[论文解读] Benchmarking NFV Software Dataplanes

Zhixiong Niu, Hong Xu+4 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2016

Software-Defined Networks and 5G被引用 5

一句话总结

该论文在使用通用10GbE网卡的真实工作负载下，对两款开源NFV软件数据平面SoftNIC和ClickOS进行了基准测试。研究揭示了小包处理中的性能瓶颈以及服务链中的NUMA效应，并提出了资源分配策略（如优化vCPU/vNIC分配及跨服务器分布VNF），以实现线速吞吐量并缓解性能下降。

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.

研究动机与目标

• 评估两款领先的开源NFV软件数据平面SoftNIC和ClickOS在真实工作负载下的数据包处理性能。
• 识别在实际部署场景（如小包处理和NFV服务链）中的性能瓶颈。
• 理解在单台服务器上共置多个VNF时，NUMA架构对VNF性能的影响。
• 提出可实践的资源分配策略，以提升NFV部署中的性能和能效。
• 通过识别多核和多队列支持方面的关键限制，为未来软件数据平面设计提供指导。

提出的方法

• 在通用10GbE硬件上对SoftNIC（使用KVM和DPDK）和ClickOS（使用Xen和netmap）进行基准测试。
• 在不同工作负载下测量吞吐量，包括L3转发和防火墙VNF，涵盖不同数据包大小（64B至1518B）。
• 在2–3个VNF的服务链场景中评估性能，变化CPU插槽和服务器的部署位置。
• 通过在同一台服务器上运行多个独立数据包生成器的VM来测试VNF共置，测量聚合吞吐量。
• 使用CPU绑定和vNIC/vCPU调优来隔离性能影响并优化资源分配。
• 通过对比不同配置的结果来识别瓶颈，包括NUMA效应和缺乏多队列支持的问题。

实验结果

研究问题

• RQ1 在真实工作负载下，SoftNIC和ClickOS能否对中等和大包实现10GbE线速？
• RQ2 在这些软件数据平面中，处理小包（≤128B）的性能瓶颈是什么？
• RQ3 当在单台服务器上共置多个VNF时，NUMA拓扑如何影响性能？
• RQ4 是否将服务链的所有VNF都部署在同一台服务器上总能获得最佳性能？
• RQ5 通过将VNF分布在不同服务器上以避免NUMA效应，能否提升性能？

主要发现

• 对于大于128B的数据包，SoftNIC和ClickOS均能实现10GbE线速，即使在CPU频率降低至1.2GHz时亦然。
• 对于64B数据包，SoftNIC因vNIC缺乏多队列支持而无法达到线速，但通过增加vNIC和vCPU可实现线速。
• ClickOS无法实现64B数据包的线速，因CPU使用率过高，且缺乏SMP支持进一步加剧了该问题。
• 在NF服务链中，随着链长增加，性能下降，尤其在ClickOS中，这是由于增加了跨插槽通信和缓存未命中。
• 将所有VNF部署在同一台服务器并不总能获得最佳性能，因NUMA效应存在；将VNF分布在不同服务器上可消除NUMA惩罚。
• 通过10GbE网卡在不同服务器间编排VNF可消除NUMA效应，并实现与同插槽部署相当的吞吐量。