Edge-native архітектура гібридної оптично-коаксіальної мережі з реалізацією Quic-протоколу через UDP
Анотація
Запропоновано модель архітектури оптично-коаксіальної мережі з edge-native реалізацією транспортного рівня, що передбачає перенесення термінації QUIC-протоколу на вузли доступу. Встановлено, що централізоване опрацювання процесів транспортного рівня у традиційних мережах не забезпечує необхідної продуктивності для сучасних сервісів з асиметричним трафіком і підвищеними вимогами до затримки передачі даних. Оцінено переваги реалізації термінації QUIC (англ. Quick UDP Internet Connections) протоколу поверх UDP (англ. User Datagram Protocol) без фізичної заміни телекомунікаційної інфраструктури мережі доступу. Експеримент проведено на базі програмного стеку FD.io VPP, інструменту vppecho та інфраструктури тестування продуктивності CSIT з використанням стенду ICX-3N-100GE (три вузли на базі Intel Ice Lake із 100GE інтерфейсами Intel E810CQ). Усі вимірювання виконано за фіксованого розміру мережевого фрейму 1280 байт та обмеження в одне процесорне ядро. Сценарії тестування автоматизовано з використанням методології CI/CD (англ. Continuous Integration/Continuous Deployment or Delivery) та відкритого шаблону конфігурації тестового середовища, що забезпечує відтворюваність результатів. Проведено порівняння чотирьох конфігурацій QUIC протоколу: базової (882.8 Мбіт/с), з 10 клієнтами по 1 сесії (586 Мбіт/с), з 1 клієнтом на 10 сесій (586.5 Мбіт/с) та з 10 клієнтами на 10 сесій (562 Мбіт/с). Виявлено, що базовий режим роботи забезпечує найвищу пропускну здатність, тоді як масштабовані сценарії тестування демонструють очікуване зниження продуктивності роботи внаслідок зростання накладних витрат. Це зниження продуктивності зумовлене витратами на облік одночасно активних QUIC-сесій, впливом NUMA-архітектури та перемиканням контекстів між клієнтами в умовах обмеженого однопотокового середовища, що вказує на важливість стратегій масштабування транспортного рівня. Охарактеризовано потенціал створеної edge-native моделі як програмно-визначеної концепції для поетапної модернізації оптично-коаксіальних мереж доступу без потреби дороговартісної фізичної перебудови її. Реалізована модель сумісна з наявними мережами DOCSIS 3.1 і не потребує оновлення абонентського обладнання чи зміни кабельної інфраструктури. Її гнучкість і програмно-визначений характер забезпечують придатність до змінних вимог сучасних широкосмугових сервісів із низькою затримкою трафіку та потребою в масштабованості навантаження.
Завантаження
Посилання
Barach, D., Linguaglossa, L., Marion, D., Pfister, P., Rossi, D., & Pontarelli, S. (2018). High-speed software data plane via vectorized packet processing. IEEE Communications Magazine, 56(11), 97–103. https://doi.org/10.1109/MCOM.2018.1800069
FD.io. (n.d.). VPP HostStack External Echo Client/Server. The Linux Foundation. URL: https://wiki.fd.io/view/VPP/HostStack/ExternalEchoClientServer
FD.io CSIT. (n.d.). FD.io data center testbed specifications: 3-node IceLake (3 n-icx). The Linux Foundation. URL: https://csit.fd.io/cdocs/infrastructure/fdio_dc_testbed_specifications/#3-node-icelake-3n-icx
Iyengar, J., & Thomson, M. (2021). QUIC: A UDP-based multiplexed and secure transport (RFC 9000). RFC Editor. https://doi.org/10.17487/RFC9000
Kreutz, D., Ramos, F. M. V., Verissimo, P., Rothenberg, C. E., Azodolmolky, S., & Uhlig, S. (2015). Software-defined networking: A comprehensive survey. Proceedings of the IEEE, 103(1), 14–76. https://doi.org/10.1109/JPROC.2014.2371999
Liu, Y., Amin, R., & Stemmler, H. (2023). Digital adoption: Accelerating postpandemic, yet a widening divide. World Bank, Digital Progress and Trends Report 2023, 1–21. URL: https://openknowledge.worldbank.org/server/api/core/bitstreams/b6125358-fb1 c-47bb-a6e7-4896b2152904/content
Salinger, J., & Sigman, S. (2021). Lessons from operating tens of thousands of Remote PHY Devices. SCTE & NCTA. URL: https://www.nctatechnicalpapers.com/Paper/2021/2021-lessons-from-operating-tens-of-thousands-of-remote-phy-devices
Seemann, M., & Iyengar, J. (2020). Automating QUIC interoperability testing. In Proceedings of the Workshop on the Evolution, Performance, and Interoperability of QUIC (EPIQ'20) (pp. 8–13). Association for Computing Machinery. https://doi.org/10.1145/3405796.3405826
Yu, A., & Benson, T. A. (2021). Dissecting performance of production QUIC. Proceedings of the Web Conference 2021 (WWW'21), 12 pages. ACM. https://doi.org/10.1145/3442381.3450103
Yu, P., Liu, M., Wang, J., Qiu, P., DiGiglio, J., & Coras, F. (2023). FD.io VPP – Accelerate the host stack with 4th Gen Intel® Xeon® Scalable Processor technology guide. Intel Corporation. URL: https://networkbuilders.intel.com/docs/networkbuilders/intel-avx-512-high-performance-ipsec-with-intel-xeon-scalable-processor-technology-guide-1683018859.pdf
Zhang, Q., Deng, H., Bai, X., Chen, Y., Yang, Y., & Ren, K. (2024). Understanding the performance of QUIC over high-speed networks. Proceedings of the ACM Web Conference 2024 (WWW'24), 4301–4311. https://doi.org/10.1145/3589334.3645323
Cable Television Laboratories. (2022, October). DOCSIS® 4.0 Physical Layer Specification (CM-SP-PHYv4.0). URL: https://www.cablelabs.com/specifications/CM-SP-PHYv4.0
Kinsella, R., & Konstantynowicz, M. (2019, February). Building production-grade networking software with FD.io CSIT [Conference presentation]. FOSDEM 2019, Brussels, Belgium. https://doi.org/10.5446/44177
CableLabs. (2022, October 12). 10G: Enabling future-ready networks. Cable Television Laboratories, Inc. URL: https://www.cablelabs.com/insights/10g-enabling-future-ready-networks
Charter Communications. (2022, December 13). Investor meeting presentation. URL: https://ir.charter.com/events/event-details/charter-communications-investor-meeting
Cable Television Laboratories. (2023, April). Data-over-Cable Service Interface Specifications: Physical Layer Specification (CM-SP-PHYv3.1-I20-230419). URL: https://www.cablelabs.com/specifications/CM-SP-PHYv3.1
