Linux 4.0+内核对硬件交换模块的支持(HW Switch Offload)

Linux内核最近跃进到了4.x时代，初看没啥大的动作，但是对于我而言，最令人兴奋的还是它对硬交换模块的支持。这也是为全面迎合SDN做好准备的第一步。

Linux上的路由与交换

Linux诞生于网络，天生对网络拥有全面且强大的支持，即便再复杂的协议，再封闭的技术，几乎都可以找到对应的Linux实现。然而这并不是说Linux网络就天下无敌了，它存在很多不合理的地方。
       Linux拥有对路由的强大支持，在数据平面，你可以很轻松地实现一种路由查找算法，在控制平面，你也可以在用户态实现任何已有的或者你自己设计的路由协议，然而，这一切都是软的，也就是说，都是CPU来完成的。
       当我们知道路由和交换的区别之后，就会发现，Linux一直以来都没有实现真正的交换，起码在通用接口层面上没有一个合理的解决方案。Linux的bridge模块？算了吧，它只是实现了一个软网桥，和真正交换机不沾边的。

Linux对硬件交换的支持

记得去年的时候，我曾经拿到过一块交换板，可以直接插在主板的PCI-E上，当时必须使用厂商特定的驱动程序以及配合VLAN技术才能将其用起来。其实很多的交换机可能都采用了Linux作为管理平面和控制平面，然后配置自己的定制硬件和定制驱动来使用。
       我曾经想过一种办法用Netfilter技术实现对硬件交换模块的支持，但是，CPU还是要被中断的，整个流程是CPU将数据包拉到bridge或者IP层，然后再交回硬件...正确的方式是根本不用中断CPU，完全通过硬件来转发数据包，只有数据和本地协议栈相关的时候，才中断CPU。而这个思路，意味着你必须重写驱动。
       总之，没有一个统一的接口，这就意味着如果你自己想设计一块交换板，没有比较好的标准可循，即便有，可能你也要自己编写或者复制粘贴大量的驱动代码，这将严重影响研发效率。

Linux 4.0的switchdev

一切坏消息在Linux 4.0内核中终结。
       Linux 4.0引入了一个switchdev框架，它代表一类拥有“交换”能力芯片的多网口设备的抽象。其中每一个网口就是一个port，在switchdev框架中被注册成一个net_device。除此之外，内核中自带了一个rocker driver，演示了一个实际的设备驱动的实现。整个switchdev的示意图如下所示：



注意，理想化的实现中，OpenFlow控制器可以直接将流表注入到设备中，从而指导设备直接进行数据包交换。流表的内容超级复杂，不是本文的目标，但是相信在后一个内核版本中会出现相关的Document。
       采用了硬件交换模块的Linux BOX和原来的截然不同了，它更像是一个高端的专业网络设备，类似Cisco那样的。它看起来就是下面的样子：