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URN: urn:nbn:de:kobv:83-opus-37765
URL: http://opus.kobv.de/tuberlin/volltexte/2012/3776/
Sarrar, Nadi
called Autonomous Systems (ASes), grew at least by a factor of ten. Accordingly,
estimations of the global IP traffic further emphasize this trend with a growth
by four orders of magnitude. All this puts persistent pressure toward the core
infrastructure of the Internet which is required to keep up with the increasing
traffic demand. Consequently, Internet routers need to maintain dynamic
forwarding information for a large number of networks in a very fast memory,
such that a destination lookup operation can be performed on each incoming
packet at speed to comply with the low-latency requirements in Internet Service
Provider (ISP) networks. The hardly foreseeable, indispensable capacity of this
type of specialized memory and the difficulties involved in handling the churn
in its contents are primary obstacles in Internet router scalability, notably
their price tag and energy consumption.
In this thesis we rely on insights derived from Internet measurements to design
a router architecture that relaxes the requirements for fast destination lookup
memory. Firstly, a very small fraction of all networks (IP prefixes) capture
most of the traffic - an opportunity for traffic offloading. Secondly, the
Forwarding Information Base (FIB) can be compressed - an opportunity to reduce
FIB memory requirements. Based on these observations we propose a novel IP
router design that follows the split architecture paradigm; separating control
from data plane functionality. The control plane is a complex, software-centric
system that runs routing protocol daemons and acts as the data plane controller.
The data plane on the other hand is a specialized, hardware-centric forwarding
engine that provides the required primitives for IP routing. A communication
channel constitutes a bridge connecting the two entities.
Advances in open-source software routers as well as programmable switches enable
us to build an IP router prototype that follows our design principles. The
emergent developments in the Software Defined Networking (SDN) community and the
OpenFlow protocol in particular match the needs of the communication channel and
let us demonstrate the feasibility of our design. To complete the study of our
prototype, we implement a framework that allows to spot critical performance
impairments of OpenFlow-enabled switches.
In this dissertation we raise the point that efficient and scalable router
designs can be found by leveraging knowledge about router workload properties,
i.e., Internet traffic. Accordingly, we conduct an extensive study of Internet
traffic as seen by a large European Internet Exchange Point (IXP). The business
model of an IXP is to provide a switching fabric that allows a large number of
ASes to establish peering relationships and to exchange traffic. Member ASes
connect their routers to the IXP's switching fabric and announce IP prefix-based
forwarding information to one another. The large number of neighboring routers
that a single member router peers with is unique to IXPs. In fact, a large
fraction of the AS-to-AS links at our IXP are invisible from the rest of the
Internet, which suggests a re-assessment of the mental picture that the research
community has about the AS-level structure of the Internet.
Finally, we study the recent growth of IPv6 traffic, the latest version of the
Internet Protocol. The World IPv6 Day in June 2011 was a milestone in the
adoption of IPv6. We perform measurements of IPv6 traffic around the World IPv6
Day and show, that IPv6 traffic has doubled in volume and its application mix is
getting similar to that of IPv4, suggesting a push toward mainstream use of IPv6
in the Internet.
Systeme (AS), hat sich in den vergangenen 15 Jahren verzehnfacht.
Dementsprechend wuchs auch das globale Internet-Datenverkehrsvolumen stark an;
Schätzungen zufolge sogar um vier Größenordnungen. Diese Entwicklungen setzen
die zu Grunde liegende Infrastruktur des Internets stark unter Druck, da diese
mit den ständig wachsenden Anforderungen des auftretenden Datenverkehrs
mithalten können muss. Internet-Router verwalten dynamische Pfadinformationen
für eine große Menge an Zielnetzwerken in sehr schnellem Speicher, so dass pro
eingehendem Datenpaket mit minimaler Verzögerung der zum Ziel führende Pfad
ermittelt werden kann. Hierfür werden hochspezialisierte Speichertechnologien
eingesetzt. Aufgrund der kaum absehbaren zukünftigen Anforderungen an deren
Speicherkapazitäten sowie der Schwierigkeit, die hohen Raten an Pfadänderungen
in dem Speicher zeitnah abzubilden, stellt dieser Speicher eine zentrale Hürde
im Sinne der Skalierbarkeit, des Preises und des Energieverbrauchs von
Internet-Routern dar.
Aufbauend auf Erkenntnissen aus Datenverkehrsmessungen entwickelt die
vorliegende Dissertation eine Router-Architektur mit deutlich geringeren
Anforderungen an die Kapazität des Speichers für Pfadinformationen. Zum einen
ist bekannt, dass der größte Anteil des Datenverkehrs nur wenigen Zielnetzwerken
zugeordnet ist; eine Gelegenheit für sogenanntes "Traffic-Offloading". Zum
anderen lässt sich der Inhalt des Pfadspeichers, die "Forwarding Information
Base" (FIB), komprimieren, wodurch sich dessen Speicheranforderungen reduzieren
lassen. Auf Basis dieser Beobachtungen wird in dieser Dissertation eine
neuartige Router-Architektur vorgestellt, welche dem "Split-Architecture"
Konzept entspricht: Sie trennt Daten- und Kontrollfunktionalitäten ("Data Plane"
und "Control Plane") voneinander. Dabei stellt die Control Plane ein komplexes,
softwarezentrisches System dar, welches Routingprotokolle ausführt und das
Verhalten der Data Plane kontrolliert. Die Data Plane hingegen fungiert als eine
hochperformante, hardwarezentrische Datenvermittlungseinheit, entsprechend der
Anforderungen des IP-Routing. Ein Kommunikationskanal verbindet diese beiden
Funktionseinheiten.
Durch die technischen Fortschritte in quelloffenen Software-Routern sowie in
programmierbaren Switchen wird im Rahmen dieser Dissertation ein Router-Prototyp
entsprechend den vorgestellten Designprinzipien entwickelt. Die Entwicklungen im
Bereich von Software Defined Networks (SDN), sowie insbesondere dem OpenFlow
Protokoll, erfüllen die Anforderungen an den Kommunikationskanal und bieten
damit die technische Grundlage des Prototyps. Schließlich wird ein Testsystem
entwickelt, welches entscheidende Leistungsaspekte von OpenFlow Switchen
herausstellt.
Die aus dieser Dissertation gewonnenen Erkenntnisse verdeutlichen, dass unter
Berücksichtigung der Arbeitslast effiziente und skalierbare Router-Architekturen
entwickelt werden können. Dementsprechend werden umfangreiche Messungen von
Internet-Datenverkehr eines europäischen Internet Exchange Point (IXP)
durchgeführt. Das Geschäftsmodell eines IXP besteht darin, eine Switch-basierte
Netzwerkstruktur bereitzustellen, die es einer großen Anzahl an ASen erlaubt,
untereinander Verbindungen für einen direkten Datenaustausch aufzubauen.
Entsprechend verbindet ein teilnehmendes AS mindestens einen seiner Router mit
der IXP Infrastruktur und tauscht dort mit anderen angeschlossenen ASen
Routinginformationen aus. Die große Anzahl an derartigen Verbindungen, die ein
Router mit Routern anderer ASe aufbaut, ist eine Besonderheit für IXPs.
Dementsprechend lässt diese Dissertation eine Vielzahl an direkten Verbindungen
zwischen ASen sichtbar werden, die für den Rest des Internets verdeckt sind.
Aufgrund dieser Erkenntnis wird das übliche Verständnis der wissenschaftlichen
Gesellschaft über die Internetstruktur auf AS-Ebene in Frage gestellt.
Abschliessend untersucht diese Dissertation den jüngsten Anstieg von
Datenverkehr über IPv6, der neuen Version des Internet Protokolls. Im Juni 2011
fand mit dem World IPv6 Day ein Meilenstein in der Adaption des IPv6 Protokolls
statt. Diese Dissertation führt Messungen im Zeitraum des World IPv6 Day durch
und zeigt eine Verdopplung des IPv6-Datenvolumens mit einer IPv4-ähnlichen
Zusammensetzung an beitragenden Applikationen, ein Indiz für die nachhaltige
Verbreitung von IPv6 im Internet.
URN: urn:nbn:de:kobv:83-opus-37765
URL: http://opus.kobv.de/tuberlin/volltexte/2012/3776/
Sarrar, Nadi
On Workload-driven Router Designs
Lastzentrische Routerarchitekturen
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Kurzfassung in Englisch
Over the past 15 years, the number of networks connected to the Internet, alsocalled Autonomous Systems (ASes), grew at least by a factor of ten. Accordingly,
estimations of the global IP traffic further emphasize this trend with a growth
by four orders of magnitude. All this puts persistent pressure toward the core
infrastructure of the Internet which is required to keep up with the increasing
traffic demand. Consequently, Internet routers need to maintain dynamic
forwarding information for a large number of networks in a very fast memory,
such that a destination lookup operation can be performed on each incoming
packet at speed to comply with the low-latency requirements in Internet Service
Provider (ISP) networks. The hardly foreseeable, indispensable capacity of this
type of specialized memory and the difficulties involved in handling the churn
in its contents are primary obstacles in Internet router scalability, notably
their price tag and energy consumption.
In this thesis we rely on insights derived from Internet measurements to design
a router architecture that relaxes the requirements for fast destination lookup
memory. Firstly, a very small fraction of all networks (IP prefixes) capture
most of the traffic - an opportunity for traffic offloading. Secondly, the
Forwarding Information Base (FIB) can be compressed - an opportunity to reduce
FIB memory requirements. Based on these observations we propose a novel IP
router design that follows the split architecture paradigm; separating control
from data plane functionality. The control plane is a complex, software-centric
system that runs routing protocol daemons and acts as the data plane controller.
The data plane on the other hand is a specialized, hardware-centric forwarding
engine that provides the required primitives for IP routing. A communication
channel constitutes a bridge connecting the two entities.
Advances in open-source software routers as well as programmable switches enable
us to build an IP router prototype that follows our design principles. The
emergent developments in the Software Defined Networking (SDN) community and the
OpenFlow protocol in particular match the needs of the communication channel and
let us demonstrate the feasibility of our design. To complete the study of our
prototype, we implement a framework that allows to spot critical performance
impairments of OpenFlow-enabled switches.
In this dissertation we raise the point that efficient and scalable router
designs can be found by leveraging knowledge about router workload properties,
i.e., Internet traffic. Accordingly, we conduct an extensive study of Internet
traffic as seen by a large European Internet Exchange Point (IXP). The business
model of an IXP is to provide a switching fabric that allows a large number of
ASes to establish peering relationships and to exchange traffic. Member ASes
connect their routers to the IXP's switching fabric and announce IP prefix-based
forwarding information to one another. The large number of neighboring routers
that a single member router peers with is unique to IXPs. In fact, a large
fraction of the AS-to-AS links at our IXP are invisible from the rest of the
Internet, which suggests a re-assessment of the mental picture that the research
community has about the AS-level structure of the Internet.
Finally, we study the recent growth of IPv6 traffic, the latest version of the
Internet Protocol. The World IPv6 Day in June 2011 was a milestone in the
adoption of IPv6. We perform measurements of IPv6 traffic around the World IPv6
Day and show, that IPv6 traffic has doubled in volume and its application mix is
getting similar to that of IPv4, suggesting a push toward mainstream use of IPv6
in the Internet.
Kurzfassung in Deutsch
Die Anzahl der an das Internet angeschlossenen Netzwerke, sogenannte AutonomeSysteme (AS), hat sich in den vergangenen 15 Jahren verzehnfacht.
Dementsprechend wuchs auch das globale Internet-Datenverkehrsvolumen stark an;
Schätzungen zufolge sogar um vier Größenordnungen. Diese Entwicklungen setzen
die zu Grunde liegende Infrastruktur des Internets stark unter Druck, da diese
mit den ständig wachsenden Anforderungen des auftretenden Datenverkehrs
mithalten können muss. Internet-Router verwalten dynamische Pfadinformationen
für eine große Menge an Zielnetzwerken in sehr schnellem Speicher, so dass pro
eingehendem Datenpaket mit minimaler Verzögerung der zum Ziel führende Pfad
ermittelt werden kann. Hierfür werden hochspezialisierte Speichertechnologien
eingesetzt. Aufgrund der kaum absehbaren zukünftigen Anforderungen an deren
Speicherkapazitäten sowie der Schwierigkeit, die hohen Raten an Pfadänderungen
in dem Speicher zeitnah abzubilden, stellt dieser Speicher eine zentrale Hürde
im Sinne der Skalierbarkeit, des Preises und des Energieverbrauchs von
Internet-Routern dar.
Aufbauend auf Erkenntnissen aus Datenverkehrsmessungen entwickelt die
vorliegende Dissertation eine Router-Architektur mit deutlich geringeren
Anforderungen an die Kapazität des Speichers für Pfadinformationen. Zum einen
ist bekannt, dass der größte Anteil des Datenverkehrs nur wenigen Zielnetzwerken
zugeordnet ist; eine Gelegenheit für sogenanntes "Traffic-Offloading". Zum
anderen lässt sich der Inhalt des Pfadspeichers, die "Forwarding Information
Base" (FIB), komprimieren, wodurch sich dessen Speicheranforderungen reduzieren
lassen. Auf Basis dieser Beobachtungen wird in dieser Dissertation eine
neuartige Router-Architektur vorgestellt, welche dem "Split-Architecture"
Konzept entspricht: Sie trennt Daten- und Kontrollfunktionalitäten ("Data Plane"
und "Control Plane") voneinander. Dabei stellt die Control Plane ein komplexes,
softwarezentrisches System dar, welches Routingprotokolle ausführt und das
Verhalten der Data Plane kontrolliert. Die Data Plane hingegen fungiert als eine
hochperformante, hardwarezentrische Datenvermittlungseinheit, entsprechend der
Anforderungen des IP-Routing. Ein Kommunikationskanal verbindet diese beiden
Funktionseinheiten.
Durch die technischen Fortschritte in quelloffenen Software-Routern sowie in
programmierbaren Switchen wird im Rahmen dieser Dissertation ein Router-Prototyp
entsprechend den vorgestellten Designprinzipien entwickelt. Die Entwicklungen im
Bereich von Software Defined Networks (SDN), sowie insbesondere dem OpenFlow
Protokoll, erfüllen die Anforderungen an den Kommunikationskanal und bieten
damit die technische Grundlage des Prototyps. Schließlich wird ein Testsystem
entwickelt, welches entscheidende Leistungsaspekte von OpenFlow Switchen
herausstellt.
Die aus dieser Dissertation gewonnenen Erkenntnisse verdeutlichen, dass unter
Berücksichtigung der Arbeitslast effiziente und skalierbare Router-Architekturen
entwickelt werden können. Dementsprechend werden umfangreiche Messungen von
Internet-Datenverkehr eines europäischen Internet Exchange Point (IXP)
durchgeführt. Das Geschäftsmodell eines IXP besteht darin, eine Switch-basierte
Netzwerkstruktur bereitzustellen, die es einer großen Anzahl an ASen erlaubt,
untereinander Verbindungen für einen direkten Datenaustausch aufzubauen.
Entsprechend verbindet ein teilnehmendes AS mindestens einen seiner Router mit
der IXP Infrastruktur und tauscht dort mit anderen angeschlossenen ASen
Routinginformationen aus. Die große Anzahl an derartigen Verbindungen, die ein
Router mit Routern anderer ASe aufbaut, ist eine Besonderheit für IXPs.
Dementsprechend lässt diese Dissertation eine Vielzahl an direkten Verbindungen
zwischen ASen sichtbar werden, die für den Rest des Internets verdeckt sind.
Aufgrund dieser Erkenntnis wird das übliche Verständnis der wissenschaftlichen
Gesellschaft über die Internetstruktur auf AS-Ebene in Frage gestellt.
Abschliessend untersucht diese Dissertation den jüngsten Anstieg von
Datenverkehr über IPv6, der neuen Version des Internet Protokolls. Im Juni 2011
fand mit dem World IPv6 Day ein Meilenstein in der Adaption des IPv6 Protokolls
statt. Diese Dissertation führt Messungen im Zeitraum des World IPv6 Day durch
und zeigt eine Verdopplung des IPv6-Datenvolumens mit einer IPv4-ähnlichen
Zusammensetzung an beitragenden Applikationen, ein Indiz für die nachhaltige
Verbreitung von IPv6 im Internet.
| Freie Schlagwörter (deutsch): | Computernetze , Routing , Switching , Software Defined Networks , Internet-Datenverkehrsmessungen | |
| Freie Schlagwörter (englisch): | Computer Networks , Routing , Switching , Software Defined Networks , Internet Traffic Measurements | |
| Institut: | Institut für Telekommunikationssysteme | |
| Fakultät: | Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik | |
| DDC-Sachgruppe: | Informatik | |
| Dokumentart: | Dissertation | |
| Hauptberichter: | Feldmann, Anja (Prof.) | |
| Sprache: | Englisch | |
| Tag der mündlichen Prüfung: | 19.11.2012 | |
| Erstellungsjahr: | 2012 | |
| Publikationsdatum: | 11.12.2012 | |
| Lizenz: | Standardlizenz eingeschränkt: Typ CC by-nc-nd - Namensnennung erforderlich | Kommerziell nein | Weiterbearbeitung nein | PoD ja |
