発表者紹介名前谷所基行 ( たにしょもとゆき ) 自画像画数 8[ 画 ] 描画時間 5[s] 仕事スイッチ装置アーキテクチャ検討 ASSP ドライバー開発 NPU マイクロコード開発測定器ファームウェア開発 (SDT) その他ときどきハッカソンに参加 1

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けんじあざみ
5 years ago
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1 P4/Cを用いた SmartNICファームウェア開発の取り組み富士通アドバンストテクノロジ株式会社システム技術統括部谷所基行 0

2 発表者紹介名前谷所基行 ( たにしょもとゆき ) 自画像画数 8[ 画 ] 描画時間 5[s] 仕事スイッチ装置アーキテクチャ検討 ASSP ドライバー開発 NPU マイクロコード開発測定器ファームウェア開発 (SDT) その他ときどきハッカソンに参加 1

3 アジェンダ取組み背景 P4の紹介 SmartNICによるPoC 検証まとめ 2

4 スイッチデバイスの位置づけ性能 ASSP ASSP... Application Specific Standard Product NPU... Network Processing Unit FPGA... Field-Programmable Gate Array デバイス変更プログラム変更プログラマブルスイッチデバイス (NPU, FPGA) プロトコルの新しいプロト即時対応例 )VxLAN, INT, PTP CPU 処理のアクセラレーション NIC SmartNIC CPU 3 汎用性

5 装置構成と機能分担スイッチ装置概念図 CPU (x86, ARM, PowerPC, Z80,...) コントロールプレーン Table Management OAM Processing... Packet Buffering Lookup Counter, Meter, etc. DRAM TCAM SRAM PCIe プログラマブルスイッチデバイス (NPU, FPGA) データプレーン L2/L3 Switching, Routing,... ACL Traffic Management... Packet In Packet Out どうやって作る? 4

専用コンパイラネットリスト合成配置配線各々の開発環境の知識 CPU NPU FPGA

6 従来の開発手法低水準言語による開発パケット処理の仕様書ハードウェアに近いコーディング独自アセンブラ /C HW 記述言語 C/C++ マイクロコード RTL 各々の言語知識ソフトウェア GCC/LLVM ファームウェア専用コンパイラネットリスト合成配置配線各々の開発環境の知識 CPU NPU FPGA 各々のアーキテクチャの理解 1. スイッチデバイスのほぼ全般の知識が必要熟練度に依存する 2. 設計資産が他のスイッチデバイスへ流用できない 5

7 あるべき開発手法高位言語 Compile(Front-end) 高位言語の知識 ( 仕様書にしても良い ) 中間層 ( デバイスに対し抽象化 ) Compile(Back-end) C/C++ マイクロコード RTL 各々の言語知識ソフトウェア GCC/LLVM ファームウェア専用コンパイラネットリスト合成配置配線不要各々の開発環境の知識 CPU NPU FPGA 各々のアーキテクチャの理解 1. 必要なスキルセットが少なく済む熟練度に依存しない 2. 設計資産が他のスイッチデバイスへ流用できる 6

P4 の特徴標準化団体 :P4.org(https://p4.org/)50 社以上デバイスベンダーや装置ベンダー DC 事業者などドメイン特化型高位言語 : データプレーンを記述プロトコル非依存デバイス非依存 P4 14 P4 16 ( より柔軟なフォワーディングモデルに仕様変更 ) Workshop: 開催頻度年 1,2 回 (https://p4.

8 P4 の特徴標準化団体 :P4.org( 社以上デバイスベンダーや装置ベンダー DC 事業者などドメイン特化型高位言語 : データプレーンを記述プロトコル非依存デバイス非依存 P4 14 P4 16 ( より柔軟なフォワーディングモデルに仕様変更 ) Workshop: 開催頻度年 1,2 回 ( P4 をハードウェアに実装できる事例が増えてきている Netronome, Barefoot, Netcope,... コミュニティ :Open-NFP ( データプレーン開発のためのコミュニティ (P4 や ebpf OvS など ) プロジェクト数 :50 超 (Firewall, INT, DDoS Detection など ) 7

P4 のデータプレーンモデル 1. Parser ( ヘッダー解析 ) 識別したいプロトコルを事前に定義 ( 独自プロトコルも可 ) 2. Match ( テーブル参照 ) Ingress Port, DA/SA, DIP/SIP,... exact/ternary/lpm/... 3.

9 P4 のデータプレーンモデル 1. Parser ( ヘッダー解析 ) 識別したいプロトコルを事前に定義 ( 独自プロトコルも可 ) 2. Match ( テーブル参照 ) Ingress Port, DA/SA, DIP/SIP,... exact/ternary/lpm/ Action ( 参照結果に従い処理を実行 ) 宛先 (Port/Queue) 決定パケット編集 ( フィールド書換えヘッダー追加 / 削除 ) 廃棄カウンターなど Control データプレーン Parser Match Action Extern プロトコル処理以外は外部オブジェクト ( 例 ) チェックサム Metering 8

10 ( 記述 1)Header definition header.p4 header_type eth_hdr { fields { dst : 48; src : 48; e_type : 16; header_type ipv4_hdr { fields { version : 4; ihl : 4; diffserv : 8; len : 16; id : 16; flags : 3; offset : 13; ttl : 8; protocol : 8; checksum : 16; sip : 32; dip : 32; 識別したいヘッダーを定義独自ヘッダー定義も OK dst e_type dst src sip src ver ihl tos len id flags offset ttl protocol checksum dip 9

11 ( 記述 2)Parser parser.p4 #include header.p4 header eth_hdr eth; header ip4_hdr ipv4; parser start { return parse_eth; parser parse_eth { extract(eth); return select(eth.etype) { 0x800: parse_ipv4; default: ingress; parser parse_ipv4 { extract(ipv4); return ingress; parser start extract(eth); eth_hdr(14b) select(eth.etype) eth_hdr 0x800 extract(ipv4); eth_hdr return ingress; ipv4(20b) 10

12 ( 記述 3)Control(Match Action) #include parser.p4 control.p4 action do_drop() { ip_drop(); drop(); action route_ipv4(src, port) { modify_field(eth.src, src); modify_field(standard_metadata.egress_port, port); table routing { reads { ipv4.dip : lpm; actions { do_drop; route_ipv4; size : 1024; eth(14b) control ingress reads ipv4.dip : lpm; ipv4(20b) action ip_drop(); do_drop(); DIP miss / hit action route_ipv4(); control ingress { apply(routing); 11

13 ( 設定 )Table configuration table Match (ipv4.dip) Action action src port routing route_ipv4 00:11:aa:00:00: route_ipv4 00:22:bb:00:00: route_ipv4 00:33:cc:00:00: *.*.*.* do_drop (default) - - P4 として明確なフォーマットは規定されていないテーブル設定 API はスイッチベンダーが提供 12

14 SmartNIC による PoC 検証性能検証従来の開発手法との違いコード量工数 13

15 SmartNIC によるアクセラレーションサーバー負荷要因をオフロード CPU CPU アプリケーションアプリケーションパケット処理 NIC SmartNIC パケット処理プログラマブルではない ( 機能追加できない ) プログラマブルオフロード可能 OVS Load Balance SDT IPsec... 14

16 性能検証 (1) ホストに全部転送パケット処理をすべてCPUにやってもらうことを想定どれだけホストに転送できるかチェック CPU SmartNIC 15

$に高負荷をかけたいため MAC Eth IPv4 UDP TEST header_type test_t { fields { test_0 : 16; test_1 : 16; test_2 : 16; test_3 : 16; CPU$

17 性能検証 (2) レイヤー 4 まで識別オリジナルのテストヘッダーを定義 UDP Port = ならテストプロトコルフィールドが Match すればホスト転送自分宛のパケットでなければ折り返す SmartNIC に高負荷をかけたいため MAC Eth IPv4 UDP TEST header_type test_t { fields { test_0 : 16; test_1 : 16; test_2 : 16; test_3 : 16; CPU SmartNIC 16

18 性能検証結果 (1) SDT Firmware 20GE P4 Firmware [SDT] Netronome Agilio-CX 2x10GE [DUT] Netronome Agilio-CX 1x40GE Case Input rate Output rate ホスト転送 29,762[Kpps] -[Kpps] - 17

19 性能検証結果 (2) SDT Firmware 20GE P4 Firmware [SDT] Netronome Agilio-CX 2x10GE [DUT] Netronome Agilio-CX 1x40GE Case Input rate Output rate ホスト転送ワイヤー転送 29,762[Kpps] -[Kpps] -[Kpps] 18

0 1/3 * ファームウェアのみ ( 制御プログラム含まず ) ** 全作業のうち P4 関連工数を算出.

20 コード量と工数比率 P4 (PoC 実績 ) マイクロコード ( 過去の実績 ) 効果開発コード量 [step] * 250 1,000 1/4 開発工数比率 ** マイクロコード装置仕様検討基本設計 /3 * ファームウェアのみ ( 制御プログラム含まず ) ** 全作業のうち P4 関連工数を算出. マイクロコードは過去の開発実績から PoC 相当の検討分を抽出詳細設計コーディング単体試験結合試験 P4 装置仕様検討基本設計結合試験 1. 最適化ほぼ不要 2. テーブル設定 API 作成不要 ( 制御プログラム作成工数削減 ) 3. 自動テーブルアサイン ( メモリ割当て検討不要 ) 19

21 PoC 検証でわかったこと P4 でできることデータプレーンのプロトコル処理コントロールプレーン用 API( 策定中 ) マルチキャストブロードキャスト実際は外部オブジェクトによって実行される P4 でできないこと QoS 関連スイッチデバイスによって機能的な違いが多いパケット分割結合処理バックグラウンド用パイプラインパケット生成機能テーブル割り当て最適化 20

22 P4/C を用いた SmartNIC ファームウェア開発 P4 C : プロトコル処理 :P4 未対応機能 P4 C P4 Netronome の開発環境であれば C-Sandbox として未対応機能が実現可能 21

23 まとめ P4/C を使った開発手法いくつか制約はあるがデータプレーンの開発効率は高いと言える P4 の柔軟性を最大限活用し新たな市場ニーズに対応 22

Software-Defined Tester(SDT) を用いた高精度遅延測定による SDN/NFV 品質向上富士通アドバンストテクノロジ株式会社システム技術統括部大久保克彦 0 Copyright 2017 FUJITSU AD

Software-Defined Tester(SDT) を用いた高精度遅延測定による SDN/NFV 品質向上富士通アドバンストテクノロジ株式会社システム技術統括部大久保克彦 fatec-ood-2017@dl.jp.fujitsu.com 0 背景リアルタイム性が必要な分野への適用 5G( 低遅延 ) による新たなサービス展開ゲーム VoIP 動画医療金融車載遅延がサービス品質に直結 End-to-End