Search

TeraFlow proposes a novel secured transport Software Defined Networking (SDN) controller based on a microservice architecture. The objective is to foster innovation around SDN controller and evolve them to be suitable for beyond 5G networks. This paper presents two TeraFlow scenarios that involve automated network management to demonstrate its feasibility. The first scenario focuses on the necessary transformation of a network operator to support beyond 5G technologies. From edge, up to the transport network, SDN controllers need to include more dinamicity to support operator requirements for new types of connectivity services. The second scenario demonstrates interdomain connectivity services in an automotive scenario. In this scenario, novel techniques for domain inter-connection will be studied, as well as the load balancing of the connectivity service requests will be evaluated at cloud-scale., Grant numbers : AURORAS - Autonomic and disaggregated optical networks leveraging edge computing and photonic technologies (RTI2018-099178-B-I00) project.

Link speeds in networks will in the near-future reach and exceed 100 Gbps. While available specialized hardware can accommodate these speeds, modern networks have adopted a new networking paradigm, also known as Network Functions Virtualization (NFV), that replaces expensive specialized hardware with open-source software running on commodity hardware. However, achieving high performance using commodity hardware is a hard problem mainly because of the processor-memory gap. This gap suggests that only the fastest memories of today’s commodity servers can achieve the desirable access latencies for high speed networks. Existing NFV systems realize chained network functions (also known as service chains) mostly using slower memories; this implies a need for multiple additional CPU cores or even multiple servers to achieve high speed packet processing. In contrast, this thesis combines four contributions to realize NFV service chains with dramatically higher performance and better efficiency than the state of the art. The first contribution is a framework that profiles NFV service chains to uncover reasons for performance degradation, while the second contribution leverages the profiler’s data to accelerate these service chains by combining multiplexing of system calls with scheduling strategies. The third contribution synthesizes input/output and processing service chain operations to increase the spatial locality of network traffic with respect to a system’s caches. The fourth contribution combines the profiler’s insights from the first contribution and the synthesis approach of the third contribution to realize NFV service chains at the speed of the underlying commodity hardware. To do so, stateless traffic classification operations are offloaded into available hardware (i.e., programmable switches and/or network cards) and a tag is associated with each traffic class. At the server side, input traffic classes are classified by the hardware based upon the values of these tags, which indicate the CPU core that should undertake their stateful processing, while ensuring zero inter-core communication. With commodity hardware, this thesis realizes Internet Service Provider-level service chains and deep packet inspection at a line-rate 40 Gbps and stateful service chains at the speed of a 100 GbE network card on a 16 core single server. This results in up to (i) 4.7x lower latency, (ii) 8.5x higher throughput, and (iii) 6.5x better efficiency than the state of the art. The techniques described in this thesis are crucial for realizing future high speed NFV deployments. Länkhastigheter i nätverk kommer inom en snar framtid att nå och överstiga 100 Gbps. Medan existerande specialiserad hårdvara numera kan tillgodose dessa hastigheter, tillämpas i moderna nätverk även ett nytt nätverksparadigm känt som funktionsvirtualisering av nätverk (NFV), som ersätter dyr specialiserad hårdvara med öppen källkodsprogramvara som körs på kostnadseffektiv, icke-specialiserad, vanlig dator (s.k. råvaru-enheter). Att uppnå hög prestanda med hjälp av standardmaskinvara är ett svårt problem, huvudsakligen på grund av prestandaskillnader mellan processor och minne. Denna skillnad medför att endast de snabbaste cache-minnena av idag måste användas för att uppnå högsta prestanda med minsta möjliga fördröjningar i höghastighetsnätverk. Sammankopplade nätverksfunktioner (s.k. tjänstekedjor) i existerande NFV-system använder mestadels långsammare minne, vilket innebär att ytterligare CPU-kärnor eller servrar behövs för att uppnå motsvarande höghastighetsprestanda vid hanteringen av datapaket. I denna avhandling kombineras fyra bidrag som möjliggör NFV-tjänstekedjor med betydligt högre prestanda och effektivitet jämfört med den senaste tekniken. Det första bidraget är ett ramverk som profilerar NFV-tjänstekedjor för att identifiera av orsaken till prestandaförsämringar, medan det andra bidraget utnyttjar profildata för att snabba upp tjänstekedjorna genom att kombinera multiplexering av systemanrop med olika schemaläggnings-strategier. Det tredje bidraget syntetiserar indata/utdata och tjänstekedje-operationer för att öka den spatiala lokaliteten av nätverkstrafiken i förhållande till systemets cacher. Det fjärde bidraget kombinerar profilerings-resultat från det första bidraget och syntetiseringsmetoden från det tredje bidraget för att möjliggöra NFV-tjänstekedjor kapabla att hantera datatrafik med samma höga överföringshastighet som den underliggande maskinvaran. För att göra detta överförs tillståndslösa trafikklassificerings-operationer till tillgänglig maskinvara (d.v.s. programmerbara switchar och/eller nätverkskort) med en indikativ märkning kopplad till varje trafikklass. På serverns sida klassificeras inkomna trafikklasser baserad på märkningen, följt av tillståndsstyrd bearbetning av paketen i tillgängliga CPU-kärnor utan inbördes kommunikation mellan kärnorna. Med användning av endast vanlig maskinvara uppnås i den här avhandlingen tjänstekedjor på Internet-leverantörsnivå och djupa paketinspektioner vid en hastighet av 40 Gbps, motsvarande den underliggande linjehastighet bearbetning, samt tillståndsstyrda tjänstekedjor med hastigheten motsvarande ett 100 GbE-nätverkskort på en server. Detta resulterar i upp till (i) 4,7x lägre latens, (ii) 8,5x högre dataöverföring och (iii) 6,5x ökad effektivitet jämfört med den senaste tekniken. Denna avhandling är avgörande för att förverkliga framtida höghastighetsnätverk. QC 20180829 European Union Horizon 2020 BEhavioural BAsed forwarding (BEBA) European Research Council (ERC) PROPHET Swedish Foundation for Strategic Research Wallenberg AI, Autonomous Systems, and Software Program (WASP)

Network functions (NFs) hold a key role in networks, offering in-network services, such as enhanced performance, policy enforcement, and security. Traditionally, NFs have been implemented in specialized, thus expensive hardware. To lower the costs of deploying NFs, network operators have adopted network functions virtualization (NFV), by migrating NFs from hardware to software running in commodity servers. Several approaches to NFV have shown that commodity network stacks and drivers (e.g., Linux-based) struggle to keep up with increasing hardware speed. Despite this, popular networking services still rely on these commodity components. Moreover, chaining NFs (also known as service chaining) is challenging due to redundancy in the elements of the chain. This licentiate thesis addresses the performance problems of NFV service chains.The first contribution is a framework that (i) profiles NFV service chains to uncover performance degradation reasons and (ii) leverages the profiler’s data to accelerate these chains, by combining multiplexing of system calls with scheduling strategies. These accelerations improve the cache utilization and thereby the end-to-end latency of chained NFs is reduced by a factor of three. Moreover, the same chains experience a multi-fold latency variance reduction; this result improves the quality of highly-interactive services.The second contribution of this thesis substantially revises the way NFV service chains are realized. NFV service chains are synthesized while eliminating redundant input/output and repeated elements, providing consolidated stateful cross layer packet operations across the chain. This software-based synthesis achieves line-rate 40 Gbps throughput for stateful and long service chains. This performance is 8.5x higher than the performance achieved by the software-based state of the art FastClick framework. Experiments with three example Internet Service Provider-level service chains show that this synthesis approach operates at 40 Gbps, when the classification of these chains is offloaded to an OpenFlow switch. Nätverksfunktioner (NF) har en nyckelroll i nätverk. De erbjuder tjänster i nätverken som förbättrad prestanda, policy övervakning och säkerhetsfunktioner. Vanligtvis så har NF implementerats med hjälp av specialiserad, och därmed kostsam, hårdvara. Detta har lett till att nätverksoperatörer har börjat använda nätverksfunktionsvirtualisering (NFV) för att minska kostnaden. NFV implementeras genom att NF flyttas från specialiserad hårdvara till mjukvara som kör på vanliga servrar. Flera försök med NFV har visat att vanliga nätverksstackar och drivrutiner (exempelvis Linux baserade) har svårt att erbjuda samma prestanda som hårdvaran gör. Trots detta bygger flera populära nätverkstjänster på NFV. Dessutom är det en utmaning att koppla samman NFV i kedjor, då redundanta operationer utförs. I den här avhandlingen försöker vi lösa prestanda problem kopplade till kedjor av NFV. Det första bidraget i den här avhandlingen är ett ramverk som (i) profilerar NFV kedjor för att hitta orsaker till prestanda problem samt (ii) använder profileringsdata för att förbättra prestandan i kedjorna. Detta görs genom att kombinera multiplexing av systemanrop med planläggningsstrategier. Tillsammans förbättrar dessa lösningar cache användningen och minskar därmed end-to-end latensen i kedjade NFV med en faktor tre. Dessutom minskar vår metod variansen i latens, något som är viktigt för tjänstekvalitén i interaktiva tjänster.Det andra bidraget i den här avhandlingen är en omarbetning av hur kedjade NFV konstrueras. Vi syntetiserar NFV service kedjor genom att ta bort redundanta element och konsoliderar paketoperationer som sträcker sig över flera lager i nätverksstacken. Vår mjukvarubaserade lösning klarar av 40 Gbps genomströmning i en lång kedja. Detta är 8.5 ggr mer än vad som uppnåtts med den tidigare standard lösningen för mjukvara, ramverket FastClick. Vi presenterar experiment med tre servicekedjor för nätverksleverantörer där vår syntetiserade lösning klarar 40 Gbps, när klassificeringen av kedjan görs med hjälp av en OpenFlow switch. QC 20161103 European Union Horizon 2020 BEhavioural BAsed forwarding (BEBA) European Research Council (ERC) PROPHET