A comparative study of programmable switches on modern networking hardware

Abstract

Software Defined Networks (SDN) have revolutionized the way we design and manage networks. By separating the control plane and the data plane, they allow for better abstractions over the network and enable programmability to allow custom solution. In this context, P4 has emerged as a highly promising, domain specific language for data plane programming, facilitating development and implementation of tailor-made protocols addressing specific needs and use cases. Simultaneously, Network Function Virtualization (NFV) has transformed network function management, by transitioning from physical to virtual resources, providing flexibility and efficiency. This dynamic landscape has made software switches an integral component of modern data centers and their networks. Software switches can run on the host server's CPU, or on specialized hardware such as Smart Network Interface Cards (smartNICs), optimized for offloading networking tasks. In this regard, comparisons of different switches and smartNICs is important in order to validate where each solution fits best and pinpoint any problems. In this thesis, we compare four different switches, considering both traditional SDN and P4-enabled SDN solutions (bmv2, OVS, OVS-pdk and P4-DPDK) on two different smartNICs (NVIDIA ConnectX 5 and Xilinx Alveo SN1000) at input rates up to 100 Gbps. Additionally, we investigate how Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) can be used to host networking functions. To this end, a special P4 program was also created, converted into an FPGA design using the provided toolchain by Xilinx, and evaluated.

Τα Δίκτυα Καθοριζόμενα από Λογισμικό (Software Defined Networks - SDNs) έχουν αλλάξει ριζικά τον τρόπο με τον οποίο σχεδιάζουμε και διαχειριζόμαστε τα δίκτυα δεδομένων. Με τον διαχωρισμό του επιπέδου ελέγχου (control plane) από το επίπεδο δεδομένων (data plane), πληρέστερα μοντέλα δικτύων μπορούν να αναπτυχθούν. Ενώ έχουν και δυνατότητα προγραμματισμού. Σε αυτό το πλαίσιο εμφανίστηκε και η P4, μια πολλά υποσχόμενη γλώσσα στον τομέα των δικτύων, για προγραμματισμό του επιπέδου δεδομένων. Με τη χρήση της P4 διευκολύνεται η ανάπτυξη και υλοποίηση συγκεκριμένων λύσεων και πρωτοκόλλων προσαρμοσμένων σε ιδιαίτερες ανάγκες και περιπτώσεις χρήσης. Ταυτόχρονα, η Εικονικοποίηση Δικτυακών Λειτουργιών (Network Function Virtualization - NFV) με την σειρά της άλλαξε τον τρόπο με τον οποίο διαχειριζόμαστε τις δικτυακές λειτουργίες, με μεταφορά πόρων από τους φυσικούς σε εικονικούς. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται μεγαλύτερη ευελιξία και αποδοτικότητα. Σε αυτό το καινούργιο πλαίσιο, οι μεταγωγείς (switch) υλοποιημένοι σε λογισμικό παίζουν καθοριστικό ρόλο στη δικτύωση των σύγχρονων κέντρων δεδομένων (data centers). Τα switches υλοποιημένα σε λογισμικό μπορούν να τρέχουν είτε στον επεξεργαστή κάποιου εξυπηρετητή (server) ή σε ειδικό υλικό, όπως οι Έξυπνες Κάρτες Δικτύου (smartNICs), οι οποίες είναι βελτιστοποιημένες για να αναλαμβάνουν την εκτέλεση δικτυακών εργασιών. Για τον λόγο αυτόν, η συγκριτική ανάλυση διαφορετικών switches και smartNICs είναι σημαντική, έτσι ώστε να μπορούμε να ελέγξουμε και να επιλέξουμε τη λύση που ταιριάζει καλύτερα στις ανάγκες κάθε διαφορετικής περίπτωσης. Στο πλαίσιο αυτής της διπλωματικής, συγκρίνουμε τέσσερα διαφορετικά switches, κλασσικού SDN και με P4 (bmv2, OVS, OVS-DPDK, P4-DPDK), σε δύο διαφορετικές κάρτες δικτύου (NVIDIA ConnectX 5 και Xilinx Alveo SN1000) υψηλής ρυθμαπόδοσης (100 Gbps). Ταυτόχρονα, ερευνούμε τον τρόπο με τον οποίο τα προγραμματιζόμενα, σε επίπεδο υλικού, ολοκληρωμένα (Field Programmable Gate Arrays – FPGAs) μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να υλοποιήσουν δικτυακές λειτουργίες. Για τον σκοπό αυτό, γράψαμε ένα ειδικό πρόγραμμα σε P4, το οποίο μετατράπηκε σε σχεδιασμό για FPGA μέσα από τα εργαλεία της εταιρείας Xilinx και αξιολογήθηκε.