Implementing a recirculation‑based selective forwarding unit using P4

Abstract

Modern video conference applications rely on Selective Forwarding Units (SFU) to replicate packet traffic between participants. Traditional SFUs commonly operate in user space and as such are required to move packets to and from it so they can copy them. These operations have a significant negative impact on latency. Switches with programmable dataplanes offer a solution to this problem enabling SFUs to run directly on switches and thus not to incur such costs. Using P4, an open-source programing language for switches, specifically its recirculation feature, in which packets can reenter a switch pipeline instead of being transmitted, a more efficient SFU was developed. After its development, it was compared with a Python-based SFU implementation running in user space on a Linux host, instead of on a switch, similarly to traditional SFUs. Even in simulated hardware, the P4-Based SFU outperformed its counterpart by demonstrating lower latency, increased stability and reduced packet loss. The results highlight the potential of programmable dataplanes for the development of high performance SFUs.Οι σύγχρονες εφαρμογές βιντεοδιάσκεψης βασίζονται σε Selective Forwarding Units (SFU) για την αναπαραγωγή της κυκλοφορίας πακέτων μεταξύ των συμμετεχόντων. Οι παραδοσιακές SFU λειτουργούν συνήθως στον χώρο χρήστη και, ως εκ τούτου, απαιτείται η μεταφορά πακέτων από και προς αυτόν προκειμένου να αντιγραφούν. Αυτές οι λειτουργίες επιβαρύνουν σημαντικά την καθυστέρηση. Οι μεταγωγοί με προγραμματιζόμενα επίπεδα δεδομένων (programmable dataplane) προσφέρουν μια λύση στο πρόβλημα, επιτρέποντας στις SFU να εκτελούνται απευθείας στον μεταγωγό, κι έτσι να αποφεύγουν αυτό το κόστος. Χρησιμοποιώντας την P4, μια γλώσσα προγραμματισμού ανοιχτού κώδικα για μεταγωγούς, και συγκεκριμένα την ανακυκλοφορία (recirculation), μέσω της οποίας τα πακέτα μπορούν να εισέλθουν εκ νέου στον αγωγό επεξεργασίας αντί να μεταδοθούν, αναπτύχθηκε μια πιο αποδοτική SFU. Μετά την ανάπτυξή της, συγκρίθηκε με μια υλοποίηση SFU σε Python που εκτελείται σε χώρο χρήστη σε έναν υπολογιστή Linux, όπως συμβαίνει στις παραδοσιακές SFU. Ακόμη και σε προσομοιωμένο υλικό, η SFU που βασίζεται στην P4 υπερείχε της αντίστοιχης υλοποίησης, παρουσιάζοντας χαμηλότερη καθυστέρηση, αυξημένη σταθερότητα και μειωμένη απώλεια πακέτων. Τα αποτελέσματα αναδεικνύουν τις δυνατότητες των προγραμματιζόμενων επιπέδων δεδομένων για την ανάπτυξη SFU υψηλής απόδοσης.