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Seamless Flexibility in High-Performance Network Functions Virtualization

Nobach, Leonhard :
Seamless Flexibility in High-Performance Network Functions Virtualization.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2018)

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2018-11-05_Nobach_Leonhard.pdf - Published Version
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Seamless Flexibility in High-Performance Network Functions Virtualization
Language: German
Abstract:

Communication network carriers are challenged to continuously deliver higher-performance, more adaptable network services to even lower costs. Network Functions Virtualization (NFV) is an architectural concept aiming to decrease costs and increase flexibility of a network infrastructure. In an NFV architecture, network functions, which are traditionally executed on specialized appliance hardware, are executed on standard, inexpensive, and general-purpose servers. Furthermore, NFV applies cloud computing principles to the network functions implemented for standard hardware, enabling elasticity, flexibility and a fast time-to-market. For a sufficient flexibility, it is often desired that network function instances can be quickly moved between physical locations while they are in operation, which requires seamless state migration. Existing state migration mechanisms have been primarily designed for and tested in intra-datacenter situations. However, new concepts like carrier edge clouds and fog computing might require a state migration method for network function instances over long-distance links. The latters likely do not provide the throughput and latency available in a datacenter. We have identified that current methods can only migrate seamless in long-distance situations, if either the network function or the long-distance link is subject to low utilization. Furthermore, there are currently elasticity limits when using hardware acceleration for NFV environments. Due to the fixed set of commodity CPU and hardware acceleration resources on a computing node, either of the aforementioned resource types might become underutilized. Furthermore, the extraordinarily high performance of widely-available, inexpensive chipsets found in network switches could highly increase resource efficiency of network functions. However, the use cases of these chipsets are commonly limited in functionality, and it is unclear if a carrier-grade network function can be implemented by using them. In this thesis, we propose a seamless migration mechanism for virtualized network functions, which reduces the state migration traffic compared to the state of the art by omitting redundant information. Our evaluation shows that if compared to the state of the art, the reduction of the migration traffic allows an almost three-fold increase of the network function instance's or the link's utilization during migration, while completing the migration in only one third of the time. We propose an architecture which meets elasticity demands of network function implementations requiring heterogeneous processing resources like FPGAs, commodity CPUs, or in-network processing. We furthermore propose a method to quantify the benefits of elastic FPGA provisioning. Finally we investigate the functionality of a widely-used switching chipset in the context of carrier network functions, and conclude that all essential features of a Broadband Remote Access Server (BRAS) can be implemented using it. Overall, we show that we can improve flexibility through enabling NFV state migration over long-distance links, as well as resource efficiency via increased hardware acceleration utilization.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Betreiber von Telekommunikationsnetzen (Carrier) stehen vor der Herausforderung, immer leistungs- und anpassungsfähigere Netze zu geringen Kosten anzubieten. Network Functions Virtualization (NFV ist ein Architekturkonzept, welches darauf abzielt, die Kosten zu senken, und die Flexibilität eines Netzwerkes zu erhöhen. In einer NFV-Architektur werden Netzfunktionen, welche traditionell auf spezialisierten Hardwaregeräten implementiert sind, auf handelsüblichen und günstigen - weil vielseitig anwendbaren - Servern ausgeführt. Desweiteren wendet NFV die Prinzipien des Cloud-Computing auf die auf Standardhardware implementierten Netzfunktionen an, und ermöglich damit Elastizität, Flexibilität und eine schnelle Markteinführung. Für eine ausreichende Flexibilität is es oftmals wünschenswert, dass Netzfunktionsinstanzen schnell zwischen realen Ausführungsorten bewegt werden können während sie sich im Einsatz befinden, was nahtlose Zustandsmigration erfordert. Existierende Mechanismen für Zustandsmigration wurden mit einem Schwerpunkt auf Situationen innerhalb eines Rechenzentrums entwickelt und getestet. Jedoch können neue Konzepte wie Edge-Clouds (Cloudinstanzen am Rande eines Netzwerks) oder Fog-Computing ein solches Verfahren für eine Zustandsmigration über Weitverkehrsverbindungen erfordern. Letztere stellen aber wahrscheinlich nicht den Durchsatz und die Latenz zur Verfügung, die in der Regel innerhalb eines Rechenzentrums verfügbar ist. Wir haben festgestellt, dass aktuelle Verfahren in solchen Situationen nur dann nahtlos migrieren können, wenn die Nutzlast der Netzfunktion oder die Verbindungsauslastung gering genug ist. Weiterhin existieren momentan Elastizitätsgrenzen bei der Verwendung von Hardwarebeschleunigung in NFV-Umgebungen. Aufgrund der festen Menge an Standardprozessor- und Hardwarebeschleunigungsressourcen auf einem Rechenknoten kann einer der letzteren Ressourcentypen unterbelegt sein. Außerdem könnte die außerordentlich große Leistungsfähigkeit der breit verfügbaren und günstigen Chipsätze, welche sich in Netzwerkswitches befinden, die Ressourceneffizienz von Netzfunktionen erhöhen. Jedoch sind die Anwendungsfälle dieser Chipsätze hinsichtlich ihrer Funktionalität begrenzt, und es ist aktuell unbekannt, ob eine Netzfunktion mit ihnen implementiert werden kann, die den Bedürfnissen eines Carriers entspricht. In dieser Dissertation schlagen wir einen Mechanismus für nahtlose Zustandsmigration virtueller Netzfunktionen vor, welcher den Datenverkehr für die Zustandsmigration im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik reduziert, indem er redundante Informationen vermeidet. Unsere Auswertung zeigt, dass, verglichen mit dem Stand der Technik, diese Reduktion eine fast dreifache Vergrößerung der Auslastung der Netzfunktionsinstanz oder der Verbindung erlaubt, während die Migration in einem Drittel der Zeit möglich ist. Wir schlagen eine Architektur vor, welche Elastizitätsansprüche von Netzfunktionsimplementierungen erfüllt, die heterogene Ausführungsressourcen wie FPGAs, Standardprozessoren oder In-Netzwerk-Verarbeitung erfordern. Daneben schlagen wir eine Methode vor, mit der der Nutzen elastischer FPGA-Bereitstellung quantifizierbar ist. Schließlich untersuchen wir die Funktionalität eines weitverbreiteten Switch-Chipsatzes vor dem Hintergrund von Carrier-Netzfunktionen, und schlussfolgern, dass alle essenziellen Eigenschaften eines Breitband-Remotezugangsservers (BRAS) mit diesem implementiert werden können. Im Allgemeinen zeigen wir, dass wir die Flexibilität durch die Ermöglichung von NFV-Zustandsmigration über Weitverkehrsverbindungen verbessern können, sowie die Ressourceneffizienz durch erhöhte Ausnutzung von Hardwarebeschleunigung.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
Date Deposited: 19 Nov 2018 11:00
Last Modified: 19 Nov 2018 11:00
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-81640
Referees: Steinmetz, Prof. Dr. Ralf and Kellerer, Prof. Dr. Wolfgang
Refereed: 26 October 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8164
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