[논문 리뷰] Benchmarking NFV Software Dataplanes

Zhixiong Niu, Hong Xu외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 19.

Software-Defined Networks and 5G인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 일반적인 10GbE NIC를 사용하여 실세계 워크로드에서 소프트NIC와 클릭OS라는 두 개의 오픈소스 NFV 소프트웨어 데이터플레인을 벤치마킹한다. 소형 패킷 처리 및 서비스 체이닝에서의 NUMA 영향 등 성능 저하 요인을 밝혀내며, vCPU/vNIC 할당 최적화 및 VNF를 서버 간에 분산 배치하는 등의 자원 할당 전략을 제안하여 라인레이트 대역폭을 달성하고 성능 저하를 완화한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 두 주요 오픈소스 NFV 소프트웨어 데이터플레인인 소프트NIC와 클릭OS의 실세계 패킷 처리 성능을 평가하기 위해.
• 소형 패킷 처리 및 NFV 서비스 체이닝과 같은 실용적 배치 환경에서의 성능 저하 요인을 규명하기 위해.
• 동일한 서버에 다수의 VNF를 함께 배치할 경우 NUMA 아키텍처가 VNF 성능에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• NFV 배포 환경에서 성능과 에너지 효율성을 향상시키기 위한 실용적인 자원 할당 전략을 제안하기 위해.
• 다중 코어 및 다중 큐 지원 부족 등의 핵심 제약 요소를 규명하여 향후 소프트웨어 데이터플레인 설계를 안내하기 위해.

제안 방법

• 일반적인 10GbE 하드웨어에서 KVM과 DPDK를 사용한 소프트NIC, Xen과 netmap을 사용한 클릭OS를 벤치마킹하였다.
• L3 포워딩 및 방화벽 VNF를 포함한 다양한 워크로드에서 64B에서 1518B까지의 다양한 패킷 크기로 대역폭을 측정하였다.
• 2~3개의 VNF를 포함한 NF 체이닝 시나리오에서 CPU 소켓 및 서버 간 배치 방식을 다양하게 변화시켜 성능을 평가하였다.
• 동일한 서버에서 독립적인 패킷 생성기를 사용하는 다수의 VM을 실행하여 VNF 공재를 테스트하고 집계 대역폭을 측정하였다.
• CPU 핀닝 및 vNIC/vCPU 최적화를 통해 성능 영향을 격리하고 자원 할당을 최적화하였다.
• NUMA 영향 및 다중 큐 지원 부족과 같은 요인을 고려하여 다양한 구성 간 성능 비교를 통해 성능 저하 요인을 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소프트NIC와 클릭OS는 실용적 워크로드에서 중간 및 대용량 패킷에 대해 10GbE 라인레이트를 달성할 수 있는가?
• RQ2 이 소프트웨어 데이터플레인에서 소형 패킷(≤128B) 처리 시 성능 저하 요인은 무엇인가?
• RQ3 동일한 서버에 다수의 VNF를 함께 배치할 경우 NUMA 아키텍처가 성능에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 모든 VNF를 동일한 서버에 배치하는 것이 항상 최적의 성능을 제공하는가?
• RQ5 서버 간 분산 배치를 통해 NUMA 영향을 피할 수 있는가?

주요 결과

• 소프트NIC와 클릭OS는 128B를 초과하는 패킷에 대해 조차도 CPU 주파수를 1.2GHz로 낮추어도 10GbE 라인레이트를 달성한다.
• 64B 패킷에 대해서는 소프트NIC가 vNIC에서 다중 큐 지원이 없어 라인레이트에 도달하지 못하지만, 더 많은 vNIC와 vCPU를 추가하면 라인레이트를 달성할 수 있다.
• 클릭OS는 고성능 CPU 사용으로 인해 64B 패킷에서 라인레이트에 도달하지 못하며, 이는 SMP 지원 부족으로 악화된다.
• NF 체이닝에서는 체이닝 길이가 길어질수록 성능 저하가 발생하며, 특히 클릭OS에서는 상호 소켓 간 통신 증가와 캐시 미스가 원인이다.
• 모든 VNF를 동일한 서버에 배치한다고 해서 항상 최고의 성능을 내는 것은 아니며, 서버 간 분산 배치를 통해 NUMA 패널티를 제거할 수 있다.
• 10GbE NIC를 통해 서버 간 VNF 체이닝을 구현하면 NUMA 영향을 제거하고 동일 소켓 배치 시나리오와 유사한 대역폭을 달성할 수 있다.