Plans de données logiciels pour les traitements réseaux en environnements partagés

Software Datapaths for Multi-Tenant Packet Processing

• Auteur / Autrice : Paul Chaignon
• Direction : Olivier Festor, Jérôme François
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 07/05/2019
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine (1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire lorrain de recherche en informatique et ses applications
• Jury : Président / Présidente : Marine Minier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Sens, Laurent Mathy, Filip De Turck, Fulvio Risso, Kahina Lazri
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pierre Sens, Laurent Mathy

Mots clés

Mots clés contrôlés

SDN (architecture des réseaux d'ordinateurs)

Systèmes virtuels (informatique)

Commutation de paquets

Données -- Transmission

Informatique dans les nuages

Mots clés libres

Réseau programmable

Informatique des nuages

Traitement des paquets

NFV

SDN

Programmable network

Cloud

Packet processing

NFV

SDN

Résumé

En environnement multi-tenant, les réseaux s'appuient sur un ensemble de ressources matérielles partagées pour permettre à des applications isolés de communiquer avec leurs clients. Cette isolation est garantie par un ensemble de mécanismes à la bordure des réseaux: les mêmes serveurs hébergeant les machines virtuelles doivent notamment déterminer le destinataire approprié pour chaque paquet réseau, copier ces derniers entre zones mémoires isolées et supporter les tunnels permettant l'isolation du trafic lors de son transit sur le coeur de réseau. Ces différentes tâches doivent être accomplies avec aussi peu de ressources matérielles que possible, ces dernières étant tout d'abord destinées aux machines virtuelles. Dans un contexte d'intensification de la demande en haute performance sur les réseaux, les acteurs de l'informatique en nuage ont souvent recours à des équipements matériels spécialisés mais inflexibles, leur permettant d'atteindre les performances requises. Néanmoins, dans cette thèse, nous défendons la possibilité d'améliorer les performances significativement sans avoir recours à de tels équipements. Nous prônons, d'une part, une consolidation des fonctions réseaux au niveau de la couche de virtualisation et, d'autre part, une relocalisation de certaines fonctions réseaux hors des machines virtuelles. À cette fin, nous proposons Oko, un commutateur logiciel extensible qui facilite la consolidation des fonctions réseaux dans la couche de virtualisation. Oko étend les mécanismes de l'état de l'art permettant une mise en cache des règles de commutateurs, ceci afin de permettre une exécution des fonctions réseaux sous forme d'extensions au commutateur. De plus, les extensions sont isolées du coeur du commutateur afin d'empêcher des fautes dans les extensions d'impacter le reste du réseau et de faciliter une mise en place rapide et sûre de nouvelles fonctions réseaux. En permettant aux fonctions réseaux de s'exécuter au sein du commutateur logiciel, sans redirections vers des processus distincts, Oko diminue de moitié le coût lié à l'exécution des fonctions réseaux en moyenne. Notre seconde contribution vise à permettre une exécution de certaines fonctions réseaux en amont des machines virtuelles, au sein de la couche de virtualisation. L'exécution de ces fonctions réseaux hors des machines virtuelles permet d'importants gains de performance, mais lèvent des problématiques d'isolation. Nous réutilisons et améliorons la technique utilisé dans Oko pour isoler les fonctions réseaux et l'étendons avec un mécanisme de partage équitable du temps CPU entre les différentes fonctions réseaux relocalisées.

Multi-tenant networks enable applications from multiple, isolated tenants to communicate over a shared set of underlying hardware resources. The isolation provided by these networks is enforced at the edge: end hosts demultiplex packets to the appropriate virtual machine, copy data across memory isolation boundaries, and encapsulate packets in tunnels to isolate traffic over the datacenter's physical network. Over the last few years, the growing demand for high performance network interfaces has pressured cloud providers to build more efficient multi-tenant networks. While many turn to specialized, hard-to-upgrade hardware devices to achieve high performance, in this thesis, we argue that significant performance improvements are attainable in end-host multi-tenant networks, using commodity hardware. We advocate for a consolidation of network functions on the host and an offload of specific tenant network functions to the host. To that end, we design Oko, an extensible software switch that eases the consolidation of network functions. Oko includes an extended flow caching algorithm to support its runtime extension with limited overhead. Extensions are isolated from the software switch to prevent failures on the path of packets. By avoiding costly redirections to separate processes and virtual machines, Oko halves the running cost of network functions on average. We then design a framework to enable tenants to offload network functions to the host. Executing tenant network functions on the host promises large performance improvements, but raises evident isolation concerns. We extend the technique used in Oko to provide memory isolation and devise a mechanism to fairly share the CPU among offloaded network functions with limited interruptions.