ISBN 978-3-8439-4482-3

978-3-8439-4482-3, Reihe Informatik

Jens Heuschkel
Network Protocol Virtualization - Software-defined End-to-end Networking

204 Seiten, Dissertation Technische Universität Darmstadt (2020), Hardcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Das Internet ist ein wesentlicher Bestandteil unseres täglichen Lebens und unserer heutigen Wirtschaft. Forschungsfelder und Branchentrends wie das Internet der Dinge betonen immer wieder die Bedeutung eines gut funktionierenden weltweiten Netzwerks. Im Internet wurde jedoch nie in voller Konsequenz die Idee der getrennten austauschbaren Schichten des ISO OSI Modells übernommen. Dies führte dazu, dass Netzwerkinnovationen aus der Wissenschaft selten übernommen werden, weshalb das heutige Internet vor allem durch TCP/IP-Verkehr geprägt ist. Dies führen zu einer engen aber unerwünschten Kopplung zwischen den Netzwerkprotokollen, den Anwendungen und den Betriebssystemen.

Obwohl ein wissenschaftlicher Konsens über die Existenz dieses Problems herrscht, sind die Lösungsansätze sehr unterschiedlich. In dieser Arbeit wird das Konzept der Netzwerk-Protokoll-Virtualisierung (NPV) vorgestellt. Es basiert auf dem einzigartigen Ansatz, die Socket API als eine Konstante zu akzeptieren, und damit auf der Annahme, dass die aktuellen Anwendungen nicht geändert werden. In diesen Zusammenhang untersuchen wir die Frage, wie Netzwerk-Protokoll-Stapel optimiert werden können. Daher ist die Zusammenarbeit von Endgeräten und Netzwerkinfrastruktur ein integraler Bestandteil des NPV-Konzepts, was eine umfassende Ende-zu-Ende-Optimierung ermöglicht.

Mit zunehmender Netzwerkgeschwindigkeit nimmt die Verarbeitung der Netzwerkprotokolle einen zunehmenden Anteil der CPU-Ressourcen ein und wird in naher Zukunft an Grenzen stoßen. Um dieses Problem zu lösen, untersuchen wir Ansätze zur Hardwarebeschleunigung der Netzwerkprotokollverarbeitung mit GPUs und FPGAs. Unsere Auswertung zeigt, dass beide Ansätze eine Alternative zur CPU-Verarbeitung sind und somit CPU-Zyklen für die Anwendungsverarbeitung freigeben. Unser FPGA-basierter Ansatz von NPV erreicht dabei im Vergleich zur CPU-basierten Verarbeitung hohe Durchsatzraten bei sehr geringem Energieverbrauch und ist zudem leicht skalierbar.