2022 Fiscal Year Annual Research Report
Software-oriented Cloud-native Network Infrastructure towards Terabit-class Communications
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22H03581
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
川島 龍太 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (00710328)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | ネットワーク機能仮想化 / クラウドネイティブ / パケット処理性能 / CPUキャッシュ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本課題では、高度な仮想化技術を組み込んだ大規模ネットワーク基盤システムを対象に、仮想化に伴う性能オーバヘッドの解消に取り組む。そして、仮想化の利点を存分に享受しつつ、従来のハードウェア機器中心のネットワークと同等の性能を実現する。2022年度は、仮想化（コンテナ化）されたネットワーク機能であるCNF (Cloud Native Network Function)における性能劣化問題について取り組んだ。
ルータやファイアウォールなどの各種ネットワーク機能をコンテナ形式で実現すると、Kubernetesをはじめとする様々なクラウドエコシステムの利用が可能になるため、ネットワークシステムの高度化および運用効率化が期待できる。しかし、コンテナ化に伴う通信オーバヘッド（ホスト―コンテナ間のプロセス間通信、仮想ネットワークI/O）が大きく、従来では20 Mpps程度で頭打ちになっていた。従来の研究では、プロセス間通信に伴うパケットコピーの排除（ゼロコピー）に焦点を当てていたが、数十%程度の性能向上しか実現できていなかった。本研究では、ホスト―コンテナ間通信におけるCPUキャッシュの利用効率という新たな観点で性能向上を目指す。2022年度は、現行の仮想ネットワークI/O設計・実装・設定に対して140ものバリエーションを用意し、キャッシュの利用効率に関する網羅的な評価を実施した。その結果、現行の仮想ネットワークI/Oにおける性能ボトルネックが明らかになり、さらに「最適な」設計・実装・設定にした際の性能限界が100 Mppsを優に超えると判明した（現行性能の5倍以上）。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
仮想ネットワークI/Oにおける性能劣化問題の解決は、本申請課題における中核であるが、初年度（2022年度）において早くも（想定外にも）、当初に想定していた性能（現行性能の２倍程度の40 Mpps）を大幅に上回る100 Mpps超の性能が達成しうる点が明らかになった。
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| Strategy for Future Research Activity |
仮想ネットワークI/Oにおける性能劣化問題について、CPUキャッシュの利用効率に焦点を当てた網羅的な評価・解析により、100 Mpps超（現行性能の5倍以上）の性能を達成するための設計・実装・設定が明らかになった。ただし、2022年度の研究で明らかにした（理想的な）設計・実装・設定は、ネットワーク機能の実運用に適さない内容も含まれており、改善の必要がある。そこで、2023年度は、2022年度に得られた成果をベースとし、運用性の観点から（性能と運用性を両立できる）仮想ネットワークI/Oの設計・実装・設定を導きだす。
仮想ネットワークI/Oの性能劣化問題が解決されると、今度は物理NICにおけるDMA転送（データパス／受信キュー単位）が新たな性能ボトルネックになる点が既に判明しているため、DMA転送の性能向上にも取り組む予定である。具体的には、汎用サーバ内における個々のデータパスに対して、DMA転送を並列化する（1対Nの並列化）。
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| Remarks |
2022年度 情報通信マネジメント研究賞受賞（電子情報通信学会情報通信マネジメント研究会）
https://www.ieice.org/~icm/jpn/award/sub/awardees.html
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Research Products
(4 results)
