[논문 리뷰] Towards a Stateful Forwarding Abstraction to Implement Scalable Network Functions in Software and Hardware

Luca Petrucci, Nicola Bonelli외 7명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 09.

Software-Defined Networks and 5G참고 문헌 34인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 확장 유한 상태 기계(EFSM) 모델을 기반으로 한 상태 기반 포워딩 추상화를 제안하며, 이를 오픈 패킷 프로세서(OPP) 프레임워크를 통해 구현하여 소프트웨어 및 하드웨어에서 고성능 네트워크 기능의 효율적이고 확장 가능한 구현을 가능하게 한다. 흐름 수준의 상태 일관성이 소프트웨어에서의 다중 코어 스케일링과 하드웨어 오프로드 지원을 가능하게 하며, 방화벽 및 NAT와 같은 기능에 대해 이를 입증한다.

ABSTRACT

An effective packet processing abstraction that leverages software or hardware acceleration techniques can simplify the implementation of high-performance virtual network functions. In this paper, we explore the suitability of SDN switches' stateful forwarding abstractions to model accelerated functions in both software and hardware accelerators, such as optimized software switches and FPGA-based NICs. In particular, we select an Extended Finite State Machine abstraction and demonstrate its suitability by implementing the Linux's iptables interface. By doing so, we provide the acceleration of functions such as stateful firewalls, load balancers and dynamic NATs. We find that supporting a flow-level programming consistency model is an important feature of a programming abstraction in this context. Furthermore, we demonstrate that such a model simplifies the scaling of the system when implemented in software, enabling efficient multi-core processing without harming state consistency.

연구 동기 및 목표

• 멀티테넌트 및 일반 서버 환경에서 고성능, 확장 가능한 가상 네트워크 기능(VNF)을 구현하는 데 도전하는 문제를 해결한다.
• 상태 기반 작업 및 하드웨어 가속을 지원하지 못하는 기존의 SDN 추상화(예: OpenFlow)의 한계를 극복한다.
• 상태 기반 방화벽, 로드 밸런서, 동적 NAT와 같은 복잡한 네트워크 기능의 소프트웨어 및 하드웨어 가속을 원활하게 지원한다.
• 런타임 재구성 및 다중 코어 스케일링을 지원하면서도 상태 일관성을 유지할 수 있는 일관된 흐름 수준의 프로그래밍 모델을 제공한다.

제안 방법

• 네트워크 기능 프로그래밍을 위한 확장 유한 상태 기계(EFSM) 추상화를 노출하기 위해 OpenState의 확장인 오픈 패킷 프로세서(OPP) 프레임워크를 채택한다.
• 일반적인 상태 기반 네트워크 기능을 지원하기 위해 리눅스 iptables 인터페이스를 OPP 추상화에 매핑한다.
• 흐름 수준의 상태 추적을 통해 일관된 상태 관리를 가능하게 하는 매칭-액션 테이블(MAT)의 파이프라인을 사용하여 EFSM 모델을 구현한다.
• 고선율 성능을 달성하기 위해 소프트웨어 가속 기법(DPDK, Netmap 등)과 스마트 NIC를 통한 하드웨어 오프로드(FPGA 기반 NIC 등)를 활용한다.
• 활성 흐름에 영향을 주지 않으면서도 런타임 재구성 및 VNF의 동적 마이그레이션을 지원하도록 추상화를 설계한다.
• MAT 및 EFSM 의미 체계 기반의 표준화되고 확장 가능한 프로그래밍 모델을 사용하여 기존 소프트웨어 스위치 및 하드웨어 가속기와의 호환성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 EFSM 기반의 상태 기반 포워딩 추상화는 소프트웨어 및 하드웨어 가속기 모두에서 효율적으로 구현될 수 있는가?
• RQ2 흐름 수준의 일관성 모델은 상태 무결성을 훼손하지 않고도 상태 기반 네트워크 기능의 다중 코어 스케일링을 가능하게 하는가?
• RQ3 OPP 추상화 모델은 방화벽, 로드 밸런서, 동적 NAT와 같은 실제 네트워크 기능을 어느 정도 정확하게 모델링할 수 있는가?
• RQ4 표현력, 성능, 하드웨어 오프로드 지원 측면에서 기존 솔루션인 OpenFlow, SoftFlow, Click, NetBricks와 비교해 볼 때 제안된 추상화는 어떤가?
• RQ5 핵심 프로그래밍 모델을 변경하지 않고도 향후 하드웨어 가속기의 확장을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• OPP 기반의 EFSM 추상화는 iptables 기반 방화벽, 로드 밸런서, 동적 NAT와 같은 복잡한 상태 기반 네트워크 기능을 성공적으로 모델링한다.
• 흐름 수준의 상태 일관성 모델은 소프트웨어에서 잠금 없이도 효율적인 다중 코어 스케일링을 가능하게 하며, 코어 간 상태 일관성을 유지한다.
• 기존 하드웨어에서 높은 성능을 달성하였으며, OPP 소프트웨어 스위치는 10 Gbps 이상에서도 라인 레이트 포워딩을 구현할 수 있다.
• 스마트 NIC를 통해 하드웨어 오프로드가 네이티브로 지원되며, 패킷 분류 및 상태 기반 작업이 FPGA 기반 NIC로 오프로드된다.
• DPDK 및 Netmap와 같은 기존 소프트웨어 가속기와 호환되며, OPP의 구현은 OFSoftSwitch와의 통합을 위해 사용 가능하다.
• OPP API의 일부(주로 OpenState)가 OpenFlow v1.6에 포함될 가능성이 검토 중이며, 표준화에 대한 관심이 증가하고 있음을 시사한다.