Design and implementation of patterns for distributing virtual network functions

Abstract

Network functions are conventionally deployed in the form of specialized hardware appliances. With the growing demand for network agility driven by the rising adaption of virtualization and IaaS workflows, the manual deployment and configuration of physical network function appliances becomes a limiting factor. Network function virtualization (NFV) is a concept that tries to improve network flexibility by converting network functions from dedicated and proprietary hardware appliances to software that runs on general purpose servers. While losing the performance benefit of specialized appliances, NFV allows to dynamically scale and reconfigure network functions. Realizing a NFV deployment however is not trivial as there are many requirements like load balancing and high availability as well as peculiarities, related to the stateful nature of most network functions, to consider. In addition to commodity servers, there is also the possibility to run network functions directly in the network by using capabilities of modern SDN based switches. While this on-path processing could reduce latency, it also further complicates the NFV orchestration and implementation. In this thesis, a survey of the vast body of literature that is concerned with different aspects of NFV, is presented. Based on the related work a generalized system model and design, that also supports on switch network functions, is derived and a catalog of patterns, that are applicable to problems often found in NFV systems, is compiled. Further, a prototype, that implements a subset of the presented patterns in the context of a commonly used network function, is described and the performance and fault tolerance failover behavior of the prototype were evaluated on a realistic testbed.

Netzwerkfunktionen werden herkömmlicherweise in der Form von spezialisierter Hardware eingesetzt. Mit der steigenden Nachfrage nach Netwerkflexibilität, verursacht durch den zunehmenden Einsatz von Virtualisierungs und IaaS Arbeitsabläufen, wird die manuelle Installation und Konfiguration von physischen Netzwerkfunktionen ein limitierender Faktor. Network Function Virtualization (NFV) ist ein Konzept das versucht, die Netwerkflexibilität zu verbessern, indem Netzwerkfunktionen von dedizierter und proprietärer Hardware zu Software die auf Allzweck-Servern läuft, konvertiert wird. Während der Leistungsvorteil, den spezialisierte Hardware bietet, verloren geht, erlaubt NFV es, Netzwerkfunktionen dynamisch zu skalieren und umzukonfigurieren. NFV umzusetzen ist jedoch nicht trivial, da viele Anforderungen wie Lastverteilung und Hochverfügbarkeit, als auch Besonderheiten die mit der zustandshaften Natur vieler Netwerkfunktionen zusammenhängen, zu beachten sind. Zusätzlich zu Allzweck-Servern, besteht dank der Fähigkeiten von modernen SDN Switches auch die Möglichkeit, Netzwerkfunktionen direkt im Netzwerk auszuführen. Während diese On-Path Verarbeitung Latenzen verringern könnte, würde es die Komplexität von NFV Orchestration und Implementation weiter erhöhen. In dieser Arbeit wird eine Übersicht über die umfangreiche Literatur, die sich mit verschieden Aspekten von NFV beschäftigt, vorgestellt. Basierend auf der Literatur wird ein generalisiertes Systemmodell und Design, das auch Netzwerkfunktionen auf Switches unterstützt, abgeleitet und ein Katalog von Lösungsmustern, die bei häufig gefundenen Problemstellungen in NFV Systemen anwendbar sind, zusammengestellt. Des Weiteren wird ein Prototyp, der eine Teilmenge der vorgestellten Muster im Kontext einer häufig eingesetzten Netzwerkfunktion implementiert, beschrieben und hingehend seiner Leistung und seines Verhalten in einem Failover-Fall in einer realistischen Testumgebung evaluiert.