TMOS：对解决方案进行全新设计
2007-10-17   F5公司

概述

挑战

对解决方案进行全新设计
　　众所周知，基于代理的解决方案，或者至少是此类解决方案所提供的智能模块，将是最终的解决方案。然而，报文到报文方案所具有的大量优异性能，弥补了它们在智能特性上的不足。对于多数企业网络而言，这种方案暂时可视为一种可接受的折衷方案。
　　 随着对智能特性的需求日益增加，基于代理的解决方案始终面临的性能瓶颈问题，如今基于分组的解决方案很快也将面临同样的挑战。而基于分组的解决方案在开发上的复杂性，很快将与基于代理的解决方案并无二致。尽管软硬件性能正显著增长，然而报文到报文方案仍无法跟上用户对智能特性及性能的需求。此时，报文到报文方案便不再是一种可接受的可选方案。
　　 基于分组的解决方案曾经红极一时，如今却已辉煌不再。如今，在提升性能不足以提供可靠解决方案的情况下，基于分组的解决方案在智能性方面的缺陷已使其今非昔比。比较现实的解决方案是，提供一款性能堪与基于分组的解决方案相媲美的基于代理的解决方案：而这就是TMOS 架构解决方案。

解决方案

　TMOS 为一个集合词，用于描述一种完全为特定目的建造的定制架构，该架构耗费 F5 多年经验与巨资，是 F5 产品向前发展的基石。从较高层次来看，TMOS 是：
☆ 多个模块的集合
　　每个模块执行一项特定的功能。例如：网络驱动模块、以太网模块、ARP 模块、IP 模块，以及 TCP 模块，等等。系统每个组件均为独立组件，用以降低系统的复杂性、减轻未来开发的负担。添加对新协议的支持，仅需添加一个新的模块即可。借助这一设计，用户能更轻松地实现重用。如果新的应用级协议在 TCP/IP 之上运行，仅需将模块连接，这样，新的协议就能访问 TCP/IP 中的数据，而无须较为低级的协议。
☆ 设备的独立特性
　　许多人已经注意到：基于 TMOS 的设备似乎采用 Linux 在其上运行，当我们使用命令行对设备进行管理时，可以看到这一点。但须知，采用 TMOS 对流量进行管理的任何一个部分，均未采用 Linux 系统。TMOS 有其自身专用的 CPU、内存，以及系统总线来访问外围设备。当基于 TMOS 的设备收到数据包时，无论是线路、系统总线、联网子系统，还是内存管理子系统，TMOS 架构中的每个组件均为完全独立的系统。Linux 永远不会纳入到该系统当中，或其中任何一个部分，Linux 内核也同样。Linux 系统仅用于对任务进行管理，如命令行、web GUI 等。原因很简单：一个适用于对高速流量进行管理的操作系统，并不适合作为一个通用型操作系统。因此，最好采用通用操作系统解决通用型任务（如管理任务），而将流量管理任务交给设计用于完成该任务的专用操作系统——TMOS来完成。
☆ 实时操作系统
　　实时操作系统意味着：TMOS 中并没有一个抢占式 CPU 调度程序。对于通用操作系统而言，在其内核中设定一段抢占式调度程序是非常有价值的，因为所有的进程能够公平地获得一个 CPU 时间段，而在这些进程当中，许多进程本质上可同时运行。在一个经过高度优化、专用的操作系统当中（如 TMOS），上述调度程序就不太适合，因为该调度程序增加了一段不必要的开销。由于 TMOS 经过精心设计与调整，因此，系统中的每个组件均用于执行必要的操作，以使下一个组件正常运行。由于去掉了中断、上下文切换，以及调度程序通常所需完成的大部分任务，因此， CPU 调度开销明显下降。这样，用户就能对进程（何时执行/以哪种排列方式执行）进行充分的控制。
☆ 硬件和软件
　　由于 TMOS本质上是模块化的，因此，它并不介意单个功能是由软件还是由硬件来实现。有了 TMOS，每一步操作就能通过高度优化的软件，以及专为特定目的构建的模块来完成；当然，资源密集型操作也可卸载至专用的硬件。例如，TMOS 有其自已的 SSL 栈，完全能够用软件来处理 SSL，但是，如果卸载密码操作至专用的 SSL ASIC，则速度会更快。F5 软件技术具有的全部功能特性，使其实质上具有无限的灵活性，而专门的卸载硬件功能，又使其能够经济高效地扩充至业内领先的性能级别。
☆ 事件驱动
　　模块化与实时处理功能相结合，使 TMOS 具有独一无二的根据实时变化来改变其行为的能力。从客户连接开始、到有效负载处理完成，其中的每个事件——甚至包括从服务器返回至客户端的流量，均会影响 TMOS 改变其行为，以便与当前的要求相匹配。这一功能使 TMOS 成为当前市场上最容易进行修改、最灵活的解决方案。
　　所有这些因素使 TMOS 成为一款功能非常强大、适用性极强的解决方案。独立、实时、事件驱动型操作系统，以及模块化功能，使 TMOS 具有无可比拟的能力。例如，TMOS 支持利用三个完全独特的与部署要求相匹配的网络栈。首先，FastL4 栈是一种限定状态的 TCP/UDP，或是一种传统的报文到报文设计，它可处理任意高速连接，但功能存在部分限制（第 4 层或第 4 层以下）。其次，TMOS 还支持 FastHTTP 栈；这种限定状态的 TCP/HTTP 栈是一种非常高级的报文到报文设计，它能以较高的连接速率处理 HTTP（第 7 层）不断增加的智能需求。最后，快速应用代理栈；该栈是一款基于全代理的缺省栈，代表了基于代理的设计方案的最高水平。TMOS 支持使用软硬件部件进行互换之事实，使得整个 FastL4栈可完全卸载至 F5 的 Packet Velocity ASIC (PVA) 中。选择哪套方案作为最佳方案完全取决于客户的要求。
　　 就其自身而言，这些高级说明中的任何一项，均会使 TMOS 从所有现有解决方案、报文到报文方案，或基于代理的方案当中脱颖而出。单就该架构本身，将足以改变应用交付网络市场，但是，即使是最好的架构，也需要次标准组件的支持，这样才能有助于次标准解决方案的产生。TMOS 与这些组件，或模块相结合，才能为用户提供真正优秀的解决方案。

携手迈向新的阶段
　　使 TMOS 架构与众不同的因素在于：TMOS 创建的定制构建模块为其自身提供了支持。在这些明显特性当中，最明显的是一些最广泛应用的特性包括：TCP Express、快速应用代理，以及 iRule。

TCP Express
　　报文到报文的简单设计无法像具有 TCP Express 特性集的 TMOS 那样提供众多功能。许多企业部署了全代理方案，但是却受限于如下之事实：仅包含一个构建于通用 UNIX 系统上的组件。这些企业无法获得以订制编码交付、提供较低延迟和一流网络性能的实时操作系统的优异性能。产品一旦设计出来以后，没有一套简单的办法来高效地整合这种功能类型——这就要求底层架构应具有高性能、低延迟的联网特性。
　　 TCP Express 是一套 TCP 效率提升集合，以因特网标准形式提供（RFC），成百上千个定制 F5 特性与功能，均基于我们在实际使用过程中的扩展体验获得。TMOS 支持所有的 TCP 效率提升模式，包括：
☆ 延迟和选择性确认 (Delayed and Selective Acknowledgements)，(RFC 2018)
☆ 显式拥塞通知ECN， (RFC 3168)
☆ 限定与快速转发， (RFC 3042 and RFC 2582)
☆ 缓慢启动与拥塞避免 (Slow Start with Congestion Avoidance)，(RFC 2581)
☆ 适应性初始拥塞窗口 (Adaptive Initial Congestion Windows)，(RFC 3390)
☆ 时间标记与窗口比例 (TimeStamps and Windows Scaling)，(RFC 1323)
☆ TCP 缓慢启动， (RFC 3390)
☆ 带宽延迟控制，以及更多内容 (Vegas，NewReno，…)
　　 这些特性以及众多其它特性，是在每种连接情形之下尽力获得峰值性能的所有方法。与 TMOS 进行交互的每种设备，其网络情形均不同。为了获得针对所有连接设备的峰值性能，TMOS 必须以智能方式针对每位用户、每种设备（以及每种设备的所有连接）的独特需求做出响应。但它不足以支持一个或两个高级 TCP 优化。也不能用它开发您自已的优化，以及现场优化您的产品。在一个对延迟进行了优化的实时操作系统当中，完整的 TCP 优化、昂贵的真实测试，以及定制扩展，均是获得理想性能之不可或缺因素。所有上述问题均获得解决，就能取得明显的现实益处，这正是 F5 Networks 公司针对 TMOS 架构所进行的努力。

快速应用代理
　　TMOS 的快速应用代理组件——全代理栈，彰显了 TMOS 的另一项关键特性。由于 TMOS 具备上述出色特性，因此自面世以后，它就能提供比以往任何解决方案更多的加速与优化特性。通常，检查或智能逻辑源于速度方面的成本，自然，每个连接就被赋予了更多工作，从而系统可以对更少的连接进行处理。快速应用代理的独特之处在于，通过透明地充分利用硬件功能，辅之以定制高性能实时操作系统 (TMOS)，就能真正获得无可比拟的性能，同时还可提供真实全代理设计之益处。此外，快速应用代理还能为应用流提供必要的用于部署其它 TMOS 模块的主机，包括：
☆ HTTP 压缩
☆ 多点存储缓存
☆ SSL 加速
☆ 快速缓存
☆ 内容池 (Content Spooling)
☆ 智能压缩
☆ QoS/ToS
☆ 第 7 层带宽调整
　　 所有上述模块已经融为了一体。TMOS 架构支持快速应用代理提供智能与性能两种特性；通过 TMOS 架构，快速应用代理支持智能化地使用其它大量软硬件模块，这将有助于提供更出色的性能。

iRules
　　iRules 是 TMOS 中最独特的一项能力。iRules 是由标准工具命令语言 (TCL) 创建的一种脚本语言，并配有定制 F5 扩展，借助 iRule，用户就能创建可从 TMOS 事件触发的独特函数。然而，这套规则本身却很容易创建和理解，该模块能够将这些规则编译成字节码，并通过定制编写的、经过高度优化的函数调用（位于 TMOS 的核心）来实际执行一些操作（如：读写 HTTP cookie）。这两项关键技术组合意味着，简单易用的 TCL 规则就能成高性能的字节码，由于这种程序本质上借助 TMOS 来完成实际检查与执行，因此其速度非常快。
　　 由于 TMOS 刚刚发布，因此，F5 客户发现他们有数百种方式来充分利用 TMOS 中 iRule 引擎中的强大功能。例如：
☆ DNS 带宽限定。
☆ 部署 SMTP 代理以检查并发送单个消息。
☆ 对 HTTP cookie 进行重新排序，以便更加轻松地解析后端系统。
☆ 采用 HTTP cookie 中存储的证书，通过后端 RADIUS 服务器，对用户连接进行认证。
☆ 部署简单 LDAP 解析器，以检查 LDAP bind() 请求的参数。
☆ 有所选择地对后端服务器使用 SSL 再加密功能，仅针对特定 HTTP URL 来进行。有所选择地基于 HTTP URI 要求 SSL 客户证书。
☆ 创建并插入定制会话 ID 值至 HTTP 请求，服务器在响应时将回传，之后检查响应并验证其是否与请求匹配。若不匹配，将全部会话信息和最后 100 个请求记入日志。
☆ CORBA/IIOP 请求分路分解处理。
　　 如同 F5 的产品一样，通过其检查特性集来部署这类高度复杂的逻辑，可谓绝无仅有、仅此一家。正是轻松易用的 iRule技术，通过充分利用 TMOS 架构无可比所拟的灵活性、以及其基于事件的架构，实现了上述功能。 此外，我们不能将这种属性直接归因于 TMOS，iRule 以及 iRule 开发产品，已逐步扩充了其开发社区，如今全球已超过 10,000 位会员 (devcentral.f5.com)。
　　 当 TCP Express、快速应用代理，以及 iRule 成为唯一三个 TMOS 中的独特与高度优化组件时，它们为我们展示了这样一件事实，即，TMOS 将不会停留在一个全新的先进架构之上，它还将包括一些一流的组件，从而使这一架构更为鲜活、更具生命力。

TOS 不可能包办所有事项
　　正像您看到的那样，报文到报文设计的开发源于需要提供应用交付网络装置，它能够提供出色的性能以及智能特性，但与基于代理的解决方案相比，智能性不足。此类设备满足用户网络需求的黄金时代已经一去不返，多数厂商现在又回到了原点；他们既要提供全代理解决方案的智能特性，又要满足当今用户网络更加强劲的性能需求。选择基于分组的架构，已被证实是一种短视行为。
　　 F5 Networks 公司很早就意识到，解决方案只有基于代理架构进行设计，才能既提供性能益处，又具备出色的灵活性，从而在未来发展的道路上所向披靡、长期发展。由于上述原因，通过全力开发并投入资金，TMOS 应运而生。TMOS 是首款完全基于特定目的构建的、模块化、独立式、事件驱动代理型实时架构，能够透明地单方面利用软硬件，获得最佳性能与智能特性。此外，TMOS 远非一套革命性的架构，它还为构建于该架构之上的所有组件制订了一套全新标准。从 TCP Express 推出伊始，它就能确保以最高效的网络级连接速率连接至客户端和服务器；到快速应用代理推出，它能够提供性能与智能两项特性；而到了 iRule的推出之时，已能对所有这些功能、所有的应用加速，以及所有可用的安全性和可用性组件，进行完全控制和定制，TMOS 完全是您贴心的唯一应用交付网络解决方案。机遇千载难逢，别再犹豫，TMOS 会是您的正确选择。