當前運營商網絡朝著云化、SDN化、NFV化發展，在ICT融合的今天，云數據中心網絡面臨著越來越多的挑戰。

首先，全球數據中心數量減體量增，呈現出大型化、集約化的發展趨勢。超大規模的數據中心往往擁有數以百萬級別的物理機和虛擬機節點，這些節點會產生海量的網絡信息和數據，同時業務的頻繁更新也使得網絡要不斷發生變化。

其次，云數據中心的網絡設備存在著諸多差異性，比如不同廠商設備、同一廠商不同型號、同一型號不同系統版本之間的差異等。網絡設備的差異性，最直接的體現就是網絡設備的配置方式難以統一，設備的運維成本高，網絡排障定位時間長，網絡難以實現自動化。

最后，承載業務的變化尤其是虛擬化技術的發展對數據中心網絡提出了更高的要求。傳統數據中心中接入、匯聚、核心劃分三層網絡架構不再適用于東西向流量大幅增加的場景。同時5G、8K視頻等新業務對網絡設備的高帶寬、低時延、高可用、低成本提出了超高要求。

云數據中心面臨挑戰，白盒交換機應運而生

面對云數據中心網絡的諸多挑戰，在探索網絡演進的過程中，SDN/?NFV等技術相繼出現，白盒交換機（White Box）也進入人們的視線，白盒交換機與傳統交換機的不同是白盒交換機采用開放的架構實現了交換機軟件與硬件的解耦，提高網絡開放性，靈活性以及可編程能力。白盒交換機通常由ODM提供硬件，由用戶選擇自研或者第三方提供網絡操作系統（NOS）。通過白盒交換機可以對網絡控制應用快速迭代，使用SDN的方式對網絡進行深度優化。

白盒交換機主要可分為支持OpenFlow協議的OpenFlow白盒交換機和裸白盒交換機。其中，OpenFlow白盒交換硬件開放程度并不高，其網絡操作系統往往也被廠商綁定，相對比較封閉，該類交換機通過支持主流的OpenFlow協議如OpenFlow1.3版本，連接控制器實現SDN網絡的轉發與控制分離。OpenFlow交換機只負責根據OpenFlow流表進行匹配轉發，本身沒有控制功能，所以也可以被稱為白盒。

另外一種則是基于開放硬件架構的裸白盒交換機，該類交換機符合OCP技術規范，提供基于ONIE的網絡操作系統安裝環境，可以部署各類開源或者閉源的NOS。通常情況下該類交換機的硬件由ODM提供，軟件則可以根據具體場景需求在自研NOS、商業NOS以及開源NOS中進行靈活選擇。

白盒交換機硬件通過符合OCP（Open Computer Project）標準避免被少數廠家所壟斷。OCP是Facebook于2011年發起并主導的一個硬件開源組織，致力于數據中心硬件設備的開放標準，目前OCP擁有超過200多家會員單位。OCP定義了交換機的硬件、芯片SAI以及開放網絡安裝環境(ONIE)標準。ONIE類似于PC中的BIOS在白盒中用來加載NOS，芯片廠商如Barefoot、Broadcom等提供支持SAI接口的芯片，ODM廠商如廣達、智邦等通過加工支持ONIE標準的硬件交換機。軟件廠商或者交換機廠商開發的交換機系統軟件能夠適配OCP硬件，就可以通過ONIE啟動。

白盒交換機可以打破傳統NOS受到設備廠商綁定，比較封閉的局面。ODM廠商遵循了OCP硬件標準，涌現出多種商業NOS和開源NOS。網絡管理員通過NOS可以采用類似管理標準服務器一樣的方式管理白盒交換機。隨著SDN的高速發展，互聯網與運營商巨頭公司通過自研NOS并將其貢獻到開源社區打造白盒生態圈，促進整個產業的發展，比如微軟的SONiC、AT&T的DANOS等。

開源與標準協同，自研NOS是關鍵

AT&T全球IP / MPLS網絡具有超過10萬臺專有交換設備且流量仍然在不斷增長，年增長率接近50%，面向5G AT&T計劃在宏網絡中部署超過6萬臺白盒交換機。AT&T希望采用白盒交換機提高整個網絡的敏捷性，避免廠商鎖定并通過集群化部署減少開支節約成本，其開源主要策略體現在前期內部開發，然后主導并加入開源社區，最后通過開展廣泛合作促進業界標準形成。

2017年11月AT&T推出分布式網絡操作系統dNOS開放架構，并發布了dNOS白皮書。2018年3月AT&T宣布將其dNOS正式托管給Linux基金會，改名為DANOS，從開源社區中吸取養分，獲得相關社區的貢獻，預計2018年底首次發布代碼。目前DANOS得到了各種Linux基金會團體和成員的支持，包括博通、Inocybe、Metaswitch和Silicom等。DANOS主要是面對運營商網絡需求的場景，通過部署裝有DANOS操作系統的白盒交換機可以滿足客戶邊緣網絡（包括uCPE設備和小區站點路由器）、全局路由網絡（包括核心路由設備以及運營商邊緣PE設備）、本地路由網絡（包括spine-leaf網絡設備）等多個場景需求。?

微軟在2015年發布了自研的白盒交換機網絡操作系統Azure Cloud Switch (ACS)，并在2016年的OCP大會上將其開源，命名為Software for Open Networking in the Cloud (SONiC)。SONiC基于微軟的交換機接口抽象（Switch Abstraction Interface，SAI），被多個芯片廠商的芯片平臺支持。SONiC是基于Linux的網絡操作系統，并利用了容器化技術，將各個網絡功能部署在容器當中，實現網絡應用的靈活性。SONiC的開源使云服務運營商可以借鑒微軟在云數據中心網絡的經驗，并利用其開源的特性，開發出針對性的網絡應用。

目前SONiC和SAI已經被眾多芯片廠商諸如Barefoot Networks、Broadcom Limited、Cavium、Mellanox Technologies等的ASICs芯片所支持。在國內，開放數據中心委員會（ODCC）網絡工作組的鳳凰項目，也是依托SONiC開源社區，打造“白盒+開源OS”的網絡生態。鳳凰項目通過選擇社區穩定的SONiC版本軟件，發布開源網絡OS發行版，已于今年9月份發布了V1.0正式版本。?

開源與標準相互協同已經成為ICT產業生態的主流趨勢，在白盒交換機領域也不例外，體現在軟件網絡操作系統開源、硬件設備的標準化。開源開放的理念也在創新企業芯片廠商、ODM廠商、大型互聯網公司、運營商中形成了共識?；钴S的開源社區有利于技術的成熟與推廣，催生網絡創新應用，縮短網絡開發周期。符合統一標準的硬件設備有利于打破設備壟斷，簡化管理員的操作，便于統一管理。當前白盒交換機已經在互聯網公司以及運營商網絡環境中逐步得到應用，比如面向運營商場景的CORD平臺中Trellis項目等。

聯通積極推進CORD，優化網絡架構

CORD(Central Office Re-architected as a Data center)是一個開源平臺，目標是實現電信運營商CO傳統端局進行類似云的DC化改造。CORD的場景主要分為家庭接入業務(R-CORD)、企業業務(E-CORD)和移動業務(M-CORD)。中國聯通是E-CORD的主導運營商，積極推進CORD在多個領域的研究和實踐。在CORD平臺中，采用Trellis子項目提供網絡服務，Trellis項目采用支持OpenFlow協議的白盒交換機搭建spine-leaf的網絡模型，為CORD提供滿足收斂比的Underlay環境，同時采用了ONOS控制器對整個網絡進行統一管理，為實現網絡虛擬化提供基于VxLAN的Overlay網絡。

圖 ?Trellis中Overlay與Underlay網絡概覽

使用傳統的方式構建spine-leaf網絡，其中的Underlay網絡需要依賴于在每個交換機上的復雜的控制協議（如BGP），交換機需要更強的CPU計算能力、內存和復雜的軟件，這增加了成本并且很容易失敗。另外在Overlay網絡構造在Underlay網絡上提供私有租戶能力，Overlay網絡完全依賴于Underlay網絡。這種架構會在同一VTEP下不同VNI的虛擬機通信過程中產生發卡（hair-pin）流量，由此帶來不必要的網絡負擔。

Trellis項目通過采用SDN的方式可以有效解決使用傳統方式構建leaf-spine帶來的問題，具有下列特點。

一是簡化了交換節點，使得白盒交換機中不再需要復雜的交換機控制和路由協議；

二是簡化網絡結構，為整個網絡創建一個單一的路由實例用于連接到外部網絡；

三是Trellis為Overlay網絡對所有租戶提供分布式虛擬路由,使流量可以直達物理網絡，避免虛擬網關的發卡（hair-pin）流量；

四是協調Underlay網絡與Overlay網絡，優化資源部署與連通性；

五是采用ECMP多路徑和SR路由提供細粒度的路徑選擇；

六是在每個服務器上集成軟件交換機，為連接服務器、應用程序、虛擬機、租戶動態創建的容器提供完整的連接方案。

機遇與挑戰并存

電信運營商傳統網絡中網元封閉、資源難以共享，網絡建設周期長，隨著SDN、NFV以及云計算技術的出現和發展，電信運營商開始尋求網絡轉型甚至重構。白盒設備的出現對電信運營商網絡轉型至關重要，面對ICT融合的大趨勢，電信運營商積極擁抱開源開放的白盒設備以構建靈活、敏捷的基礎設施平臺，有助于顯著降低企業的CAPEX與OPEX。

白盒交換機產業打造出當前圍繞開源軟件與標準硬件，各個芯片制造商、ODM廠商、軟件商以及用戶之間互相協同的生態圈。通過通用的硬件設備，消除對特定廠商的依賴，降低成本。通過開放的軟件，增強網絡的靈活性、敏捷性。然而，白盒交換機仍然面臨著諸多挑戰，比如網絡操作系統的開發與維護需要投入大量的研發成本，目前交換機市場品牌機仍占據領導地位，如何向白盒設備轉變需要進一步研究并經過大量測試。