TCP/IP kiihdytys pilvipohjaisessa mobiiliverkossa

Mobile traffic rates are in constant growth. The currently used technology, long-term evolution (LTE), is already in a mature state and receives only small incremental improvements. However, a new major paradigm shift is needed to support future development. Together with the transition to the fifth generation of mobile telecommunications, companies are moving towards network function virtualization (NFV). By decoupling network functions from the hardware it is possible to achieve lower development and management costs as well as better scalability. Major change from dedicated hardware to the cloud does not take place without issues. One key challenge is building a telecommunications-grade ultra-low-latency and low-jitter data storage for call session data. Once overcome, it enables new ways to build much simpler stateless radio applications. There are many technologies which can be used to achieve lower latencies in the cloud infrastructure. In the future, technologies such as memory-centric computing can revolutionize the whole infrastructure and provide nanosecond latencies. However, on the short term, viable solutions are purely software-based. Examples of these are databases and transport layer protocols optimized for latency. Traffic processing can also be accelerated by using libraries and drivers such as the Data Plane Development Kit (DPDK). However, DPDK does not have transport layer support, so additional frameworks are needed to unleash the potential of Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP) acceleration. In this thesis TCP/IP acceleration is studied as a method for providing ultra-low-latency and low-jitter communications for call session data storage. Two major frameworks -- namely, VPP and F-Stack -- were selected for evaluation. The major finding is that the frameworks are not as mature as expected, and thus they failed to deliver production-ready performance. Building robust interface for applications to use was recognized as a common problem in the market.Mobiiliverkon datamäärät ovat jatkuvassa nousussa. Nykyisin käytössä olevaa neljännen sukupolven matkapuhelintekniikkaan (4G) tehdään enää pieniä päivityksiä. Jotta tulevaisuuden datamääriin pystytään vastaamaan, täytyy tekniikan ottaa seuraava suuri harppaus. Siirryttäessä viidennen sukupolven matkapuhelintekniikkaan (5G), siirtyvät yritykset myös kohti verkon funktioiden virtualisointia. Erottamalla verkon funktiot laitteistosta pystytään saavuttamaan entistä matalammat kehitys- ja hallintakustannukset, sekä parempi skaalautuvuus. Siirtymä erityislaitteistosta pilveen on haasteellinen. Yksi keskeisimmistä ongelmista on matalaan ja tasaiseen viiveeseen pystyvän tietovaraston rakentaminen yhteyksien käsittelyyn. Jos tähän haasteeseen pystytään vastaamaan, mahdollistaa se uudenlaisten yksinkertaisten tilattomien radioapplikaatioiden suunnittelun. Matalaa viivettä pystytään tavoittelemaan monella tapaa. Tulevaisuudessa muistikeskeinen laskenta saattaa mullistaa koko infrastruktuurin ja mahdollistaa nanosekuntien viiveet. Tämä ei kuitenkaan ole mahdollista lyhyellä mittakaavalla, joten ratkaisuja pitää etsiä ohjelmistoratkaisuista. Tämä tarkoittaa esimerkiksi tietokannan tai kuljetuskerroksen protokollan optimointia viivettä ajatellen. Lii-kenteen prosessointia voi myös kiihdyttää erilaisilla kirjastoilla ja ajureilla, kuten Data plane development kitillä (DPDK). DPDK ei tue kuljetuskerroksen kiihdytystä, joten tähän joudutaan käyttämään erillisiä ohjelmistoja. Tässä diplomityössä tutkitaan, pystyvätkö TCP/IP-kiihdytystä tarjoavat ohjelmointikehykset lyhentämään viivettä riittävästi yhteyksien tilannedatan varastoinnin tarpeisiin. Kahden yleisimmän ohjelmiston, VPP ja F-Stack, suorituskyky mitataan. Tutkimuksen tuloksena havaittiin, että kumpikaan ohjelmisto ei ole riit-tävän valmis tuotantokäyttöön. Yhteinen ongelma kaikissa tutkituissa ohjelmistoissa oli rajapinta, jota tarjotaan applikaation käytettäväksi