Software-oriented Cloud-native Network Infrastructure towards Terabit-class Communications

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）。

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）。