MACSAD: Sistema de Compilador Multi-Arquitetura para Planos de Dados Abstratos

Orientador: Christian Rodolfo Esteve RothenbergTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: Redes Definidas por Software (Software-Defined Networking - SDN) almejam um plano de dados programável, além de planos de controle e aplicação flexíveis e escaláveis. Apesar de ter recebido menor atenção quando comparado aos aspectos dos planos de controle e aplicação, o plano de dados concerne uma peça chave nos enigmas de SDN. Nós contemplamos um plano de dados flexível apresentando as características, nomeadas, Programabilidade, Portabilidade, Desempenho e Escalabilidade (Programmability, Portability, Performance, and Scalability - 3PS) como diferentes aspectos de flexibilidade. Enquanto os aspectos de Programabilidade e Portabilidade focam na arquitetura e projeto do plano de dados, Desempenho e Escalabilidade aparecem durante a avaliação do mesmo. Estendemos o foco da evolução do plano de dados de Programabilidade da escola de pensamento SDN para incluir Portabilidade como aspecto de flexibilidade. O plano de dados programável confirma a natureza independente do protocolo, enquanto a Portabilidade atende aos requisitos de arquitetura múltipla do projeto do plano de dados. A linguagem P4, uma nova entrante, sendo uma linguagem de programação de alto nível independente do protocolo e independente do alvo, é capaz de levar a evolução do plano de dados ao próximo nível, desbloqueando as facetas desejadas da flexibilidade do plano de dados. Para trazer esse nível necessário de flexibilidade para um plano de dados, é necessário um sistema de compilador com várias arquiteturas que possa compilar um programa P4 em conformidade com o protocolo e a natureza de independência de destino de P4; No entanto, essa solução de sistema de compilador unificado é o que nos falta. A principal contribuição desta tese, a proposta do Sistema de Compiladores de Arquitetura Múltipla para Planos de Dados (Multi-Architecture Compiler System for Abstract Dataplanes - MACSAD), é um esforço para preencher a lacuna estendendo a abordagem Top-Down de P4 em direção à programabilidade com a abordagem Bottom-Up do OpenDataPlane (ODP) em direção à independência de destino com suas APIs de baixo nível, mas de plataforma cruzada (HW & SW). Reforçamos as contribuições desta tese incluindo aspectos de Desempenho e Escalabilidade da flexibilidade também como parte de nossa avaliação do MACSAD em múltiplos cenários realistasAbstract: Software-Defined Networking (SDN) strives for programmable data plane, yet flexible and scalable control and application planes. Despite having received less attention compared to control and application aspects of SDN, data planes are a critical piece of the SDN puzzle. We envision a flexible data plane showing characteristics, namely, Programmability, Portability, Performance, and Scalability (3PS) as different aspects of flexibility. While Programmability & Portability aspects focus on the architecture and design of the data plane, Performance & Scalability appears during the evaluation of it. We extend the focus of data plane evolution from Programmability from SDN school of thought to include Portability aspect of flexibility. Programmable data plane confirms to protocol-independent nature, whereas Portability addresses multi-architecture requirements of data plane design. P4 language, a new entrant, being a protocol-independent and target-independent high-level programming language is capable to take data plane evolution to the next level by unlocking the desired facets of data plane flexibility. To bring this required level of flexibility to a data plane, a multi-architecture compiler system is necessary which can compile P4 program conforming to protocol & target independence nature of P4; However, such a unified compiler system solution is what we lack of. The main contribution of this thesis, the MACSAD proposal, is an effort to fill the gap by extending the Top-Down approach of P4 towards programmability with Bottom-Up approach of OpenDataPlane (ODP) towards target-independence with its low-level but cross-platform (HW & SW) APIs. We strengthen the contributions of this thesis by including Performance, and Scalability aspects of flexibility too as part of our evaluation of MACSAD in multiple realistic scenariosDoutoradoEngenharia de ComputaçãoDoutor em Engenharia Elétric