OpenFlow協議實現的SDN目前已經得到了應用和推廣，但OpenFlow并不完美，OpeFlow交換機還不能提供更好的可編程能力。POF作為一種新的南向協議，是OpenFlow的未來方向？還是只是一個烏托邦？本文將介紹由華為提出的協議無關轉發POF，其中包括其簡介、原理、原型和應用場景以及最后的發展趨勢，希望能帶來一些有意思的想法。
POF(Protocol Oblivious Forwarding)[1]是由華為提出的SDN南向協議，是一種SDN實現方式，中文意思為協議無關轉發。與OpenFlow相似，在POF定義的架構中分為控制平面的POF控制器和和數據平面POF轉發元件(Forwarding Element)。在POF架構中，POF交換機并沒有協議的概念，它僅在POF控制器的指導下通過{offset, length}來定位數據、匹配并執行對應的操作，從而完成數據處理。此舉使得交換機可以在不關心協議的情況下完成數據的處理，使得在支持新協議時無需對交換機進行升級或購買新設備，僅需通過控制器下發對應流表項即可，大大加快了網絡創新的進程。
原理讀者可能會有疑問：OpenFlow所實現的SDN目前不是發展挺好的嗎，POF相比OpenFlow有什么優點呢？
在OpenFlow1.0版本推出時，普遍被認為只有12個匹配域無法適應多網絡場景的需求。但隨著OpenFlow版本的推進，發展到OpenFlow1.3版本時已經有了40個匹配域，已經可以支持大部分的協議字段匹配。然而始終還會有更多的協議需要支持，所以這個增長趨勢不會停止。不斷增多的匹配域，使得OpenFlow協議越來越復雜，也使得OpenFlow交換機的設計與實現越來越復雜。而不穩定的協議內容讓OpenFlow無法被廣泛支持，因為設備廠家需要不斷地開發新的交換機來支持新協議，而網絡所有者如運營商也會擔心協議版本不穩定帶來的設備不兼容問題。
除此之外，OpenFlow實現的SDN還有兩個明顯的不足：首先，OpenFlow依然只能在現有交換機的轉發邏輯上來添加對應流表項來指導數據包的轉發，而無法對交換機的轉發邏輯進行編程；其次，OpenFlow基本是無狀態的，其無法維護網絡狀態并主動做出動作。這兩個主要的缺陷將會帶來如下的不良后果：
（1）目前OpenFlow所實現的數據平面和控制平面分離得不夠徹底。數據平面的交換機設備依然需要掌握協議的語義信息等控制信息才能完成數據匹配。當交換機支持的協議增多時，支持特定協議的指令會大規模增長，從而增加了交換機的設計難度。
（2）在當前的交換機中，很難去對數據包進行修改或者增加一些輔助信息，更別說支持新的轉發協議的運行測試了。所以目前的新協議在交換機不支持的情況下都是通過Overlay的形式來實現，這就必須對數據進行封裝和解封裝，這種實現方式即增加了數據解析的難度和壓力，也帶來了過長的報頭，降低了數據傳輸效率。
（3）在給OpenFlow添加新協議特性時，需要重寫控制器和交換機兩端協議棧。而且在最麻煩的情況下，還需要重新設計交換機的芯片和硬件才能支持新特性。雖然最新版本的OpenFlow已經支持40多個匹配域，但這些匹配域大多是基于以太網的協議族的字段。還存在許多其他網絡的協議，以及未來誕生的協議需要支持。所以每增加一個新的協議或者特性都會帶來很多的開發量，增加了支持新協議的成本。而OpenFlow不穩定的協議版本，也增大了OpenFlow推廣的難度。
（4）交換機目前匱乏的表達描述能力使得轉發平面的可編程性受到很大的限制，最明顯的一點就是交換機無法描述有狀態的邏輯并主動采取動作。由于OpenFlow缺乏足夠的能力去維持網絡狀態，所以OpenFlow交換機基本無法自主實現有狀態的操作。與狀態相關的信息均由控制器維護，交換機只能通過控制器來指導動作，而無法在滿足條件時主動采取動作。這種完全需要控制器來指揮的機制讓數據平面過度依賴控制平面，帶來了SDN的可拓展性和性能問題。
針對以上的問題，華為提出了POF的解決方案。POF通過{offset, length}來定位數據，所有的協議相關的內容由控制器來描述，而交換機僅需通過通用的指令集完成數據操作即可，從而實現了協議無關轉發。細心的讀者應該發現協議的操作無非就是增加、修改和刪除對應的字段/標簽，而這些操作可以通過通用的指令集來實現，比如Addfiled就可以添加所有的字段，而具體的字段只有控制器了解，而交機機并不掌握這個信息。
POF的設計思想與PC的設計思想類似，所以其架構和PC的架構也類似，兩者對比見圖1。POF轉發設備無需關心具體的協議語義，只需關心最底層的數據操作即可，正如CPU并不知道執行的運算是一個語音相關的運算，還是圖片處理，它只知道執行了“+”操作。控制器正如PC中的操作系統一般，為上層業務提供豐富的業務接口，為下層提供通用的指令集，并完成兩者的翻譯工作。
圖1. POF與PC架構對比
通過使用通用指令集來實現協議無關轉發的設計使得交換機擁有完全的可編程能力。控制器可以通過南向協議對交換機進行編程，包括數據轉發引擎邏輯的編程以及數據流的處理規則的編程。另外，使用通用指令集的交換機很自然地就能互聯互通。當網絡中需要支持新的協議時，僅需通過控制器進行編程就可以實現，這大大縮短了網絡創新周期。而對于運營商或者服務提供商而言，在添加新網絡服務時不再需要聯系廠商，也無需購買新的交換設備。
針對OpenFlow無狀態的缺陷，POF設計了相關指令使得在條件滿足時，交換機可以主動地創建、修改和刪除流表等操作。在主動執行指令之后，交換機需要異步通知控制器發生的改變，從而實現數據的同步。筆者認為狀態維護特性是POF設計中的精彩之處。因為目前OpenFlow幾乎無法實現與狀態相關的操作，而在網絡安全等重要領域，維護網絡狀態是實現網絡安全的必要手段。當然，為實現狀態維護，必然需要付出一些性能代價或者成本代價。
原型與應用場景為了驗證POF的可行性，華為團隊基于FloodLight開源控制器開發了POF控制器，其架構模塊圖如圖2所示。在數據平面，分別基于華為硬件核心路由器和軟件交換機實現了兩個POF交換機模型用于驗證POF的可行性，其功能架構如圖3所示。
圖2. POF控制器架構模塊圖
圖3. POF硬件交換機(左)，POF軟件交換機(右)
在POF的論文中還介紹了轉發性能測試的結果，其可以在40G的線卡測試中達到48Mpps的速率，雖然丟失了20%的性能，但是依然支持80-Bytes的線速轉發。性能問題也許是POF存在的最大的技術問題之一。
由于POF支持協議無關轉發，所以POF可以部署在任意的網絡中，包括一些非以太網絡。此外，POF的協議無關轉發特性使得POF可以完美地支持Named Data Network (NDN)和Content-Centric Network (CCN) 等未來網絡領域的研究。而POF支持有狀態的網絡使得交換機可以實現更多的智能，并應用于網絡安全等領域。
發展趨勢為實現POF的平滑過渡，POF應滿足OpenFlow兼容的需求。目前OpenFlow設備已經存在一些，如果能讓POF成為OpenFlow的一種服務，則可以平滑地從OpenFlow過渡到POF。而轉發設備方面的實現需要在現有的芯片上是支持POF的指令集，使POF的指令集作為一個方法去調用。之后才是將POF的指令集直接在ASIC上支持，從而換取更高的數據處理和轉發性能。
作為一個理想的模型、一個開創式的技術，POF可以重新賦予SDN新的定義，帶來具有完全編程能力的SDN。但是這個進程注定是艱難的。一個技術的發展，除了技術本身的技術缺陷以外，更多是收商業因素的左右。POF在技術方面的性能缺陷是一個問題，但是總可以通過不斷地優化和產品迭代來提高性能，所以阻礙其發展的更多是來自商業方面的因素。POF帶來的變革正如OpenFlow帶來的變革一樣，甚至更甚。OpenFlow使得控制平面和轉發平面分離，交換機成為灰盒子或者白盒子，使得原有依靠專有技術的企業失去了技術壁壘，而這些擁有技術壁壘的企業基本都是行業的領頭羊，當一項技術影響到領頭羊的地位時，它必定是很難推廣和發展的。企業不僅僅是推進技術的發展，讓世界變得更好，更多的時候，他們還需要生存，而生存往往是最重要的。所以不難想象OpenFlow的推廣并不順利，而POF比OpenFlow有過之而無不及，所以同樣可以想象POF的推廣更加艱難。
POF的發展以及推廣勢必會打破現有的行業生態，而那些在目前生態中過得很好的領頭羊自然不愿接受這個改變，而提出POF的華為司司目前在這個生態中也處于上游，POF的推廣最終會讓華為發展更好還是更差，這不得而知。目前看來，POF自發論文以來到沒有很大的進展，但在與宋浩宇前輩的溝通中得知POF項目還在繼續推進，今年年中將有產品推出，希望POF能帶來一些不一樣的改變。
歷史的車輪總是前進的。目前不僅僅POF提出了這種想法，由OpenFlow發明者Nick教授的團隊也提出了P4(Programming protocol-independent packet processors) [2]解決方案來解決目前OpenFlow的不足之處。POF和P4兩者思路類似，但POF強調通用指令集實現協議無關轉發，是偏硬件的解決思路，而P4則關注上層網絡建模來定義交換設備轉發邏輯，是更偏軟件的解決思路。而無論哪一種解決方案，交換機將越來越開放，網絡也會具有更好的可編程性。P4和POF都是OpenFlow未來有前景的發展方向之一。
筆者認為，隨著技術的發展，POF技術方面的缺陷將得到解決，前提是華為繼續推進POF的研發工作。隨著技術問題的解決，成本的降低，作為網絡設備購買方的服務提供商應該會更加傾向與采購更加SDN的設備。因為POF將帶來可編程性能更好的SDN設備，從長遠角度看，POF也降低了設備的采購成本和運營成本。如果P4和POF可以整合，在軟件方案和硬件方案上相互彌補，會成為一個更加有前途的解決方案，而目前的POF確實也已經支持了P4。如果谷歌、微軟等巨頭加入之后，SDN的進程就會像NFV那樣變成一個由網絡擁有者而非設備商主導的技術革命？也許這樣POF就可以改變未來的網絡，實現真正具有完全可編程能力的SDN。
參考文獻[1] Song H. Protocol-oblivious forwarding: Unleash the power of SDN through a future-proof forwarding plane[C]//Proceedings of the second ACM SIGCOMM workshop on Hot topics in software defined networking. ACM, 2013: 127-132.
[2] Bosshart P, Daly D, Gibb G, et al. P4: Programming protocol-independent packet processors[J]. ACM SIGCOMM Computer Communication Review, 2014, 44(3): 87-95.
作者簡介：
李呈，2014/09-至今，北京郵電大學信息與通信工程學院未來網絡理論與應用實驗室（FNL實驗室）攻讀碩士研究生。
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