[논문 리뷰] Network Function Virtualization based on FPGAs:A Framework for all-Programmable network devices

Christoforos Kachris, Georgios Ch. Sirakoulis외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 02.

Software-Defined Networks and 5G참고 문헌 17인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 동적 재구성 기능을 활용하여 전용 하드웨어의 고성능과 가상 소프트웨어의 유연성을 모두 확보하는 FPGA 기반의 네트워크 기능 가상화(NFV) 프레임워크를 제안한다. FPGAs를 프로그래머블 가속기로 사용함으로써, 저지연 및 고-throughput로 다양한 동적 재구성 가능한 네트워크 기능을 효율적으로 호스팅할 수 있는 전부 프로그래머블 네트워크 장치를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 일般 프로세서 기반 전통적인 NFV의 성능 및 유연성 한계를 해결하기 위해.
• 동적 재구성을 지원하는 FPGA를 NFV의 하드웨어 플랫폼으로 사용할 수 있는지 탐구하기 위해.
• 재구성 가능한 FPGA 자원에 가상화된 네트워크 기능(VNF)을 효율적으로 배치하고 관리할 수 있는 프레임워크를 설계하기 위해.
• FPGAs가 전용 하드웨어의 저지연성과 소프트웨어 정의 네트워킹의 적응성의 장점을 결합할 수 있는 방법을 보여주기 위해.

제안 방법

• NFV의 기초 하드웨어 플랫폼으로 FPGA를 사용하여 네트워크 기능의 하드웨어 수준 커스터마이제이션과 가속 기능을 가능하게 하였다.
• 런타임 동안 FPGA 논리의 업데이트를 허용하는 동적 재구성 기능을 구현하여, 다양한 네트워크 기능 간 실시간 전환을 가능하게 하였다.
• FPGA 자원을 추상화하고 가상화된 네트워크 기능(VNF) 관리 시스템과의 원활한 통합을 가능하게 하는 소프트웨어 스택을 설계하였다.
• 제어, 데이터, 구성 평면을 분리하는 계층적 아키텍처를 설계하여 모듈식이고 확장 가능한 배포를 지원하였다.
• 네트워크 기능 알고리즘을 FPGA 하드웨어로 매핑하기 위해 고수준 합성 도구를 사용하여 개발 시간과 복잡성을 감소시켰다.
• 기존 가상화 환경과의 상호운용성과 배포 용이성을 확보하기 위해 FPGA 기반 NFV 프레임워크를 통합하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FPGAs는 네트워크 기능 가상화를 위한 고성능이고 민감한 플랫폼으로 효과적으로 기능할 수 있는가?
• RQ2 FPGAs의 동적 재구성은 다양한 네트워크 기능을 배치하는 민첩성과 효율성을 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 가상화된 네트워크 환경 내에서 FPGA 가속 기능을 원활하게 통합하기 위해 필요한 아키텍처적 및 소프트웨어 추상화는 무엇인가?
• RQ4 일반 프로세서 대비 FPGA에 네트워크 기능을 오프로드함으로써 달성할 수 있는 성능 향상은 어느 정도인가?
• RQ5 실시간 네트워크 환경에서 FPGA 기반 NFV는 빠른 기능 전환과 자원 재구성 기능을 어떻게 지원할 수 있는가?

주요 결과

• FPGAs는 특정 네트워크 기능에 대해 마이크로초 이하의 처리 지연을 달성하여 일반 프로세서 대비 뚜렷한 성능 향상을 이룬다.
• 동적 재구성 기능을 통해 동일한 FPGA 패브릭 상에서 여러 네트워크 기능의 런타임 인스턴스화 및 전환을 가능하게 하여 자원 활용도를 향상시킨다.
• 고수준 합성과 추상화 계층을 통해 네트워크 기능의 개발 및 배포 오버헤드를 감소시킨다.
• FPGAs를 NFV 아키텍처에 통합함으로써 저지연, 고-throughput 데이터 플레인 처리를 지원하여 실시간 네트워크 서비스에 적합하다.
• 단일 프로그래머블 하드웨어 플랫폼 상에서 다양한 동적 재구성 가능한 네트워크 기능을 호스팅할 수 있음을 입증하였다.
• 이 접근법은 가상화의 유연성과 하드웨어 성능의 융합을 가능하게 하여, 기존 NFV 하드웨어에 비해 FPGA를 매우 매력적인 대안으로 위치시킨다.