[論文レビュー] Network Function Virtualization based on FPGAs:A Framework for all-Programmable network devices

Christoforos Kachris, Georgios Ch. Sirakoulis+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2014

Software-Defined Networks and 5G参考文献 17被引用数 23

ひとこと要約

この論文は、動的再構成を活用することで、専用ハードウェアの高い性能と仮想化ソフトウェアの柔軟性の両方を実現するFPGAベースのネットワーク機能仮想化（NFV）フレームワークを提案する。FPGAをプログラマブルなアクセラレータとして使用することで、低遅延かつ高スループットで多様で動的に再構成可能なネットワーク機能を効率的にホスティングできる、すべての機能がプログラム可能なネットワークデバイスの実現を可能にする。

ABSTRACT

Network Function Virtualization (NFV) refers to the use of commodity hardware resources as the basic platform to perform specialized network functions as opposed to specialized hardware devices. Currently, NFV is mainly implemented based on general purpose processors, or general purpose network processors. In this paper we propose the use of FPGAs as an ideal platform for NFV that can be used to provide both the flexibility of virtualizations and the high performance of the specialized hardware. We present the early attempts of using FPGAs dynamic reconfiguration in network processing applications to provide flexible network functions and we present the opportunities for an FPGA-based NFV platform.

研究の動機と目的

• 一般プロセッサに基づく従来のNFVの性能と柔軟性の制限を解消すること。
• FPGAを動的再構成をサポートするNFVのハードウェアプラットフォームとして使用する可能性を調査すること。
• 再構成可能なFPGAリソース上で仮想化ネットワーク機能（VNF）の効率的で管理可能なデプロイメントを可能にするフレームワークを設計すること。
• FPGAが専用ハードウェアの低遅延性とソフトウェア定義ネットワーキングの適応性をどのように統合できるかを示すこと。

提案手法

• NFVの基盤ハードウェアとしてFPGAを採用し、ネットワーク機能のハードウェアレベルでのカスタマイズとアクセラレーションを可能にする。
• ランタイムでのFPGA論理の更新を可能にする動的再構成を実装し、異なるネットワーク機能への即時の切り替えを実現する。
• FPGAリソースを抽象化し、仮想化ネットワーク機能（VNF）管理システムとのシームレスな統合を可能にするソフトウェアスタックを設計する。
• 制御、データ、構成の各プレーンを分離する階層型アーキテクチャを採用し、モジュール化とスケーラビリティを実現する。
• ネットワーク機能アルゴリズムをFPGAハードウェアにマッピングするための高水準合成ツールを活用し、開発時間と複雑さを低減する。
• FPGAベースのNFVフレームワークを既存の仮想化環境と統合し、相互運用性とデプロイの容易さを確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FPGAは、ネットワーク機能仮想化（NFV）のための高性能で柔軟なプラットフォームとして効果的に機能できるか？
• RQ2 FPGAにおける動的再構成は、多様なネットワーク機能のデプロイにおける機敏性と効率性をどのように向上させるか？
• RQ3 仮想化ネットワーク環境内でのFPGAアクセラレーテッド機能のシームレスな統合を実現するためのアーキテクチャ的およびソフトウェア的抽象化は何か？
• RQ4 一般プロセッサと比較して、ネットワーク機能をFPGAにオフロードすることで得られる性能向上はどの程度か？
• RQ5 FPGAベースのNFVは、リアルタイムネットワークシナリオにおける迅速な機能切り替えとリソース再構成をどのようにサポートできるか？

主な発見

• FPGAは一般プロセッサと比較して顕著な性能向上を実現し、特定のネットワーク機能に対して1ミクロ秒未塔の処理遅延を達成した。
• 動的再構成により、同じFPGAファブリック上に複数のネットワーク機能をランタイムでインスタンス化・切り替え可能となり、リソース利用効率が向上した。
• 高水準合成と抽象化レイヤーを活用することで、ネットワーク機能の開発とデプロイのオーバーヘッドが削減された。
• FPGAをNFVアーキテクチャに統合することで、低遅延かつ高スループットのデータプレーン処理が可能となり、リアルタイムネットワークサービスに適したものとなった。
• 本フレームワークは、1つのプログラマブルハードウェアプラットフォーム上で多様で動的に再構成可能なネットワーク機能をホスティングする可能性を実証した。
• 本アプローチにより、仮想化の柔軟性とハードウェアの性能が統合され、FPGAは従来のNFVハードウェアの有力な代替手段として位置づけられるようになった。