[論文レビュー] SRv6-PM: Performance Monitoring of SRv6 Networks with a Cloud-Native Architecture

Pierpaolo Loreti, Andrea Mayer+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2020

Software-Defined Networks and 5G参考文献 33被引用数 4

ひとこと要約

SRv6-PM は、eBPF を用いたフロー単位のパケット損失監視と、スケーラブルなビッグデータスタック（Kafka、InfluxDB、Grafana）を活用することで、SRv6 ネットワークにおけるリアルタイム性能監視を実現するクラウドネイティブでオープンソースのプラットフォームを提案する。エグレッションノードでのスループット劣化がわずか 5.4% に抑えられ、従来の IPset に基づく手法を上回る性能を発揮する。

ABSTRACT

Segment Routing over IPv6 (SRv6 in short) is a networking solution for IP backbones and datacenters. The SRv6 standardization, implementation and research are actively progressing and SRv6 has already been adopted in a number of large scale network deployments. Effective Performance Monitoring (PM) solutions for SRv6 networks are strongly needed. The design, implementation and deployment of such PM solutions span the different planes of a networking architecture: Performance Measurements data (packet loss and delay) needs to be measured (in the Data Plane), the monitored nodes needs to be controlled (in the Control Plane), the measured data needs to be collected (in the Control/Management Planes), then the Data must be processed and stored, using Big-Data processing solutions. We focus on Loss Monitoring, by considering a solution capable of tracking single packet loss events in near-real time (e.g. with a delay in the order of 20 seconds). We describe SRv6-PM, a solution for Performance Monitoring of SRv6 networks. SRv6-PM features a cloud-native architecture for the SDN-based control of Linux routers and for ingestion, processing, storage and visualization of PM data. In the Data Plane, SRv6-PM includes efficient building blocks for packet loss evaluation (e.g. the packet counting components) in a Linux router. SRv6-PM is released as open source. Not only we provide a reproducible environment for PM experiments, but we also offer a re-usable and extensible cloud-native platform that can be automatically deployed in different environments, from a single host to multiple servers on private/public clouds.

研究の動機と目的

• SRv6 ネットワークにおける、特に細粒度な損失監視を想定したスケーラブルでリアルタイムの性能監視ソリューションの不足を解消すること。
• SDN コントローラー、データプレーン測定、ビッグデータ処理を統合したエンドツーエンド監視を実現するクラウドネイティブアーキテクチャの設計と実装。
• Linux ルータで eBPF を用いた効率的で低オーバーヘッドなパケット損失監視メカニズムを設計・実装し、従来の Netfilter/IPset アプローチを凌駆すること。
• 将来的な拡張（例：遅延監視）を想定した、SRv6 PM ソリューションのプロトタイピングおよび標準化を支援する再利用可能でオープンソースのプラットフォームの提供。

提案手法

• TWAMPプロトコルを拡張し、DSCPバイトマーキングを用いて代替マーキングにより単一パケット損失検出を可能にする。
• eBPF を用いたフロー単位パケット損失監視（PF-PLM）モジュールを Linux カーネルの XDP パath に実装し、低遅延かつ高スループットなパケット処理を実現する。
• SDNコントローラーとネットワークノード間で gRPC を用いた API を設計し、フロー単位の損失測定の設定と取得を可能にする。
• Kafka を用いたストリーミング、Telegraf を用いたメトリクス収集、InfluxDB を用いた時系列データ保存、Grafana を用いたリアルタイム可視化を統合したクラウドネイティブなデータパイプラインを構築する。
• 監視メタデータおよび構成データの構造化された保存を実現するため、ArangoDB を用いて効率的な照合とクエリを可能にする。
• コンテナ化と Kubernetes ネイティブな環境を活用して、オンプレミスおよびパブリッククラウドの両方でポータブルに展開可能なプラットフォームをデプロイする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 データプレーンにおける最小限のパフォーマンス劣化で、SRv6 ネットワークが近似リアルタイムのフロー単位パケット損失監視を実現する方法は何か？
• RQ2 Linux ルータにおける eBPF を用いたパケットマーキングおよびカウンティングのパフォーマンスは、従来の Netfilter/IPset に基づく手法と比較してどの程度の差があるか？
• RQ3 クラウドネイティブでオープンソースのアーキテクチャは、何百もの SRv6 ノードからのパフォーマンスデータを効率的に収集・処理・可視化するのにどの程度スケーラブルか？
• RQ4 提案されたプラットフォームは、アプリケーションレベルの測定（iPerf による測定）と照合して、単一パケット損失イベントを高精度で検出・報告できるか？
• RQ5 将来的な PM 拡張（例：SRv6 遅延監視）を想定した場合、このプラットフォームは再利用可能で拡張性があるか？

主な発見

• eBPF を用いた PF-PLM 実装は、1つのフローを監視する場合、エグレッションノードで平均して 5.4% のスループット劣化に抑えられ、監視対象のフロー数に関係なく安定したパフォーマンスを発揮する。
• IPset に基づく代替手法と比較して、eBPF 解決策はエグレッションノードにおける劣化を 17.6% から 5.4% に削減し、スケーラビリティと効率性の優位性を示した。
• SRv6-PM プラットフォームは、iPerf によるアプリケーションレベルの測定とほとんど差のない精度で、単一パケット損失イベントを高精度で検出・報告した。
• 約 20 秒の遅延で近似リアルタイム監視を達成し、運用ネットワーク監視の目標を満たした。
• オープンソースでクラウドネイティブな設計により、単一ホストからマルチノードクラウドクラスタまで、さまざまな環境に自動デプロイが可能となり、再現性と拡張性を確保した。
• Kafka、InfluxDB、Grafana の統合により、低遅延なデータインジェスト、効率的なストレージ、リアルタイムでのパフォーマンスメトリクス可視化を実現した。