面向多核系统的网络功能链部署性能研究

发布时间：2020-05-10 07:11

【摘要】：近年来,随着基础网络建设和网络业务的快速发展,传统的网络架构在成本、灵活性以及快速业务开发等方面越来越难以满足要求。不少企业,包括各种运营商和硬件提供商,开始研究并实践网络功能虚拟化(Network Function Virtualization,NFV)。网络功能虚拟化旨在将以往由硬件实现的网络功能,通过软件的方式运行在通用的管理平台上,从而带来更低的成本和更高的管理效率。NFV在应用过程中最大的问题是性能表现难以满足要求。因此,大量工作研究如何尽可能提升网络功能在通用设备上的性能。这些工作通过减少数据包在物理/虚拟网络中不必要的内存拷贝和CPU开销,来提高网络功能的吞吐量并减少延迟。而随着单个网络功能性能研究的推进,有不少工作研究网络功能链整体性能优化技术。面向网络功能链的性能优化更具有实际价值,因为企业在部署网络业务的时候,往往需要多个网络功能共同协作,形成链式结构。对于部署在多核系统上的网络功能链,网络管理人员往往会根据具体的业务性能要求,为网络功能链分配相应的CPU资源并进行合理的部署。但是存在一些网络功能链,无论网络管理人员如何部署调优,都无法充分地利用CPU资源,进而无法表现出很好的吞吐量。这类网络功能链的特点是,链上的不同网络功能之间处理数据包的时间相差比较大,并且每个网络功能运行在单独的线程(操作系统的最小调度实体)中。在这种情况下,处理时间较长的网络功能会主导整一条链的性能,而由于单线程最多在一个CPU核心上运行,主导的网络功能也最多只有一个CPU核心的处理能力,这会导致整一条链的性能出现瓶颈。为了避免这种瓶颈,我们需要将网络功能运行在多个线程中,以提升单个网络功能的处理能力。一种处理方式是在每个线程中并行执行同一份逻辑代码,但是对网络功能链来说,这种并行的处理方式由于没有考虑数据包之间的顺序依赖,会引入正确性、通用性和性能方面等诸多问题。为了解决网络功能链部署的瓶颈问题同时避免引入其他问题,本文提出按处理时间分割网络功能的思路。具体来说,我们将网络功能根据数据包处理流程分成几个阶段,每个阶段分别在一个线程中运行。任意一个数据包的处理都要按顺序经过这几个线程,使得每个线程的处理时间大体相同,并最终得到与单线程方式相同的结果。我们用代码分割的方式来实现上述的思路,主要的做法是用代码运行的指令条数来近似地代替处理时间的长短,通过分割不同的代码到不同的线程中来实现按处理时间分割的思想。代码分割在具体实施的时候存在两个难点,第一,分割后的代码可能存在各种需要在线程之间传输的临时变量,这会增加额外的代码工作量,产生巨大的人力开销,同时大量的变量传输也会引起性能上的不稳定;第二,代码运行过程中执行的指令条数与多种因素相关,依靠人脑很难精细化地分割代码,而粗略的划分可能导致某一部分处理的时间太长,进而让整条链产生性能瓶颈。为了解决这两个难点,我们设计了类似协程的机制来解决临时变量的传递问题,同时基于中间描述语言LLVM/Clang实现了自动化的代码分割工具。借助于我们设计的系统ChainSplit,部署人员可以很方便地对VNF链进行代码分割与部署。我们的实验表明,对于处理时间各异的VNF链,ChainSplit可以一直保持较高的性能;对于其中一些存在瓶颈的VNF链,ChainSplit相比普通的部署方式在多核情况下至少提升60%的吞吐量;在性能扩展性方面,ChainSplit可以让VNF链的性能随着分配CPU资源的增加而增加,最好情况下能够随着CPU核数增多而接近线性地提高其吞吐量。
【图文】：

网络功能,虚拟化

１．１研究背景逡逑近年来，随着基础网络建设和网络业务的快速发展，传统的网络架构在成逡逑、灵活性以及快速业务开发等方面越来越难以满足要求。不少企业，包括各逡逑运营商和硬件提供商，开始研宄并实践网络功能虚拟化（Ｎｅｔｗｏｒｋ邋Ｆｕｎｃｔｉｏｎ逡逑ｉｒｔｕａｌｉｚａｔｉｏｎ，ＮＦＶ［１］）。网络功能虚拟化是一种新兴的网络架构的概念，其逡逑主要的思想，是将原本在专用硬件上实现的网络功能，用虚拟化等方式运行逡逑通用设备（例如ｘ８６设备）上。所谓的网络功能，指的是在网络上运行的中逡逑间件，例如入侵防御系统（ＩＰＳ）、防火墙、ＮＡＴ等，数据包在端到端传输时逡逑经过这些中间件。对于企业用户来说，由于数据中心传输和用户量的关系，逡逑往这些网络功能需要承载的流量非常大，对延迟的要求也很高。出于性能的逡逑虑，企业用户一般会采用硬件实现加软件配置的方式部署他们需要的网络功逡逑。例如他们会采用华为的ＭＥ６０系列多业务网关［２］，并在上面用软件配置自逡逑己需要的网络功能。逡逑

网络功能,管理平台

第一章绪用的管理平台上，这种管理平台可能是虚拟机［３］、容器［４］，或者一些新的架构［５］［６］，但不管怎样，这种管理平台都会运行在一些便宜的通用设备（例如ｘ８６设备）。从收益方面来看，网络功能虚拟化的一个最直接的收益减少设备成本。除此之外，虚拟化的网络功能管理起来更加方便，不需要都配备人力去配置机器，人力成本也会大幅减少；当网络功能需要启动、闭、备份或者扩容的时候，虚拟化的网络功能管理起来更加灵活；由于不需次拓展新业务都设计新的硬件，新业务的迭代周期将大幅缩短。逡逑为了简化起见，我们接下来把虚拟化的网络功能称为虚拟网络功（ＶｉｒｔｕａｌｉｚｅｄＮｅｔｗｏｒｋ邋Ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ＶＮＦ）。一＇般来说，ＶＮＦ在部署的时候是以链结构存在的。这主要有两种场景，一是对于公司的某些业务来说，，一个ＶＮＦ往没办法满足要求，需要多个ＶＮＦ对数据包连续进行处理；二是即便对同一ＶＮＦ，处理数据包的时候往往也需要分不同阶段进行处理。逡逑￣￣￣
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP393.01

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