Um Standard-Hardware in Kommunikationsnetzen bei hohem Verkehrsaufkommen einsetzen zu können und neben dem Senden und Empfangen auch erweiterte Datenverarbeitung (z.B.Verschlüsselung) vornehmen zu können, müssen Treiber, Netzwerkprotokollstapel und Anwendungen besser an die Hardware-Architektur und deren Parallelisierungsmöglichkeiten angepasst werden, um eine optimale Systemleistung zu erreichen. Trotz der vergleichsweise hohen Leistungsfähigkeit von Standard-Hardware stellt das Versenden, Empfangen und die Verarbeitung von Paketen bei hohem Verkehrsaufkommen eine große Herausforderung dar. Moderne Multi-Prozessor- bzw. Multi-Core-Systeme sind komplexe Systeme, deren Arbeitsabläufe und die dazu benötigten begrenzten Systemressourcen zu nicht trivial vorhersehbarem Leistungsverhalten führen. Die Identifizierung von Leistungsengpässen und die Untersuchung von Auswirkungen spezieller Verarbeitungsoptimierungen ist daher eine wichtige Voraussetzung zur Leistungssteigerung dieser Systeme und ist als solches ein bedeutendes Forschungsvorhaben.

In dieser Arbeit werden Methoden zur Leistungsbewertung und Optimierung der Paketverarbeitung auf aktuellen Multi-Core-Mikroprozessor-Systemen untersucht. Um die relevanten Leistungsengpässe in solchen komplexen Systemen zu verstehen und durch entsprechende Modifikation optimieren zu können, wird ein allgemeiner Ansatz zur Modellierung der Datenverarbeitung und Ressourcenverwaltung in Rechnersystemen vorgeschlagen. Hierfür werden einfache aber hinreichendgenaue analytische und simulative Modelle entworfen, welche das Zusammenspiel zwischen Hardware- (Prozessor, Netzwerkkarte, Hauptspeicher usw.) und Softwarekomponenten (Betriebssystem, Treiber usw.) beschreiben und die Ressourcenanforderungen der einzelnen Datenverarbeitungsschritte widerspiegeln. Der vorgeschlagene Modellierungsansatz ist generell für verschiedene Datenverarbeitungsszenarien anwendbar. Exemplarisch wurde dieses Konzept als Erweiterungsmodul resource-management für den in der Forschungsgemeinschaft weitverbreiteten Netzwerksimulator ns-3 implementiert. Dadurch wird das beschränkte ns-3-Knotenmodell erweitert und ermöglicht somit die detaillierte Modellierung der rechnerinternen Datenverarbeitung sowie den Wettbewerb um Ressourcen. Auf Basis dieses ns-3-Erweiterungsmoduls werden spezielle Simulationsmodelle für verschiedene Arten von Netzwerkknoten (z.B. Software-Router) entworfen. Eine Kalibrierung und Validierung dieser Simulationsmodelle wird basierend auf realen Testbed-Messungen vorgenommen.

Mit Hilfe der validierten Simulationsmodelle werden verschiedene Fallstudien mit unterschiedlichem Verkehrsaufkommen (z.B. Bursts, Traces), Datenverarbeitungsfunktionalitäten (z.B. IP-Routing, IPsec-Verschlüsselung) und Rechnersystemkonfigurationen (z.B.Multi-Core, Treiberparameter) durchgeführt. Anhand von Leistungs- und Zuverlässigkeitskenngrößen (z.B. Maximaldurchsatz, Latenz, Paketverlust) werden die leistungsbeschränkenden Faktoren und Engpässe der untersuchten Systeme identifizirt. Des Weiteren ermöglichen es die Simulationsmodelle zu prognostizieren, wie sich verschiedene Modifikationen auswirken und Aussagen über Szenarien zu treffen, die mit den derzeit zur Verfügung stehenden Systemen noch nicht umsetzbar sind. Darauf basierend werden Optimierungen für Realsysteme zur Verbesserung der QoS-sensitiven Paketverarbeitung vorgeschlagen, welche außerdem als reine Softwarelösung kosteneffizient realisierbar sind. Insbesondere konnten dadurch Verbesserungen des aktuellen Stands der Technik bezüglich der Paketverarbeitung von QoS-sensitiven Netzapplikationen in Linux-basierten Software-Routern erzielt werden.

Keywords: Software Router; QoS; Latenz; Linux; NAPI; Multi-Core-Prozessor; Paketverarbeitung; Modellierung; Simulation; Software-Defined Networking; Network Functions Virtualization

Berichte aus dem Forschungsschwerpunkt Telekommunikation und Rechnernetze