Programmable virtual switches : design and implementation of the forwarding engine and supporting features

Abstract

Virtualization has become the powerhouse for several networking concepts, from virtual local area networks (VLANs) to software switches, software-defined control plane, etc. Recent proposals like HyPer4, HyperVDP, and P4Visor brought the concept to the forwarding plane, by enabling emulation of several network contexts and/or composing several functions through a single program. In spite of the progress achieved, the real potential of forwarding plane virtualization remains untapped. In this work, we present PvS, a reconfigurable architecture for data plane virtualization. PvS provides parallel execution and hot-swapping of virtual switch instances, without requiring switch source code (for either emulation or program composition). We experimented PvS on a NetFPGA-SUME board with four virtual switches: a layer-2 switch, a simple router, a firewall, and an inband telemetry. Area occupation measurements evidence the feasibility of running up to eight virtual switches in parallel. Compared to existing work, performance data show an improvement of up to two orders of magnitude for bandwidth and six orders for latency.

A virtualização se tornou a potência de vários conceitos de rede, de redes locais virtuais (VLANs) a switches definidos por software, plano de controle definido por software, etc. Propostas recentes como HyPer4, HyperVDP e P4Visor levaram o conceito ao plano de encaminhamento, permitindo emulação de vários contextos de rede e/ou compondo várias funções através de um único programa. Apesar do progresso alcançado, o verdadeiro potencial da virtualização do plano de encaminhamento permanece inexplorado. Neste trabalho, apresentamos PvS, uma arquitetura reconfigurável para virtualização do plano de dados. PvS fornece execução paralela e hot swap de instâncias de switches virtuais, sem a necessidade de código-fonte do switch (para emulação ou composição de programa). Experimentou-se PvS em uma placa NetFPGA-SUME com quatro switches virtuais: um switch de camada 2, um roteador simples, um firewall e um switch de telemetria de rede(in-band telemetry). As medições de ocupação da área evidenciam a viabilidade de executar até treze switches virtuais em paralelo. Comparado aos trabalhos existentes, os dados de desempenho mostram uma melhoria de até duas ordens de magnitude para largura de banda e seis ordens para latência.