[論文レビュー] Benchmarking NFV Software Dataplanes

Zhixiong Niu, Hong Xu+4 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2016

Software-Defined Networks and 5G被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、コンsumer 10GbE NIC を用いて、実世界のワークロード下で SoftNIC と ClickOS の2つのオープンソース NFV ソフトウェアデータプレーンをベンチマークした。小パケット処理におけるパフォーマンスボトルネックと、サービスチェイニングにおける NUMA 効果を特定し、vCPU/vNIC の最適化や VNF のサーバー間分散配置といったリソース割り当て戦略を提案することで、ラインレートスループットを達成し、パフォーマンス劣化を軽減した。

ABSTRACT

A key enabling technology of NFV is software dataplane, which has attracted much attention in both academia and industry recently. Yet, till now there is little understanding about its performance in practice. In this paper, we make a benchmark measurement study of NFV software dataplanes in terms of packet processing capability, one of the most fundamental and critical performance metrics. Specifically, we compare two state-of-the-art open-source NFV dataplanes, SoftNIC and ClickOS, using commodity 10GbE NICs under various typical workloads. Our key observations are that (1) both dataplanes have performance issues processing small (<=128B) packets; (2) it is not always best to put all VMs of a service chain on one server due to NUMA effect. We propose resource allocation strategies to remedy the problems, including carefully adding CPU cores and vNICs to VMs, and spreading VMs of a service chain to separate servers. To fundamentally address these problems and scale their performance, SoftNIC and ClickOS could improve the support for NIC queues and multiple cores.

研究の動機と目的

• 2 つの主要なオープンソース NFV ソフトウェアデータプレーン、SoftNIC と ClickOS の実世界のパケット処理パフォーマンスを評価すること。
• 小パケット処理や NFV サービスチェイニングのような実際の展開シナリオにおけるパフォーマンスボトルネックを特定すること。
• 複数の VNF を単一サーバーに共存させる場合の NUMA アーキテクチャが VNF パフォーマンスに与える影響を理解すること。
• NFV 展開におけるパフォーマンスとエネルギー効率を向上させる実用的なリソース割り当て戦略を提案すること。
• マルチコアおよびマルチキュー対応における主な制限要因を特定することで、将来のソフトウェアデータプレーン設計を支援すること。

提案手法

• コンsumer 10GbE ハードウェア上で、KVM と DPDK を使用した SoftNIC および Xen と netmap を使用した ClickOS をベンチマークした。
• L3 フォワーディングおよびファイアウォール VNF を含むさまざまなワークロード下でスループットを測定し、パケットサイズ（64B から 1518B）を変化させた。
• 2～3 個の VNF を含む NF チェイニングのシナリオにおいて、CPU ソケットやサーバー間での配置を変化させ、パフォーマンスを評価した。
• 同じサーバー上で独立したパケットジェネレータを備えた複数の VM を実行することで VNF の共存をテストし、集計スループットを測定した。
• CPU ピン留めと vNIC/vCPU のチューニングを用いて、パフォーマンスへの影響要因を分離し、リソース割り当てを最適化した。
• 構成ごとの結果を比較して、ボトルネックを特定した。これには、NUMA 効果やマルチキュー対応の欠如が含まれる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SoftNIC と ClickOS は、現実的なワークロード下で中〜大容量パケットに対して 10GbE ラインレートを達成できるか？
• RQ2 これらのソフトウェアデータプレーンにおける小パケット（≤128B）処理におけるパフォーマンスボトルネックは何か？
• RQ3 1 台のサーバーに複数の VNF を共存させる場合、NUMA トポロジーがパフォーマンスに与える影響は何か？
• RQ4 すべての VNF を同じサーバーに配置することが、常に最適なパフォーマンスをもたらすのか？
• RQ5 NUMA 効果を回避するために VNF を別々のサーバーに分散配置することで、パフォーマンスが向上するか？

主な発見

• SoftNIC と ClickOS は、128B を超えるパケットでは、CPU 頻度を 1.2GHz に低下させても 10GbE ラインレートを達成した。
• 64B パケットでは、SoftNIC は vNIC におけるマルチキュー対応の欠如によりラインレートに達しなかったが、vNIC や vCPU を増加させることでラインレートを達成した。
• ClickOS は、SMP 対応の欠如に起因する高い CPU 使用率のため、64B パケットではラインレートに達しなかった。
• NF チェイニングでは、チェイン長が延びるにつれてパフォーマンスが劣化し、特に ClickOS では、ソケット間通信の増加とキャッシュミスの増加が原因で顕著だった。
• すべての VNF を同じサーバーに配置しても最良のパフォーマンスが得られるとは限らず、サーバー間で VNF を分散配置することで NUMA ペナルティを回避できる。
• 10GbE NIC を介してサーバー間で VNF をチェインすることで、NUMA 効果が解消され、同じソケット内配置と同等のスループットが達成された。