On Workload-driven Router Designs

Lastzentrische Routerarchitekturen

  • Over the past 15 years, the number of networks connected to the Internet, also called Autonomous Systems (ASes), grew at least by a factor of ten. Accordingly, estimations of the global IP traffic further emphasize this trend with a growth by four orders of magnitude. All this puts persistent pressure toward the core infrastructure of the Internet which is required to keep up with the increasing traffic demand. Consequently, Internet routers need to maintain dynamic forwarding information for a Over the past 15 years, the number of networks connected to the Internet, also called Autonomous Systems (ASes), grew at least by a factor of ten. Accordingly, estimations of the global IP traffic further emphasize this trend with a growth by four orders of magnitude. All this puts persistent pressure toward the core infrastructure of the Internet which is required to keep up with the increasing traffic demand. Consequently, Internet routers need to maintain dynamic forwarding information for a large number of networks in a very fast memory, such that a destination lookup operation can be performed on each incoming packet at speed to comply with the low-latency requirements in Internet Service Provider (ISP) networks. The hardly foreseeable, indispensable capacity of this type of specialized memory and the difficulties involved in handling the churn in its contents are primary obstacles in Internet router scalability, notably their price tag and energy consumption. In this thesis we rely on insights derived from Internet measurements to design a router architecture that relaxes the requirements for fast destination lookup memory. Firstly, a very small fraction of all networks (IP prefixes) capture most of the traffic - an opportunity for traffic offloading. Secondly, the Forwarding Information Base (FIB) can be compressed - an opportunity to reduce FIB memory requirements. Based on these observations we propose a novel IP router design that follows the split architecture paradigm; separating control from data plane functionality. The control plane is a complex, software-centric system that runs routing protocol daemons and acts as the data plane controller. The data plane on the other hand is a specialized, hardware-centric forwarding engine that provides the required primitives for IP routing. A communication channel constitutes a bridge connecting the two entities. Advances in open-source software routers as well as programmable switches enable us to build an IP router prototype that follows our design principles. The emergent developments in the Software Defined Networking (SDN) community and the OpenFlow protocol in particular match the needs of the communication channel and let us demonstrate the feasibility of our design. To complete the study of our prototype, we implement a framework that allows to spot critical performance impairments of OpenFlow-enabled switches. In this dissertation we raise the point that efficient and scalable router designs can be found by leveraging knowledge about router workload properties, i.e., Internet traffic. Accordingly, we conduct an extensive study of Internet traffic as seen by a large European Internet Exchange Point (IXP). The business model of an IXP is to provide a switching fabric that allows a large number of ASes to establish peering relationships and to exchange traffic. Member ASes connect their routers to the IXP's switching fabric and announce IP prefix-based forwarding information to one another. The large number of neighboring routers that a single member router peers with is unique to IXPs. In fact, a large fraction of the AS-to-AS links at our IXP are invisible from the rest of the Internet, which suggests a re-assessment of the mental picture that the research community has about the AS-level structure of the Internet. Finally, we study the recent growth of IPv6 traffic, the latest version of the Internet Protocol. The World IPv6 Day in June 2011 was a milestone in the adoption of IPv6. We perform measurements of IPv6 traffic around the World IPv6 Day and show, that IPv6 traffic has doubled in volume and its application mix is getting similar to that of IPv4, suggesting a push toward mainstream use of IPv6 in the Internet.show moreshow less
  • Die Anzahl der an das Internet angeschlossenen Netzwerke, sogenannte Autonome Systeme (AS), hat sich in den vergangenen 15 Jahren verzehnfacht. Dementsprechend wuchs auch das globale Internet-Datenverkehrsvolumen stark an; Schätzungen zufolge sogar um vier Größenordnungen. Diese Entwicklungen setzen die zu Grunde liegende Infrastruktur des Internets stark unter Druck, da diese mit den ständig wachsenden Anforderungen des auftretenden Datenverkehrs mithalten können muss. Internet-Router verwaltenDie Anzahl der an das Internet angeschlossenen Netzwerke, sogenannte Autonome Systeme (AS), hat sich in den vergangenen 15 Jahren verzehnfacht. Dementsprechend wuchs auch das globale Internet-Datenverkehrsvolumen stark an; Schätzungen zufolge sogar um vier Größenordnungen. Diese Entwicklungen setzen die zu Grunde liegende Infrastruktur des Internets stark unter Druck, da diese mit den ständig wachsenden Anforderungen des auftretenden Datenverkehrs mithalten können muss. Internet-Router verwalten dynamische Pfadinformationen für eine große Menge an Zielnetzwerken in sehr schnellem Speicher, so dass pro eingehendem Datenpaket mit minimaler Verzögerung der zum Ziel führende Pfad ermittelt werden kann. Hierfür werden hochspezialisierte Speichertechnologien eingesetzt. Aufgrund der kaum absehbaren zukünftigen Anforderungen an deren Speicherkapazitäten sowie der Schwierigkeit, die hohen Raten an Pfadänderungen in dem Speicher zeitnah abzubilden, stellt dieser Speicher eine zentrale Hürde im Sinne der Skalierbarkeit, des Preises und des Energieverbrauchs von Internet-Routern dar. Aufbauend auf Erkenntnissen aus Datenverkehrsmessungen entwickelt die vorliegende Dissertation eine Router-Architektur mit deutlich geringeren Anforderungen an die Kapazität des Speichers für Pfadinformationen. Zum einen ist bekannt, dass der größte Anteil des Datenverkehrs nur wenigen Zielnetzwerken zugeordnet ist; eine Gelegenheit für sogenanntes "Traffic-Offloading". Zum anderen lässt sich der Inhalt des Pfadspeichers, die "Forwarding Information Base" (FIB), komprimieren, wodurch sich dessen Speicheranforderungen reduzieren lassen. Auf Basis dieser Beobachtungen wird in dieser Dissertation eine neuartige Router-Architektur vorgestellt, welche dem "Split-Architecture" Konzept entspricht: Sie trennt Daten- und Kontrollfunktionalitäten ("Data Plane" und "Control Plane") voneinander. Dabei stellt die Control Plane ein komplexes, softwarezentrisches System dar, welches Routingprotokolle ausführt und das Verhalten der Data Plane kontrolliert. Die Data Plane hingegen fungiert als eine hochperformante, hardwarezentrische Datenvermittlungseinheit, entsprechend der Anforderungen des IP-Routing. Ein Kommunikationskanal verbindet diese beiden Funktionseinheiten. Durch die technischen Fortschritte in quelloffenen Software-Routern sowie in programmierbaren Switchen wird im Rahmen dieser Dissertation ein Router-Prototyp entsprechend den vorgestellten Designprinzipien entwickelt. Die Entwicklungen im Bereich von Software Defined Networks (SDN), sowie insbesondere dem OpenFlow Protokoll, erfüllen die Anforderungen an den Kommunikationskanal und bieten damit die technische Grundlage des Prototyps. Schließlich wird ein Testsystem entwickelt, welches entscheidende Leistungsaspekte von OpenFlow Switchen herausstellt. Die aus dieser Dissertation gewonnenen Erkenntnisse verdeutlichen, dass unter Berücksichtigung der Arbeitslast effiziente und skalierbare Router-Architekturen entwickelt werden können. Dementsprechend werden umfangreiche Messungen von Internet-Datenverkehr eines europäischen Internet Exchange Point (IXP) durchgeführt. Das Geschäftsmodell eines IXP besteht darin, eine Switch-basierte Netzwerkstruktur bereitzustellen, die es einer großen Anzahl an ASen erlaubt, untereinander Verbindungen für einen direkten Datenaustausch aufzubauen. Entsprechend verbindet ein teilnehmendes AS mindestens einen seiner Router mit der IXP Infrastruktur und tauscht dort mit anderen angeschlossenen ASen Routinginformationen aus. Die große Anzahl an derartigen Verbindungen, die ein Router mit Routern anderer ASe aufbaut, ist eine Besonderheit für IXPs. Dementsprechend lässt diese Dissertation eine Vielzahl an direkten Verbindungen zwischen ASen sichtbar werden, die für den Rest des Internets verdeckt sind. Aufgrund dieser Erkenntnis wird das übliche Verständnis der wissenschaftlichen Gesellschaft über die Internetstruktur auf AS-Ebene in Frage gestellt. Abschliessend untersucht diese Dissertation den jüngsten Anstieg von Datenverkehr über IPv6, der neuen Version des Internet Protokolls. Im Juni 2011 fand mit dem World IPv6 Day ein Meilenstein in der Adaption des IPv6 Protokolls statt. Diese Dissertation führt Messungen im Zeitraum des World IPv6 Day durch und zeigt eine Verdopplung des IPv6-Datenvolumens mit einer IPv4-ähnlichen Zusammensetzung an beitragenden Applikationen, ein Indiz für die nachhaltige Verbreitung von IPv6 im Internet.show moreshow less

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Metadaten
Author: Nadi Sarrar
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-37765
Advisor:Prof. Anja Feldmann
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2012/12/11
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Date of final exam:2012/11/19
Release Date:2012/12/11
Tag:Computernetze; Internet-Datenverkehrsmessungen; Routing; Software Defined Networks; Switching
Computer Networks; Internet Traffic Measurements; Routing; Software Defined Networks; Switching
Institutes:Institut für Telekommunikationssysteme
Dewey Decimal Classification:004 Datenverarbeitung; Informatik
Licence (German):License Logo CC BY-NC-ND: Creative Commons-Lizenz: Namensnennung, nicht kommerziell, keine Bearbeitung