[论文解读] Towards a Stateful Forwarding Abstraction to Implement Scalable Network Functions in Software and Hardware

Luca Petrucci, Nicola Bonelli+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2016

Software-Defined Networks and 5G参考文献 34被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于扩展有限状态机（EFSM）模型的状态转发抽象，通过Open Packet Processor（OPP）框架实现，以在软件和硬件中高效、可扩展地部署高性能网络功能。结果表明，流级状态一致性可实现软件中的无缝多核扩展，并支持防火墙和NAT等功能的硬件卸载。

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.

研究动机与目标

• 解决在多租户、通用服务器环境中实现高性能、可扩展的虚拟网络功能（VNF）的挑战。
• 克服现有SDN抽象（如OpenFlow）缺乏对状态操作和硬件加速支持的局限性。
• 实现对复杂网络功能（如有状态防火墙、负载均衡器和动态NAT）的无缝软硬件加速。
• 提供一种一致的、基于流的编程模型，支持运行时重新配置和多核扩展，同时不牺牲状态一致性。

提出的方法

• 采用Open Packet Processor（OPP）框架（OpenState的扩展），为网络功能编程暴露扩展有限状态机（EFSM）抽象。
• 将Linux iptables接口映射到OPP抽象，以证明对常见有状态网络功能的支持。
• 通过包含流级状态跟踪的匹配-动作表（MAT）流水线实现EFSM模型，实现跨数据包流的一致状态管理。
• 利用软件加速技术（如DPDK、Netmap）和通过智能网卡（如基于FPGA的网卡）实现硬件卸载，以实现线速性能。
• 设计抽象以支持运行时重新配置和VNF的动态迁移，而不会中断活跃流。
• 通过基于MAT和EFSM语义的标准化、可扩展的编程模型，确保与现有软件交换机和硬件加速器的兼容性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于EFSM的状态转发抽象是否能在软件和硬件加速器中高效实现？
• RQ2 流级一致性模型是否能实现有状态网络功能在多核环境下的可扩展部署，同时不牺牲状态完整性？
• RQ3 OPP抽象在多大程度上能真实模拟防火墙、负载均衡器和动态NAT等实际网络功能？
• RQ4 与OpenFlow、SoftFlow、Click和NetBricks等现有解决方案相比，所提出的抽象在表达能力、性能和硬件卸载支持方面表现如何？
• RQ5 该抽象是否可扩展以支持未来的硬件加速器，而无需修改核心编程模型？

主要发现

• 基于OPP的EFSM抽象成功建模了复杂的有状态网络功能，如基于iptables的防火墙、负载均衡器和动态NAT。
• 流级状态一致性模型实现了高效的无锁多核扩展，确保了多核间的状态一致性。
• 该实现可在通用硬件上实现高性能，OPP软件交换机可在10 Gbps及以上的速率下实现线速转发。
• 通过智能网卡原生支持硬件卸载，使数据包分类和有状态操作可卸载至基于FPGA的网卡。
• 该抽象与现有软件加速器（如DPDK和Netmap）向后兼容，且OPP实现可集成至OFSoftSwitch。
• OPP API的子集（主要为OpenState）正在考虑纳入OpenFlow v1.6，表明其标准化兴趣日益增长。