Marvin Härdtlein erhält KuVS-Preis für die beste Masterarbeit

In seiner Masterarbeit hat Marvin Härdtlein eine Methode entwickelt, Routing im Internet mithilfe eines programmierbaren, kostengünstigen Hybrid-Gerätes abzuwickeln.

Eine Faszination führte Marvin Härdtlein mitten hinein ins Herz unseres Datenverkehrs. Zwischen den pulsierenden Servern eines Frankfurter Rechenzentrums, wo er als Werkstudent arbeitete, wuchs der Wunsch, genauer hinter die Fassade der schwarzgrauen Serverschränke zu schauen.

Für seine Masterarbeit mit dem Titel „Hybrid Switch: Dynamic Flow Rule Offloading on High Performance Networking Hardware“ am Fachgebiet Multimedia Kommunikation / Kommunikationsnetze hat Marvin Härdtlein nun den Preis der Fachgruppe Kommunikation und Verteilte Systeme (KuVS) in der Gesellschaft für Informatik und der Informationstechnischen Gesellschaft im VDE e.V. für die beste Masterarbeit des Jahres 2021 zuerkannt bekommen.

Eine kosteneffiziente und flexible Lösung für Routing im Internet

Darin untersucht er die Idee, spezialisierte Netzwerk-Hardware durch ein hybrides Gerät zu ersetzen. Als Beispiel dient der Anwendungsfall des Routings im Internet. Die hierfür kommerziell verfügbaren Netzwerkgeräte sind recht teuer. Ihre Funktionen lassen sich meist nur schwer oder überhaupt nicht verändern. Marvin Härdtleins Ziel war es jedoch, Netzwerkgeräte programmierbar zu machen, um zukünftig neue Funktionen einfacher in bestehenden Netzwerken realisieren zu können.

Nun gibt es zwar Standard-Switch-Modelle, welche als Alternative zu spezialisierter Netzwerk-Hardware in Frage kommen. Diese haben allerdings einen großen Nachteil: Sie haben nicht genug Speicherkapazität, um im Anwendungsfall des Routings im Internet ausreichend Routeninformationen halten zu können. In globalen Routingtabellen, welche als Basis dafür dienen, dass Anfragen im Internet an das richtige Ziel geleitet werden, gibt es aktuell ungefähr 850.000 Einträge.

Nötig sind ein programmierbarer Switch, ein Server und die Software P4HC

Also hat sich Marvin Härdtlein im Rahmen seiner von Ralf Kundel und Christoph Gärtner betreuten Masterarbeit ein ausgeklügeltes Konzept überlegt. Einen in der Programmiersprache P4 konfigurierbaren Switch kombiniert er mit einem Standardserver. 

Dabei ergänzt der eine die Schwächen des jeweils anderen: Ein programmierbarer Switch hat nur einen überschaubaren Speicher, um Internet-Routeninformationen zu halten. Diesen kann er jedoch mit der enormen Leistung von vielen hundert Gigabit pro Sekunde abwickeln. Ein Server hingegen punktet zwar nicht mit einer solchen Performance, kann aber mit seinem großen Arbeitsspeicher sehr viele Regeln oder konkrete Routeninformationen speichern. Zudem können Standard-Serversysteme dank Software-Frameworks wie DPDK (Data Plane Development Kit) inzwischen auch größere Mengen an Netzwerkpaketen verarbeiten. So sind 100 Gigabit pro Sekunde für einen Server durchaus zu erreichen.

Um Switch und Server zu einem hybriden Gerät zu verbinden, bedarf es einer speziellen Controller-Software. Marvin Härdtlein hat hierzu die Software P4HC (P4 Hybrid Cache) programmiert. Diese verbindet beide Geräte so, dass sie nach außen hin als ein Gerät auftreten. Der Switch wird dabei zwischen den Server und die anderen Netzwerkteilnehmern platziert. Im Normalfall leitet der Switch die Pakete an den Server weiter. Dieser speichert alle Informationen, die zum Verarbeiten der Pakete notwendig sind – im Fall des Routings im Internet sind dies die 850.000 Routen der globalen Routingtabellen.

Der Switch kann den Server bei Bedarf entlasten

Ist der Server jedoch stark ausgelastet, werden Regeln in den Switch installiert. Dieser agiert dann quasi als Cache für den Server und entlastet ihn. Hierzu wertet die Software alle zehn Sekunden automatisch aus, welche der Regeln im Server den meisten Datenverkehr erzeugen. Hinter diesem Vorgehen steckt die Erkenntnis, dass manche Routen im Internet sehr intensiv genutzt werden, zum Beispiel zu Streamingdiensten wie Netflix. Konkret könne man mit ungefähr 100.000 Routen bereits 90 Prozent des kompletten Datenverkehrs abhandeln, so Marvin Härdtlein.

Dabei ist jedoch einiges zu beachten. Es kann nicht einfach jede Regel vom Server in den Switch verlagert werden. Um Probleme zu vermeiden, müssen die Regeln beim Auslagern auf den Switch zuvor auf ihre Abhängigkeiten untersucht und diese aufgelöst werden. Andernfalls könnte ein unerwartetes und somit falsches Verhalten auftreten.

Die Arbeit zeigt erstmals, wie eine voll programmierbare Netzwerk-Hardware für das Routing im Internet aussehen kann

Die Grundidee, zwei Switches oder einen Hardware-Switch mit einem Software-Switch zu verbinden, war nicht neu. Die bisherigen Ansätze waren jedoch stark mit der Controller-Seite beschäftigt. Die Data Plane – also die Geräte, die aktiv die Pakete verarbeiten – wurde dabei kaum beleuchtet.

Mit seiner Masterarbeit zeigt Marvin Härdtlein erstmals, dass es mit aktueller Hardware wie einem P4-programmierbaren Tofino-Switch und einem Standardserver möglich ist, eine Performance zu erreichen, die spezieller Netzwerk-Hardware um nichts nachsteht. Dabei ist die Lösung voll programmierbar und jederzeit flexibel, was bei spezialisierter Netzwerk-Hardware nicht der Fall ist.

Info: Der KuVS-Preis

Der KuVS-Preis für die beste Masterarbeit ist mit 300 Euro dotiert. Die Fachgruppe würdigt mit dem jährlich vergebenen Preis herausragende Dissertationen und Abschlussarbeiten. Die offizielle Verleihung findet im September 2023 bei der International Conference on Networked Systems (NetSys 2023) in Potsdam statt. Dort wird auch Dr. Manisha Luthra für die beste Dissertation des Jahres 2021 geehrt. Sie hat ihre Arbeit ebenfalls am Fachgebiet Multimedia Kommunikation geschrieben.

Beitragsbild: Christine Wachter