[論文レビュー] Isolation mechanisms for high-speed packet-processing pipelines

Tao Wang, Xiangrui Yang+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2021

Software-Defined Networks and 5G参考文献 55被引用数 12

ひとこと要約

本論文では、再構成可能マッチテーブル（RMT）アーキテクチャに基づく、高帯域幅パケット処理パイプライン向けの軽量隔離メカニズムであるMenshenを提案する。空間的パーティショニングとハードウェアオーバーレイプリミティブを組み合わせることで、Menshenは、互いに独立して開発された複数のパケット処理モジュールが、同じデバイス上で干渉なく並列実行可能であり、アクティブなモジュールに影響を与えずに動的再構成をサポートする。本システムはFPGAプラットフォームに実装され、ASICでも1 GHzで動作可能であり、面積オーバーヘッドはわずか6%にとどまる。

ABSTRACT

Data-plane programmability is now mainstream. As we find more use cases, deployments need to be able to run multiple packet-processing modules in a single device. These are likely to be developed by independent teams, either within the same organization or from multiple organizations. Therefore, we need isolation mechanisms to ensure that modules on the same device do not interfere with each other. This paper presents Menshen, an extension of the Reconfigurable Match Tables (RMT) pipeline that enforces isolation between different packet-processing modules. Menshen is comprised of a set of lightweight hardware primitives and an extension to the open source P4-16 reference compiler that act in conjunction to meet this goal. We have prototyped Menshen on two FPGA platforms (NetFPGA and Corundum). We show that our design provides isolation, and allows new modules to be loaded without impacting the ones already running. Finally, we demonstrate that feasibility of implementing Menshen on ASICs by using the FreePDK45nm technology library and the Synopsys DC synthesis software, showing that our design meets timing at a 1GHz clock frequency and needs approximately 6% additional chip area. We have open sourced the code for Menshen's hardware and software at https://isolation.quest/.

研究の動機と目的

• 複数の独立して開発されたパケット処理モジュールを実行する高帯域幅でプログラマブルなネットワークデバイスにおける隔離の増大するニーズに対処すること。
• 1つのRMTパイプライン上で複数のモジュールが動作する際、動作、スループット、レイテンシに干渉が生じない安全な共存を実現すること。
• 他の実行中のモジュールに影響を与えずに、個々のモジュールの動的再構成を可能にすること。
• FPGAおよびASICの両方に対応する軽量でハードウェア効率の良い隔離メカニズムを設計すること。
• P4-16コンパイラを拡張し、RMTパイプライン上で複数モジュールのデプロイをネイティブにサポートすること。

提案手法

• 異なるモジュールに固有のパイプラインリソース（例：マッチアクションテーブル）を割り当てる空間的パーティショニングの使用。
• キーエクストラクションユニットのような共有可能でパーティショニングできないリソースのモジュール固有設定を格納する小さな構成オーバーレイテーブルの導入。
• パケットのモジュールIDをオーバーレイテーブルのインデックスとして用い、パイプライン処理中に設定を動的に選択する。
• データプレーンレベルでの隔離を強制するため、パイプラインの重要な段階に統合された軽量ハードウェアプリミティブの設計。
• 複数のモジュールとその隔離プリミティブをサポートするコード生成を可能にする、オープンソースのP4-16コンパイラの拡張。
• NetFPGAおよびCorundumの2つのFPGAプラットフォーム上で設計を検証し、FreePDK45nmおよびSynopsys DCを用いたASIC合成により実現可能性を示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 OSやハイパーバイザーに依存せずに、高帯域幅のRMTパイプラインで隔離を効果的に強制できるか？
• RQ2 キーエクストラクションユニットのような共有可能でパーティショニングできないリソースを複数のモジュールが安全に共有する方法は何か？
• RQ3 他の実行中のモジュールに影響を与えずに、モジュールの更新を動的に行えるか？
• RQ4 FPGAおよびASICプラットフォームにおいて、隔離メカニズムを実装する際のパフォーマンスおよび面積オーバーヘッドはどの程度か？
• RQ5 P4-16コンパイラを拡張し、複数モジュールのデプロイと隔離をネイティブにサポートすることは可能か？

主な発見

• Menshenは、RMTパイプライン上に共存するパケット処理モジュール間で、動作、スループット、レイテンシに干渉が生じない隔離を効果的に強制した。
• 他の実行中のモジュールに影響を与えずに、個々のモジュールの動的再構成が可能であり、障害のないアップデートを実現した。
• 本設計は、2つのオープンソースFPGAプラットフォーム（NetFPGAおよびCorundum）上で正常にプロトタイピングされた。
• FreePDK45nmおよびSynopsys DCを用いたASIC合成により、1 GHzのタイミング要件を満たすことが確認され、チップ面積は約6%の追加オーバーヘッドにとどまった。
• P4-16コンパイラの拡張により、複数モジュールのコンパイルおよび隔離プリミティブの統合をネイティブにサポートする仕組みが実現した。
• Menshenのハードウェアおよびソフトウェアはオープンソースとして公開されており、https://isolation.quest/ で入手可能である。