Platform development for advanced network functions virtualization (NFV) applications using Intel's DPDK

In recent years, driven by the 5G introduction, we have witnessed a significant evolution of the network infrastructure, based on progressive integration of new technological, architectural, and orchestration paradigms. One of the major challenges is to provide distributed computational resources at the edge of the network, deploying an innovative set of applications that require proximity to the client, to guarantee ultra-low latency characteristics, and scalability features. This new approach enables the possibility to overcome the hard-wired nature of the current network elements, offering the desired agility of the overall infrastructure. Network Functions Virtualization emerges as a compelling solution, which is based on deploying network functions as software on commodity hardware, using traditional virtualization techniques. Initially intended for Data Centers, the idea of implementing VNFs inside network elements is even more promising. However, as we move the processing capability closer to the end-user and the edge of the network, we are faced with limited computation resources, compared to the ones available in the conventional Data Centers. In particular, to overcome the bottleneck in the kernel networking stack, we adopt an open-source userspace networking solution, namely Intel's Data Plane Development Kit (DPDK). The DPDK framework, in combination with containers, is a step towards creating high-performance agile networks, while remaining low-cost and low-latency. In this thesis, we attempt to evaluate userspace networking, i.e. DPDK, to accelerate the network's performance of Docker containers. We address multiple container scenarios by using Docker Compose as an orchestration solution. The performance is evaluated using Intel Atom C3958 as a Network Element, and we simulated a real network environment with a hardware-based traffic generator - IXIA.

Guidata dall’introduzione delle reti 5G, si osserva una evoluzione della infrastruttura di rete basata sulla progressiva integrazione di soluzioni innovative in termini tecnologici e architetturali. Una delle sfide più significative è quella di rendere disponibili nella periferia della rete un insieme di risorse computazionali che, grazie alla prossimità con gli utilizzatori finali, possano garantire le caratteristiche di bassissima latenza e di scalabilità del sistema. Network Functions Virtualization emerge come una soluzione avvincente, basandosi sul deployment di funzioni di rete come software su "general purpose" hardware, utilizzando le tecniche di virtualizzazione tradizionali. Inizialmente destinata ai Data Center, l'idea di attuare VNF all'interno degli nodi di rete è ancora più promettente. E’ chiaro che nella periferia della rete le risorse computazionali sono limitate rispetto a quelle disponibili in infrastrutture dedicate, come i data center. Questo fatto richiede uno sforzo di ottimizzazione del software applicativo. In particolare, per superare le limitazioni dello “stack” di rete implementato a livello di “kernel Linux”, è stato adottato uno “stack” implementato a livello di “user-space Linux”, disponibile come open source, denominato Intel's Data Plane Development Kit (DPDK). In combinazione con l’uso dei container il framework DPDK ha permesso di creare un ambiente di sviluppo caratterizzato da elevate prestazioni e flessibilità, pur mantenendo le caratteristiche di basso costo e basso consumo energetico richieste nella periferie della rete. In questa tesi si cerca di valutare le prestazioni ottenibili con l’introduzione della tecnologia DPDK in un contesto di sviluppo basato su “container” (Docker) e gestito da un orchestratore (Docker Compose). Tutte le valutazioni verranno fatte su Intel Atom C3958 come un nodo di rete, simultando un ambiente di rete reale con un generatore di traffico Ethernet basato su hardware - IXIA 400Tf.