[논문 리뷰] Isolation mechanisms for high-speed packet-processing pipelines

Tao Wang, Xiangrui Yang외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 29.

Software-Defined Networks and 5G참고 문헌 55인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 재구성 가능한 매칭 테이블(RMT) 아키텍처 기반의 고속 패킷 처리 파이프라인을 위한 경량 격리 메커니즘인 Menshen을 제안한다. 공간 분할과 하드웨어 오버레이 프리미티브를 조합함으로써 Menshen은 서로 독립적으로 개발된 패킷 처리 모듈들이 동일한 장치에서 간섭 없이 동시에 실행되도록 하며, 활성 모듈에 영향을 주지 않고 동적 재구성을 지원한다. 시스템은 FPGA 플랫폼에 구현되었으며, 1 GHz에서 약 6%의 면적 오버헤드만으로 ASIC 구현이 가능함을 입증하였다.

ABSTRACT

Data-plane programmability is now mainstream. As we find more use cases, deployments need to be able to run multiple packet-processing modules in a single device. These are likely to be developed by independent teams, either within the same organization or from multiple organizations. Therefore, we need isolation mechanisms to ensure that modules on the same device do not interfere with each other. This paper presents Menshen, an extension of the Reconfigurable Match Tables (RMT) pipeline that enforces isolation between different packet-processing modules. Menshen is comprised of a set of lightweight hardware primitives and an extension to the open source P4-16 reference compiler that act in conjunction to meet this goal. We have prototyped Menshen on two FPGA platforms (NetFPGA and Corundum). We show that our design provides isolation, and allows new modules to be loaded without impacting the ones already running. Finally, we demonstrate that feasibility of implementing Menshen on ASICs by using the FreePDK45nm technology library and the Synopsys DC synthesis software, showing that our design meets timing at a 1GHz clock frequency and needs approximately 6% additional chip area. We have open sourced the code for Menshen's hardware and software at https://isolation.quest/.

연구 동기 및 목표

• 다양한 독립적인 패킷 처리 모듈을 실행하는 고속 프로그래머블 네트워크 장치에서 점점 증가하는 격리 요구에 대응하기 위해.
• 동일한 RMT 파이프라인 상에서 서로 다른 모듈 간의 상호작용 없이 행동, 처리량, 지연 시간 측면에서 안정적인 공존을 보장하기 위해.
• 다른 실행 중인 모듈에 영향을 주지 않고 개별 모듈의 동적 재구성을 지원하기 위해.
• FPGA와 ASIC 모두에 적합한 경량이고 하드웨어 효율적인 격리 메커니즘을 설계하기 위해.
• P4-16 컴파일러를 확장하여 RMT 파이프라인에서 다중 모듈 배포를 네이티브로 지원하기 위해.

제안 방법

• 다른 모듈에 할당된 고유한 파이프라인 자원(예: 매칭-액션 테이블)을 확보하기 위해 공간 분할을 사용한다.
• 공유되지만 분할이 불가능한 자원(예: 키 추출 유닛)을 위한 모듈 전용 설정을 저장하는 소형 구성 오버레이 테이블을 도입한다.
• 패킷의 모듈 식별자를 오버레이 테이블의 인덱스로 사용하여 파이프라인 처리 중에 구성 설정을 동적으로 선택한다.
• 데이터 평면 수준에서 격리를 강제하기 위해 핵심 파이프라인 스테이지에 통합된 경량 하드웨어 프리미티브 세트를 설계한다.
• 다중 모듈 및 격리 프리미티브를 지원하는 코드 생성 기능을 갖춘 오픈소스 P4-16 컴파일러를 확장한다.
• 두 개의 FPGA 플랫폼(NetFPGA 및 Corundum)에서 설계를 검증하고, FreePDK45nm와 Synopsys DC를 사용하여 ASIC의 구현 가능성을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 OS나 하이퍼바이저에 의존하지 않고도 고속 RMT 파이프라인에서 격리가 효과적으로 구현될 수 있는가?
• RQ2 키 추출 유닛과 같은 공유되지만 분할이 불가능한 자원을 여러 모듈 간에 안전하게 공유할 수 있는가?
• RQ3 다른 실행 중인 모듈에 영향을 주지 않고 모듈 업데이트를 동적으로 수행할 수 있는가?
• RQ4 FPGA 및 ASIC 플랫폼에서 격리 메커니즘을 구현할 경우 성능 및 면적 오버헤드는 어느 정도인가?
• RQ5 P4-16 컴파일러를 확장하여 다중 모듈 배포와 격리 기능을 네이티브로 지원하는 것이 가능한가?

주요 결과

• Menshen은 RMT 파이프라인 상에서 공존하는 패킷 처리 모듈 간의 격리를 성공적으로 강제하여 행동, 처리량, 지연 시간 측면에서 간섭이 없음을 보장한다.
• 시스템은 다른 실행 중인 모듈에 영향을 주지 않고 개별 모듈의 동적 재구성을 지원하여 장애 없이 업데이트가 가능하다.
• 설계는 NetFPGA 및 Corundum이라는 두 개의 오픈소스 FPGA 플랫폼에서 성공적으로 프로토타yped되었다.
• FreePDK45nm와 Synopsys DC를 사용한 ASIC 합성 결과, 1 GHz 타이밍 요구사항을 충족하며 약 6%의 추가 칩 면적만을 차지함을 확인하였다.
• P4-16 컴파일러 확장 기능을 통해 다중 모듈 컴파일 및 격리 프리미티브 통합에 대한 네이티브 지원이 가능해졌다.
• Menshen의 하드웨어 및 소프트웨어는 https://isolation.quest/ 에서 오픈소스로 공개되어 있다.