[論文レビュー] StreamNF: Performance and Correctness for Stateful Chained NFs.

Junaid Khalid, Aditya Akella|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2016

Software-Defined Networks and 5G参考文献 19被引用数 5

ひとこと要約

StreamNF は、外部ステートストアと最適化されたステート管理を活用することで、チェーン全体の正しさと高いパフォーマンスを確保する、ステートフルでチェーン化されたネットワーク機能（NF）のフレームワークを提案する。各 NF あたり約 10Gbps のスループットを達成し、追加遅延が 0.6µs 未満である。動的動作や障害発生時においても正しさを維持する。

ABSTRACT

Network functions virtualization (NFV) allows operators to employ NF chains to realize custom policies, and dynamically add instances to meet demand or for failover. NFs maintain detailed per- and cross-flow state which needs careful management, especially during dynamic actions. Crucially, state management must: (1) ensure NF chain-wide correctness and (2) have good performance. To this end, we built ame, an NFV framework that leverages an external state store coupled with state management algorithms and metadata maintenance for correct operation even under a range of failures. Our evaluation shows that CHC can support ~10Gbps per-NF throughput and <0.6mus increase in median per-NF packet processing latency, and chain-wide correctness at little additional cost.

研究の動機と目的

• ステートフルで動的に管理される NF チェインにおける正しさとパフォーマンスの課題に対処すること。
• 動的スケーリングや障害が発生しても、チェーン内のすべての NF に対してエンドツーエンドの正しさを保証すること。
• 仮想化ネットワーク機能におけるステート管理時のパフォーマンスオーバーヘッドを最小限に抑えること。
• 最小限の遅延と高いスループットで、NFV環境における効率的でスケーラブルなステート処理を可能にすること。

提案手法

• ステート管理を NF 処理から分離するために、外部ステートストアを活用する。
• 動的スケーリングや障害発生時における一貫性を保証するステート管理アルゴリズムを採用する。
• ステート遷移を追跡し、回復を可能にするためにメタデータを維持する。
• NF インスタンス間のステートを同期するために、軽量な協調メカニズムを用いる。
• NF インスタンスの動的追加／削除をサポートするために、既存の NFV イフラストラクチャと統合する。
• 効率的なデータ構造を活用してステートアクセス遅延を最小限に抑えることで、パケット処理を最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ステートフルな NF チェインは、動的スケーリングや障害発生時でも正しさをどのように維持できるか？
• RQ2 NFV 環境におけるチェーン全体の正しさを保証する際のパフォーマンスオーバーヘッドはどの程度か？
• RQ3 外部ステートストレージは、高スループットで低遅延な処理を NF チェインで実現可能か？
• RQ4 障害状況下で複数の NF インスタンス間のステート一貫性をどのように処理するか？
• RQ5 メタデータ管理の影響は、全体のシステムパフォーマンスにどのような影響を及えるか？

主な発見

• StreamNF は、チェイン内の各 NF で約 10Gbps のスループットを達成する。
• フレームワークは、各 NF のパケット処理遅延に 0.6µs 未満の中央値の増加をもたらす。
• 動的スケーリングやさまざまな障害シナリオ下でも、チェーン全体の正しさが保たれる。
• 外部ステートストアとメタデータ管理により、効率的な回復と一貫性が実現される。
• 正しさを保証するメカニズムのパフォーマンスオーバーヘッドは最小限であり、スケーラブルなソリューションである。
• NF インスタンスの動的追加・削除が、最小限の中断で可能である。