Using reconfigurable hardware to distribute network traffic for parallel processing

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Faculty of Electronics, Communications and Automation | Licentiate thesis
Date
2009
Major/Subject
Mcode
S-88
Degree programme
Language
en
Pages
95
Series
Abstract
The expanding diversity and amount of traffic in the Internet requires increasingly higher performing devices for protecting our networks against malicious activities. The computational load of these devices may be divided over multiple processing nodes operating in parallel to reduce the computation load of a single node. However, this requires a dedicated controller that can distribute the traffic to and from the nodes at wire-speed. This thesis concentrates on the system topologies and on the implementation aspects of the controller. A field-programmable gate array (FPGA) device, based on a reconfigurable logic array, is used for implementation because of its integrated circuit like performance and high-grain programmability. Two hardware implementations were developed; a straightforward design for 1-gigabit Ethernet, and a modular, highly parameterizable design for 10-gigabit Ethernet. The designs were verified by simulations and synthesizable testbenches. The designs were synthesized on different FPGA devices while varying parameters to analyze the achieved performance. High-end FPGA devices, such as Altera Stratix family, met the target processing speed of 10-gigabit Ethernet. The measurements show that the controller's latency is comparable to a typical switch. The results confirm that reconfigurable hardware is the proper platform for low-level network processing where the performance is prioritized over other features. The designed architecture is versatile and adaptable to applications expecting similar characteristics.

Internetin edelleen lisääntyvä ja monipuolistuva liikenne vaatii entistä tehokkaampia laitteita suojaamaan tietoliikenneverkkoja tunkeutumisia vastaan. Tietoliikennelaitteiden kuormaa voidaan jakaa rinnakkaisille yksiköille, jolloin yksittäisen laitteen kuorma pienenee. Tämä kuitenkin vaatii erityisen kontrolloijan, joka kykenee hajauttamaan liikennettä yksiköille linjanopeudella. Tämä tutkimus keskittyy em. kontrolloijan järjestelmätopologioiden tutkimiseen sekä kontrolloijan toteuttamiseen ohjelmoitavalla piirillä, kuten kenttäohjelmoitava järjestelmäpiiri (eng. field programmable gate-array, FPGA). Kontrolloijasta tehtiin yksinkertainen toteutus 1-gigabitin Ethernet-verkkoihin sekä modulaarinen ja parametrisoitu toteutus 10-gigabitin Ethernet-verkkoihin. Toteutukset verifioitiin simuloimalla sekä käyttämällä syntetisoituvia testirakenteita. Toteutukset syntetisoitiin eri FPGA-piireille vaihtelemalla samalla myös toteutuksen parametrejä. Tehokkaimmat FPGA-piirit, kuten Altera Stratix -piirit, saavuttivat 10-gigabitin prosessointivaatimukset. Mittaustulokset osoittavat, että kontrollerin vasteaika ei poikkea tavallisesta verkkokytkimestä. Työn tulokset vahvistavat käsitystä, että ohjelmoitavat piirit soveltuvat hyvin verkkoliikenteen matalantason prosessointiin, missä vaaditaan ensisijaisesti suorituskykyä. Suunniteltu arkkitehtuuri on monipuolinen ja soveltuu joustavuutensa ansiosta muihin samantyyppiseen sovelluksiin.
Description
Supervisor
Skyttä, Jorma
Thesis advisor
Luoma, Marko
Keywords
hardware design, reconfigurable hardware, FPGA, Ethernet, network processing, distributed computing, laitteistosuunnittelu, ohjelmoitavat piirit, FPGA, Ethernet, verkkoliikenteen prosessointi, hajautettu laskenta
Other note
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/urn:nbn:fi:tkk-S100045