A place-as-you-go in-network framework by modular decomposition for flexible embedding to software/hardware co-design

• Ano de defesa: 2022
• Autor(a) principal: Rossi Mafioletti, Diego
• Orientador(a): Martinello, Magnos
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: eng
• Instituição de defesa: Vitória
• Palavras-chave em Português: Redes de computadores; Interconexão em rede (Telecomunicações); Linguagem de programação de domínio específico (Computadores); Sistemas embarcados (Computadores); Sistemas de computação virtual
• Link de acesso: https://repositorio.ifes.edu.br/handle/123456789/2861

RESUMO: A computação em nuvem tornou-se muito popular como plataforma computacional, fazendo parte do cotidiano das pessoas. Para fornecer o poder de supercomputação exigido pela nuvem, a rede deve desempenhar um papel crucial ao conectar centenas de milhares de máquinas nos data centers. No entanto, com o surgimento de um novo conjunto maciço de aplicativos intensivos e nativos da nuvem (por exemplo, 5G, robótica em nuvem, aprendizado profundo, etc.) combinado com a virtualização de funções de rede (NFV), uma pressão significativa foi colocada sobre a capacidade de processamento das CPUs dos servidores, exigindo ainda mais alta performance e transformando a rede em um gargalo. Normalmente, a interface de rede (NIC) é usada para conectar servidores à rede. No entanto, as interface de rede inteligentes (SmartNICs) estão se tornando um método cada vez mais popular de descarregar tarefas intensivas de processamento de pacotes dos servidores, liberando ciclos da CPU e impulsionando o desempenho de aplicativos. O desafio chave para o uso de uma SmartNIC é como fazer uso eficiente desses recursos de computação heterogêneos na rede, pois há uma lacuna significativa entre o aplicativo e os recursos de computação dos dispositivos programáveis. Em primeiro lugar, este dispositivo carece de modelos genéricos de programação ou abstrações, sendo geralmente programado usando primitivas de baixo nível ou APIs proprietárias. Em segundo lugar, o desenvolvedor de rede precisa lidar com a complexidade interna dos recursos de hardware, bem como gerenciar o equilíbrio nas cargas de trabalho de descarregamento, tentando descobrir o balanço entre sobrecargas adicionais e benefícios do descarregamento. É necessário descobrir como co-projetar a lógica do aplicativo entre o hardware de rede programável e os servidores dentro do paradigma de computação de borda. Esta tese apresenta um novo arcabouço para prototipagem e implantação de aplicativos em rede. Ele é estruturado em um conjunto de componentes que dependem de i) decomposição funcional da aplicação; ii) identificação dos blocos lógicos; iii) agregação de funções sobrepostas mescladas e mapeadas em funcionalidades de rede em linguagem P4; iv) interceptar, interagir e encaminhar com estruturas de dados para balancear o descarregamento de fluxos de rede. A fim de demonstrar o princípio de co-design em várias aplicações, funções de rede virtual (VNFs) são criadas, e alguns de seus elementos funcionalmente decompostos são implantados como pequenas funções de rede incorporadas (eNFs) em processadores de rede em diversos casos de uso, revisando os componentes do arcabouço levantados anteriormente: decompondo funções de rede (i, ii, iii) e unificando componentes para se encaixarem em um conjunto de VNFs/eNFs, examinando latência, taxa de transferência e uso de vCPU em relação à sua contraparte implementada em software; interceptando e interagindo com robótica em nuvem (iv), abordando preocupações de segurança ao usar planos de dados programáveis; evoluindo para funções de rede seguras executadas em computação em rede (i, ii, iii, iv), verificando o overhead adicionado por elas; e modificando um mecanismo de escalonador upstream em PON (iv), fornecendo requisitos de baixa latência a aplicativos.