Academic literature on the topic 'Programmable network switch'

Networking virtualization has shown to enable faster service provioning and server as a main driver of innovation, from Software-Defined Networking (SDN) to Network Function Virtualization (NFV) and Local Area Networks (VLAN). Recent investigations began assessing the feasibility of virtualization in Programmable Data Planes (PDP). Despite the progress achieved, much work remains to assess their effectiveness for programmable virtual switches. In a prior work, we introduced P4VBox, an architecture for virtualization of programmable switches written using the P4 language. P4VBox provides the execution of multiple P4 based switch instances running in parallel, with the ability of hot-swapping through full and partial reconfiguration. In this work, we build upon P4VBox to provide novel insights, substantiated by experimental evaluation on a real-world testbed, on the evaluation of the real power of switch virtualization in a NetFPGASUME board, deploying three use cases. We measured resource utilization and performance to observe the behavior of P4VBox when handling large flows. Our results demonstrate that P4VBox incurs a small overhead compared with the canonical NetFPGA reference design. Yet, it increases orders of magnitude considering the existing works.

Today’s cloud-based online services are underpinned by distributed key-value stores (KVSs). Keys and values are distributed across back-end servers in such scale-out systems. One primary real-life performance bottleneck occurs when storage servers suffer from load imbalance under skewed workloads. In this paper, we present KVSwitch, a centralized self-managing load balancer that leverages the power and flexibility of emerging programmable switches. The balance is achieved by dynamically predicting the hot items and by creating replication strategies according to KVS loading. To overcome the challenges in realizing KVSwitch given the limitations of the switch hardware, we decompose KVSwitch’s functions and carefully design them for the heterogeneous processors inside the switch. We prototype KVSwitch in a Tofino switch. Experimental results show that our solution can effectively keep the KVS servers balanced even under highly skewed workloads. Furthermore, KVSwitch only replicates 70 % of hot items and consumes 9.88 % of server memory rather than simply replicating all hot items to each server.

The current Internet infrastructure is not able to support independent evolution and innovation at physical and network layer functionalities, protocols and services, while at same time supporting the increasing bandwidth demands of evolving and heterogeneous applications. This paper addresses this problem by proposing a completely democratized optical network infrastructure. It introduces the novel concepts of the optical white box and bare metal optical switch as key technology enablers for democratizing optical networks. These are programmable optical switches whose hardware is loosely connected internally and is completely separated from their control software. To alleviate their complexity, a multi-dimensional abstraction mechanism using software-defined network technology is proposed. It creates a universal model of the proposed switches without exposing their technological details. It also enables a conventional network programmer to develop network applications for control of the optical network without specific technical knowledge of the physical layer. Furthermore, a novel optical network virtualization mechanism is proposed, enabling the composition and operation of multiple coexisting and application-specific virtual optical networks sharing the same physical infrastructure. Finally, the optical white box and the abstraction mechanism are experimentally evaluated, while the virtualization mechanism is evaluated with simulation.

Binary tree topology generally fails to attract network on chip (NoC) implementations due to its low bisection bandwidth. Fat trees are proposed to alleviate this issue by using increasingly thicker links to connect switches towards the root node. This scheme is very efficient in interconnected networks such as computer networks, which use generic switches for interconnection. In an NoC context, especially for field programmable gate arrays (FPGAs), fat trees require more complex switches as we move higher in the hierarchy. This restricts the maximum clock frequency at which the network operates and offsets the higher bandwidth achieved through using fatter links. In this paper, we discuss the implementation of a binary tree-based NoC, which achieves better bandwidth by varying the clock frequency between the switches as we move higher in the hierarchy. This scheme enables using simpler switch architecture, thus supporting higher maximum frequency of operation. The effect on bandwidth and resource requirement of this architecture is compared with other FPGA-based NoCs for different network sizes and traffic patterns.

Software-Defined Networking (SDN) promises the vision of more flexible and manageable networks but requires certain level of programmability in the data plane to accommodate different forwarding abstractions. SDN software switches running on commodity multicore platforms are programmable and are with low deployment cost. However, the performance of SDN software switches is not satisfactory due to the complex forwarding operations on packets. Moreover, this may hinder the performance of real-time security on software switch. In this paper, we analyze the forwarding procedure and identify the performance bottleneck of SDN software switches. An FPGA-based mechanism for accelerating and securing SDN switches, named FAS (FPGA-Accelerated SDN software switch), is proposed to take advantage of the reconfigurability and high-performance advantages of FPGA. FAS improves the performance as well as the capacity against malicious traffic attacks of SDN software switches by offloading some functional modules. We validate FAS on an FPGA-based network processing platform. Experiment results demonstrate that the forwarding rate of FAS can be 44% higher than the original SDN software switch. In addition, FAS provides new opportunity to enhance the security of SDN software switches by allowing the deployment of bump-in-the-wire security modules (such as packet detectors and filters) in FPGA.

For high performance of Network on Chip (NoC), Code Division Multiple Access (CDMA) technique is used recently due to its fixed communication delay, reduced area utilisation and low power consumption. The CDMA system uses Walsh based spreading code which improves the bandwidth efficiency. On the contrary, it is not effective when the number of nodes present in the system increases. Overloaded CDMA (OCDMA) is presented for such large network systems. In this paper, OCDMA crossbar is modified and advanced with parallel encoding and decoding operation using orthogonal gold codes for improving the speed of crossbar thereby obtaining high performance in NoC switch. A modified crossbar consisting of extra processing elements is used to enhance the performance of NoC based System on Chip (SoC) system. This work is simulated on Xilinx tool and implemented in Vertex-6 (XC6VLX760) Field Programmable Gate Array (FPGA) device. The proposed work is implemented for four ports, eight ports and sixteen ports with deterministic X-Y routing algorithm in 3 3 NoC design with mesh topology. This NoC switch shows 9.79% improvement in delay and shows 20.76% improvement in power consumption when compared to the existing CDMA NoCs for 8 bit data packet.

Fog computing, which places computing resources close to IoT devices, can offer low latency data processing for IoT applications. With software-defined networking (SDN), fog computing can enable network control logics to become programmable and run on a decoupled control plane, rather than on a physical switch. Therefore, network switches are controlled via the control plane. However, existing control planes have limitations in providing isolation and high performance, which are crucial to support multi-tenancy and scalability in fog computing. In this paper, we present optimization techniques for Linux to provide isolation and high performance for the control plane of SDN. The new techniques are (1) separate execution environment (SE2), which separates the execution environments between multiple control planes, and (2) separate packet processing (SP2), which reduces the complexity of the existing network stack in Linux. We evaluate the proposed techniques on commodity hardware and show that the maximum performance of a control plane increases by four times compared to the native Linux while providing strong isolation.

Network algorithms are building blocks of network applications. They are inspired by emerging commodity programmable switches and the Programming Protocol-Independent Packet Processors (P4) language. P4 aims to provide target-independent programming neglecting the architecture of underlying infrastructure. However, commodity programmable switches have tight programming restrictions due to limited resources and latency. In addition, manufacturers tailor P4 according to their architecture, putting more restrictions on it. These intrinsic and extrinsic restrictions dilute the goal of P4. This paper proposes P4 high-level programming (P4HLP) framework, a suite of toolchains that simplifies P4 programming. The paper highlights three aspects: (i) E-Domino, a high-level programming language that defines both stateless and stateful processing of data plane in C-style codes; (ii) P4HLPc, a compiler that automatically generates P4 programs from E-Domino programs, which removes the barrier between high-level programming and low-level P4 primitives; (iii) modular programming that organizes programs into reusable modules, to enable fast reconfiguration of commodity switches. Results show that P4HLPc is efficient and robust, thus is suitable for data plane high-level programming. Compared with P4, E-Domino saves at least 5.5× codes to express the data plane algorithm. P4HLPc is robust to policy change and topology change. The generated P4 programs achieve line-rate processing.

Because wireless sensor networks (WSNs) are complex and difficult to deploy and manage, appropriate structures are required to make these networks more flexible. In this paper, a reconfigurable testbed is presented, which supports dynamic protocol switching by creating a novel architecture and experiments with several different protocols. The separation of the control and data planes in this testbed means that routing configuration and data transmission are independent. A programmable flow table provides the testbed with the ability to switch protocols dynamically. We experiment on various aspects of the testbed to analyze its functionality and performance. The results demonstrate that sensors in the testbed are easy to manage and can support multiple protocols. We then raise some important issues that should be investigated in future work concerning the testbed.

The domain specific language P4 is a novel initiative which extends the Software-Defined Networking (SDN) paradigm by allowing for data plane programmability. Network virtualisation is a class of network technologies which can be used to abstract the addressing in a network, allowing multiple tenants to utilise the network resources while being agnostic to the underlying network and the other tenants. In other words, twins of tenants using the same addresses can co-exist on the same underlying network. If a twin is a distributed network, it may even be spread out across multiple sites which are connected to a common backbone. In this study, network virtualisation using P4 is evaluated with emphasis on scalability in terms of number of twins and sites. A set of potential network virtualisation technologies are identified and categorised. Based on this categorisation, two variations of network virtualisation are implemented on the P4 capable software switch BMv2 and the performance of both variations are evaluated against the non-P4 solution Linux bridge. Linux bridge was found to yield 451 times more useful bandwidth than the best performing P4 implementation on BMv2, while also learning MAC addresses faster and generating less traffic on the backbone. It is concluded that the performance of network virtualisation implemented and running on BMv2 is worse compared to the non-P4 solution Linux bridge.

Tese de mestrado, Engenharia Informática (Arquitectura, Sistemas e Redes de Computadores), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2017
Atualmente, as redes de computadores seguem um paradigma tradicional de store-andforward, ou seja, os dispositivos de rede fazem armazenamento, encaminhamento e/ou replicação de pacotes recebidos, sem os modificar. No virar do milénio, surgiu um artigo seminal [24], no qual foi demonstrado teoricamente que a combinação da informação proveniente de diversos pacotes, permite aumentar a capacidade de uma rede relativamente à capacidade máxima, alcançada por simples encaminhamento. Este resultado representou o nascimento de uma área promissora de investigação, conhecida como Codificação na Rede (Network Coding). A ideia é permitir que os nós intermédios da rede, possam aplicar uma função de codificação sobre o conteúdo dos pacotes antes do seu encaminhamento, proporcionando assim um novo paradigma de store-code-forward. A família de técnicas tradicionais pode ser divida em duas categorias, com propósitos distintos. Codificação na Origem (Source Coding) com o objetivo de comprimir a informação enviada, e Codificação no Canal (Channel Coding) para compensar perdas e alteração de informação em canais ruidosos. Com codificação na rede, surge oportunidade para a definição de técnicas mais elaboradas e que visam outros propósitos. Deste modo, as técnicas de codificação tradicionais podem ser extendidas para além da codificação de pacotes em nós de origem, e da descodificação em nós de destino. De um ponto de vista geral, a codificação na rede tem potencial para melhorar a taxa de transferência de informação na rede; aumentar a resiliência contra perda de pacotes, interrupção de canais e nós da rede; e aumentar a segurança contra ataques maliciosos que visam a captura, interpretação e modificação de pacotes. Como técnica, a codificação na rede pode ser aplicada de dois modos distintos. Por um lado, sobre pacotes provenientes de um único fluxo de comunicação (intraflow network coding) e por outro, sobre múltiplos fluxos sem qualquer relação entre si (interflow network coding). A título de exemplo, se considerarmos dois fluxos que chegam a um switch por dois canais distintos, mas que contestam o mesmo canal de saída, temos um gargalo na rede. Usando codificação na rede, o switch pode aplicar, bit a bit, o Ou-Exclusivo (XOR) sobre dois pacotes (um de cada fluxo) e encaminhar o resultado. A taxa de transferência é melhorada, pois o switch necessita apenas de encaminhar um pacote codificado em vez de dois originais. É de salientar que, de forma a descodificar o pacote, o nó de destino tem de ter um dos pacotes originais usados na codificação. Portanto, as vantagens da codificação na rede estão dependentes da topologia da rede, da própria função de codificação utilizada, e do modo como é aplicada. Numa rede, um nó intermédio terá à partida acesso a vários pacotes. De forma a tirar máximo partido da técnica de codificação na rede, as funções de codificação utilizadas acabam por consistir num código linear (Linear Network Coding). A ideia é considerar todos os pacotes de uma mensagem a enviar (por exemplo, um ficheiro de texto, um vídeo, ou até um simples pedido HTTP) como um vetor de elementos de um dado campo finito. O tamanho de cada elemento, é dado pelo número de bits necessário para representar o maior valor desse campo. Se por exemplo o campo finito for 256, cada elemento terá 8 bits. A um vetor de elementos, damos o nome de símbolo. Associado a cada símbolo transmitido na rede, existe um vetor de coeficientes, necessário para codificação e descodificação. O tamanho do vetor, é ditado pelo número de símbolos originais. Se a mensagem é divida em 5 símbolos, então o vetor tem tamanho 5. Para codificar e criar um novo símbolo, o nó da rede começa por selecionar um novo vetor de coeficientes local. A função de codificação consiste numa combinação linear sobre um dado número de símbolos, utilizando o novo vetor local. O vetor do novo símbolo codificado é obtido da mesma forma. Sobre os vetores dos símbolos utilizados, é feita uma combinação linear utilizando o vetor local. Para descodificar os símbolos originais, são necessários um número igual de símbolos codificados, linearmente independentes. De forma a que os símbolos codificados e recodificados na rede, sejam linearmente independentes, podem ser utilizados algoritmos de tempo polinomial [59], para estabelecer os vetores locais utilizados por cada nó intermédio da rede. De forma a simplificar o problema, os vetores locais podem ser aleatórios (Random Linear Network Coding). Se o campo finito for suficientemente grande, a probabilidade de obter símbolos codificados linearmente independentes chega perto dos 100%. De forma a ter vetores mais reduzidos, tornando as operações mais simples, e permitindo uma descodificação gradual, os símbolos originais da mensagem podem ser organizados em gerações. Por cada geração, são gerados e injetados pela rede, símbolos codificados. Quando uma geração é descodificada, procede-se para a geração seguinte. Repare-se que a função de codificação referida anteriormente, com base em XOR, é o caso base e mais simples de um código linear. Neste caso, o campo finito é de tamanho 2. Apesar de ser um conceito relativamente simples, implementar e usar técnicas de codificação no plano de dados dos próprios dispositivos de rede é uma tarefa bastante complicada. Até mesmo quase impossível na maioria dos casos, visto que a payload dos pacotes é sujeita a alterações. O seu funcionamento baseia-se em protocolos fixos, que correm no próprio hardware de forma a maximizar o desempenho, o que torna difícil a tarefa de configurar e gerir uma rede para além das simples operações de encaminhamento de pacotes. Por este motivo, as implementações práticas de codificação na rede que têm vindo a surgir nos últimos anos, operam em redes overlay. Uma rede overlay reside logicamente na camada de aplicação, implicando que os dispositivos de rede propriamente ditos não são alterados. O interesse crescente em operações mais complexas e exigentes na rede, mas condicionado pelo funcionamento rígido e fechado dos routers e switches tradicionais, motivou uma mudança de paradigma: de redes configuráveis para redes programáveis. A primeira instância de uma rede programável é conhecida como Rede Definida por Software (SDN). Numa rede SDN, o plano de controlo é separado do plano de dados, e reside num dispositivo à parte - um controlador logicamente centralizado. Utilizando a informação de pacotes provenientes do plano de dados dos switches, o controlador pode definir políticas de configuração mais flexíveis e instalar regras nas tabelas match-action dos mesmos. A comunicação entre os switches e o controlador está estandardizada, sendo utilizado um protocolo conhecido como OpenFlow. A limitação de switches e controladores Open- Flow está no processamento de pacotes, que continua a ser fixo. De facto, o OpenFlow atua sobre um conjunto fixo de protocolos. Além disso, a sequência de tabelas e ações de um switch Openflow também é fixa. Portanto, o OpenFlow não permite realmente definir nova funcionalidade no plano de dados de um switch. Apenas fornece um meio para o controlador tomar decisões e instalar regras nas tabelas match-action, dos mesmos. No âmbito de codificação na rede, este fator impossibilita a alteração da payload dos pacotes, e consequentemente a sua combinação. No entanto, têm vindo a surgir recentemente switches programáveis, alguns até já em produção (por exemplo, Tofino da Barefoot Networks). Estes dispositivos permitem a programação e reprogramação do plano de dados, o que possibilita uma definição precisa e customizada do modo de processamento de pacotes. Com esta liberdade, a codificação na rede torna-se possível, no plano de dados. Porém, a sua programação é baseada em interfaces de baixo nível, tornando-se um processo demorado e doloroso. Esta dificuldade, acrescida também às limitações descritas do OpenFlow, motivou a criação da linguagem de alto nível, P4. A linguagem P4 permite definir cabeçalhos, parsers e a sequência de tabelas de matchaction, para qualquer dispositivo de rede compatível. As ações podem ser definidas utilizando um conjunto de primitivas básicas oferecidas pela linguagem. A linguagem P4 oferece três vantagens. Primeiro, não está dependente de protocolos e formatos de pacotes específicos, uma vez que a sua definição pode ser feita pelo programador. Segundo, permite a reconfiguração do switch a qualquer momento. Terceiro, não depende do hardware subjacente, podendo ser escrita, da mesma forma, para qualquer dispositivo que tenha o compilador adequado. O objetivo desta dissertação consiste no desenho, implementação e avaliação do primeiro switch capaz de realizar codificação no plano de dados, recorrendo à linguagem P4. Mais concretamente, a nossa solução consiste em dois switches: um que executa XOR (P4- XOR Switch), e outro que executa uma variante de Random Linear Network Coding (P4-RLNC Switch). Durante a implementação enfrentámos vários desafios, devido às peculiaridades da linguagem. Entre os principais fatores que dificultaram a implementação, está o facto de a linguagem ser declarativa, não permitindo a criação de estruturas de dados auxiliares em tempo de execução; e a impossibilidade de criar ciclos, essencial para repetir o mesmo processo de codificação sobre os vários elementos dos símbolos, no caso do P4-RLNC Switch. Sendo um trabalho inovador, a avaliação focou-se essencialmente na funcionalidade dos dois switches concretizados. Adicionalmente, a performance do P4-XOR Switch também foi avaliada.
Network Coding (NC) is a technique that can be used to improve a network’s throughput. In addition, it has significant potential to improve the security, manageability, resilience (to packet losses, link failures and node departures) and the support of quality of service, in both wired and wireless network environments. The idea is to allow intermediate nodes of the network (i.e. switches and/or routers) to mix the contents of incoming data packets before forwarding them. Something that, traditionally carried out at source nodes, is therefore extended to the network, creating an array of new options. The difficulty of deploying NC on traditional switches lies in the impossibility to change or extend their operation with the requirements of this new paradigm. The devices are closed, the software and underlying hardware are vendor specific, and follow a fixed set of protocols and processing pipeline. This rigidity precludes NC in today’s switches and routers. Fortunately, programmable switches are beginning to emerge, with some already achieving production-levels and reaching the market (e.g., Barefoot Tofino). A new high-level language to program these switches has recently been proposed: P4. The P4 language allows the precise definition of how packets are processed in these programmable switches. Namely, it enables the definition of headers, parsers, match-action tables, and the processing pipeline itself. Therefore, by taking advantage of these constructs, P4 enables the deployment of NC, on the switch’s data plane, for the first time. In this dissertation, we design and implement two NC switches using the P4 language. Both switches employ Linear Network Coding (LNC). The main difference is that the first (P4-XOR Switch), simply performs the XOR of packets (i.e., a linear code with field size 2). The second (P4-RLNC Switch) is more generic, allowing larger field sizes. For this purpose it performs Random Linear Network Coding (RLNC), which is a random variant of LNC. The evaluation was performed on Mininet (a network emulator) and focused on the functionality of both switches. Additionally, the performance of the P4-XOR Switch was tested as well. The main conclusion is that our implementations correctly perform the required operations allowing, for the first time, NC to be performed in real data planes.

A short-term solution for the depletion of Internet Protocol (IP) addresses and scaling problems in network routing is the reuse of IP address by placing Network Address Translators (NAT) at the borders of stub domains. In this article, we propose an implementation of NAT using Programming ProtocolIndependent Packet Processors (P4) language, taking advantage of its features such as target-agnostic dataplane programmability. Through the MACSAD framework, we generate a software switch that achieves high performance with the support of different hardware (H/W) and Software (S/W) platforms. The main contributions of this paper relate to the performance evaluation results of the NAT implementation using P4 language with MACSAD compiler.