極大地保障操作系統(tǒng)對(duì)各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的支持。

模塊化是大勢(shì)所趨

最初網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)通?；赨NIX系統(tǒng)開發(fā),幫助網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)現(xiàn)最簡(jiǎn)單的路由交換功能,應(yīng)用比較單一,而且對(duì)設(shè)備管理人員來說,最初的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)對(duì)其專業(yè)水平有著較高的要求,因?yàn)橄到y(tǒng)大多通過命令行操作的方式來對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理,因此運(yùn)行維護(hù)成本較高。此外,當(dāng)時(shí)系統(tǒng)的并行處理能力相對(duì)較差,某一個(gè)進(jìn)程故障,容易造成整個(gè)內(nèi)存溢出而崩潰,直接造成嚴(yán)重的業(yè)務(wù)損失。

隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的不斷復(fù)雜,網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的功能也在不斷增加,這對(duì)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)提出了更高的要求。Juniper公司1998年推出第一款路由器產(chǎn)品M40,所采用的操作系統(tǒng)JUNOS基于一種模塊化架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā),在網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)領(lǐng)域開創(chuàng)了模塊化的先河。Juniper公司工程師王棟告訴記者:“JUNOS操作系統(tǒng)最早是基于FreeBSD的內(nèi)核作為基礎(chǔ)開發(fā)的,它借鑒和繼承了傳統(tǒng)UNIX系統(tǒng)既有的多進(jìn)程并行處理的計(jì)算能力。各實(shí)例進(jìn)程間并行處理,互不影響。模塊化JUNOS軟件架構(gòu)確保每個(gè)處理功能都獨(dú)立運(yùn)行在受保護(hù)的專用內(nèi)存中。路由協(xié)議、接口管理、機(jī)箱管理、SNMP管理和其他主要功能都作為獨(dú)立進(jìn)程發(fā)揮作用,使用自己專用的受保護(hù)內(nèi)存。單一管理進(jìn)程可監(jiān)管所有的內(nèi)核進(jìn)程,防止它們改寫彼此的內(nèi)存?！?/p>

通過多年的實(shí)際應(yīng)用,我們發(fā)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì),可以為企業(yè)帶來諸多好處,其中一大好處就是企業(yè)可以大大降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行維護(hù)成本。以JUNOS軟件為例,在使用該軟件后,基于模塊化穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)架構(gòu),不僅網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的運(yùn)行效率得到快速提升,而且對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來說,諸如規(guī)劃、建設(shè)基礎(chǔ)架構(gòu)、處理計(jì)劃中與計(jì)劃外網(wǎng)絡(luò)事件等工作,不但發(fā)生頻率降低,執(zhí)行時(shí)間也相應(yīng)減少。

同時(shí),模塊化網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的應(yīng)用,也降低了網(wǎng)管人員的工作壓力。以JUNOS軟件為例,它學(xué)習(xí)曲線短,管理簡(jiǎn)單、容易維護(hù),支持不中斷轉(zhuǎn)發(fā)(NSF)、不中斷的有效路由(NSR)以及不中斷業(yè)務(wù)的在線軟件升級(jí)特性(ISSU)能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)運(yùn)行和保證最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間,即便在惡劣的網(wǎng)絡(luò)條件下也不例外。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)各有特色

目前,各大網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商基本都認(rèn)識(shí)到在網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)中采用模塊化設(shè)計(jì)的好處,并相應(yīng)推出了自己的模塊化操作系統(tǒng)平臺(tái)。不過在模塊化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,各大廠商的系統(tǒng)在功能表現(xiàn)上各有特色。

H3C的Comware軟件平臺(tái),是以IPv4/IPv6協(xié)議棧為基礎(chǔ),集成了鏈路層協(xié)議、以太網(wǎng)交換技術(shù)、IRF技術(shù)、路由技術(shù)、MPLS技術(shù)、VPN技術(shù)、Q操作系統(tǒng)技術(shù)、語音技術(shù)、安全技術(shù)等豐富的數(shù)據(jù)通信特性。通過采用模塊化設(shè)計(jì),Comware軟件可以對(duì)各種操作系統(tǒng)、各種硬件進(jìn)行了有效的封裝和屏蔽,具有良好的伸縮性和可移植性。

模塊化同樣是銳捷網(wǎng)絡(luò)新一代RGOS操作系統(tǒng)的主要特性之一。銳捷網(wǎng)絡(luò)工程師項(xiàng)小升告訴記者,RGOS是一種完全模塊化的軟件平臺(tái),它的各組成部分都針對(duì)完全獨(dú)立的硬件模塊,功能模塊代碼與運(yùn)行都嚴(yán)格區(qū)分,統(tǒng)一模塊接口。POSIX可移植操作系統(tǒng)接口是RGOS中關(guān)鍵的一個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接口,通過POSIX,操作系統(tǒng)的各功能模塊可以與內(nèi)核通信和調(diào)度,達(dá)到了代碼和運(yùn)行的完全模塊化。同時(shí),RGOS還擁有一個(gè)硬件抽象層,可以通過不同的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序連接不同的硬件設(shè)備,實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)與硬件的無關(guān)性。

FTOS是Force10最新推出的操作系統(tǒng),同樣采用了模塊化的架構(gòu)設(shè)計(jì)。在這個(gè)系統(tǒng)中,設(shè)計(jì)者為網(wǎng)絡(luò)功能提供了專用資源,以確保豐富服務(wù)環(huán)境所需的可預(yù)測(cè)性能。此外,FTOS系統(tǒng)還可將 sFlow 或 BFD 等進(jìn)程的負(fù)載轉(zhuǎn)移至E系列和C系列交換機(jī)/路由器的線路卡上,從而使設(shè)備能夠同時(shí)輕松運(yùn)行多個(gè)進(jìn)程而不降低性能。通過分配處理容量與控制面板功能,FTOS使Force10 交換機(jī)/路由器能夠在無損可靠性或性能的情況下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)擴(kuò)展。模塊化設(shè)計(jì)還可以讓系統(tǒng)與第三方應(yīng)用與功能快速集成。

模塊化設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)可擴(kuò)展性的提升在思科公司的IOS系統(tǒng)得到充分體現(xiàn)。該系統(tǒng)最初支持的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議非常少,隨著技術(shù)的發(fā)展,需要支持和能夠支持的協(xié)議、功能逐漸增加。由于IOS系統(tǒng)采用了非常合理的模塊化結(jié)構(gòu),按照應(yīng)用需求分成五大模塊,各部分相對(duì)獨(dú)立,互不影響,因此可以非常方便地進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí),同時(shí)保證單一的代碼庫(kù)。例如當(dāng)出現(xiàn)報(bào)文緩沖和快速交換需求的時(shí)候,思科只需要優(yōu)化其快速交換軟件模塊,更廣泛地支持進(jìn)程交換、快速交換、最優(yōu)交換和CEF方式,就可以快速提高設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)速率,同時(shí)不會(huì)影響其他模塊的正常工作。

模塊化設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)

和傳統(tǒng)的非模塊化方式相比,模塊化網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)最大的好處是保證了系統(tǒng)的高可靠性和健壯性。模塊化的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)可以保障各模塊進(jìn)程獨(dú)立運(yùn)行在受保護(hù)的專用內(nèi)存中,單一進(jìn)程故障不會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。其次模塊化系統(tǒng)設(shè)計(jì),為軟件研發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)。分模塊開發(fā),可以保證協(xié)同并行,提高研發(fā)效率。升級(jí)操作系統(tǒng),也可以針對(duì)需要升級(jí)的模塊進(jìn)行,不用升級(jí)整個(gè)操作系統(tǒng)代碼。

不過模塊化設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)時(shí)同樣會(huì)面臨很多問題。王棟表示,采用模塊化的設(shè)計(jì)模式,在產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)中最大的挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在軟件的系統(tǒng)設(shè)計(jì)上。從軟件工程的角度出發(fā),軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、模塊的劃分和建模,是軟件成功的基礎(chǔ)。如果一個(gè)軟件系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)不合理,帶來直接的問題是研發(fā)效率的降低,各模塊功能重合或者相互交叉,會(huì)造成代碼開發(fā)的混亂和沖突,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)推倒重來。

網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)是一個(gè)針對(duì)于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的高級(jí)操作系統(tǒng)軟件,因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初,就必須充分考慮網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的特點(diǎn),從路由協(xié)議、接口管理、機(jī)箱管理、SNMP管理和其他功能方面分別劃分不同的系統(tǒng)模塊,同時(shí)讓各模塊代碼相對(duì)獨(dú)立,這樣為研發(fā)團(tuán)隊(duì)協(xié)同開發(fā)帶來很大好處:各模塊間通信通過統(tǒng)一的接口調(diào)用,而不用關(guān)心其他模塊的代碼是如何編寫的;本模塊的升級(jí),不影響其他模塊的開發(fā)。