[논문 리뷰] Unified POF Programming for Diversified SDN Data Plane

Haoyu Song, Jun Gong외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 05. 01.

Software-Defined Networks and 5G참고 문헌 7인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 다양한 SDN 데이터 평면을 위한 통합된 OpenFlow 프로그래밍 프레임워크를 제안하며, 추상 명령어 집합을 통해 프로토콜 무관, 플랫폼 무관 프로그래밍을 가능하게 한다. 컴파일러 모드로 구현된 NPU 기반 플랫폼에서 기존의 비-SDN 구현보다 11% 낮은 성능 오버헤드를 기록하고, 인터프리터 모드 대비 마이크로코드 명령어 수에서 57% 우수한 성능을 보이며, 이는 이질적인 전달 요소 간 고성능, 유연한 데이터 평면 프로그래밍을 가능하게 한다.

ABSTRACT

In many real-world OpenFlow-based SDN deployments, the ability to program heterogeneous forwarding elements built with different forwarding architectures is a desirable capability. In this paper, we discuss a data plane programming framework suitable for a flexible and protocol-oblivious data plane and show how OpenFlow can evolve to provide a generic interface for platform-independent programming and platform-specific compiling. We also show how an abstract instruction set can play a pivotal role to support different programming styles mapping to different forwarding chip architectures. As an example, we compare the compiler-mode and interpreter-mode implementations for an NPU-based forwarding element and conclude that the compiler-mode implementation can achieve a performance similar to that of a conventional non-SDN implementation. Built upon our protocol-oblivious forwarding (POF) vision, this work presents our continuous efforts to complete the ecosystem and pave the SDN evolving path. The programming framework could be considered as a proposal for the OpenFlow 2.0 standard.

연구 동기 및 목표

• 다양한 아키텍처(ASIC, NPU, CPU)를 가진 이질적인 SDN 전달 요소를 단일 추상화 인터페이스로 프로그래밍하는 데 도전하는 것.
• 컨트롤러 로직을 기반 하드웨어 세부 정보에서 분리하는 프로토콜 무관 데이터 평면 프로그래밍을 가능하게 하는 것.
• 최대한의 유연성을 확보하기 위해 굵은 단위(라이브러리 기반)와 미세한 단위(명령어 기반) 프로그래밍을 모두 지원하는 것.
• OpenFlow 명령어의 컴파일러 모드 컴파일이 NPU 기반 플랫폼에서 네이티브 성능에 가까운 성능을 달성할 수 있음을 입증하는 것.
• 표준화되고 확장 가능하며 미래 지향적인 데이터 평면 인터페이스를 제안함으로써 OpenFlow 2.0의 기초를 마련하는 것.

제안 방법

• 패킷/메타데이터 편집, 테이블 액세스, 출력, 분기, 활성 데이터 경로 작업을 위한 추상 흐름 명령어를 포함한 일반적이고 프로토콜 무관인 OpenFlow 인터페이스 설계.
• 이중 계층 프로그래밍 모델 도입: 플랫폼 독립적 명령어 집합을 플랫폼에 따라 다른 컴파일러를 통해 대상 특화 마이크로코드로 매핑.
• 성능 및 코드 효율성 비교를 위해 NPU 기반 전달 요소에서 인터프리터 모드와 컴파일러 모드 컴파일을 모두 구현.
• 컴파일러 모드에서 OpenFlow 명령어를 직접 마이크로코드 명령어로 매핑하여 명령어 수를 최소화하고 처리량을 극대화.
• 표준화된 명령어 집합을 사용해 흐름 엔트리 매치 키를 액션 블록에서 분리하고, 고유 ID를 통해 참조함으로써 재사용을 가능하게 함.
• 다양한 구현 방식 간 성능 평가를 위해 마이크로코드 명령어 수, 처리량(Mpps), 지연 시간(사이클 수)을 기준으로 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 아키텍처를 가진 이질적인 SDN 전달 요소를 지원할 수 있는 통합적이고 프로토콜 무관 프로그래밍 인터페이스를 설계할 수 있는가?
• RQ2 NPU 기반 플랫폼에서 OpenFlow 명령어의 컴파일러 모드 컴파일은 인터프리터 모드 대비 성능과 코드 효율성 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ3 컴파일러 모드 구현이 기존의 비-SDN 구현에 비해 얼마나 높은 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ4 추상 명령어 집합을 통해 하나의 프레임워크 내에서 고수준의 라이브러리 기반 프로그래밍과 저수준의 흐름 명령어 프로그래밍을 모두 가능하게 할 수 있는가?
• RQ5 마이크로코드 명령어 수가 데이터 평면 구현의 성능을 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 기본 IPv4 전달에 대해 컴파일러 모드 구현은 인터프리터 모드 대비 57% 적은 마이크로코드 명령어를 필요로 했다.
• 컴파일러 모드는 동일한 NPU 플랫폼에서 77.5 Mpps의 처리량을 기록했고, 인터프리터 모드는 35.3 Mpps를 기록하여 성능에서 뚜렷한 우위를 보였다.
• 컴파일러 모드 구현은 기존의 비-SDN 구현 대비 단지 11% 빠르지 않아 네이티브 성능에 근접함을 입증했다.
• 동일한 수의 마이크로코어를 사용할 경우, 컴파일러 모드 구현은 인터프리터 모드 대비 처리량을 두 배로 끌올릴 수 있었다.
• 컴파일러 모드와 인터프리터 모드 간 성능 격차는 주로 마이크로코드 명령어 수에 기인하며, 직접적인 명령어 매핑의 중요성을 강조한다.
• 표준화된 명령어 집합을 통해 하드웨어 특수 세부 정보를 추상화함으로써 플랫폼 무관 프로그래밍을 가능하게 하며, 라이브러리 기반 및 미세 조절 프로그래밍 모두를 지원한다.