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Fully Programming the Data Plane: A Hardware/Software Approach

Jeferson Santiago dal Silva

PhD thesis (2020)

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Cite this document: Santiago dal Silva, J. (2020). Fully Programming the Data Plane: A Hardware/Software Approach (PhD thesis, Polytechnique Montréal). Retrieved from https://publications.polymtl.ca/5215/
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Abstract

Les réseaux définis par logiciel — en anglais Software-Defined Networking (SDN) — sont apparus ces dernières années comme un nouveau paradigme de réseau. SDN introduit une séparation entre les plans de gestion, de contrôle et de données, permettant à ceux-ci d’évoluer de manière indépendante, rompant ainsi avec la rigidité des réseaux traditionnels. En particulier, dans le plan de données, les avancées récentes ont porté sur la définition des langages de traitement de paquets, tel que P4, et sur la définition d’architectures de commutateurs programmables, par exemple la Protocol Independent Switch Architecture (PISA). Dans cette thèse, nous nous intéressons a l’architecture PISA et évaluons comment exploiter les FPGA comme plateforme de traitement efficace de paquets. Cette problématique est étudiée a trois niveaux d’abstraction : microarchitectural, programmation et architectural. Au niveau microarchitectural, nous avons proposé une architecture efficace d’un analyseur d’entêtes de paquets pour PISA. L’analyseur de paquets utilise une architecture pipelinée avec propagation en avant — en anglais feed-forward. La complexité de l’architecture est réduite par rapport à l’état de l’art grâce a l’utilisation d’optimisations algorithmiques. Finalement, l’architecture est générée par un compilateur P4 vers C++, combiné à un outil de synthèse de haut niveau. La solution proposée atteint un débit de 100 Gb/s avec une latence comparable à celle d’analyseurs d’entêtes de paquets écrits à la main. Au niveau de la programmation, nous avons proposé une nouvelle méthodologie de conception de synthèse de haut niveau visant à améliorer conjointement la qualité logicielle et matérielle. Nous exploitons les fonctionnalités du C++ moderne pour améliorer à la fois la modularité et la lisibilité du code, tout en conservant (ou améliorant) les résultats du matériel généré. Des exemples de conception utilisant notre méthodologie, incluant pour l’analyseur d’entête de paquets, ont été rendus publics.----------ABSTRACT: Software-Defined Networking (SDN) has emerged in recent years as a new network paradigm to de-ossify communication networks. Indeed, by offering a clear separation of network concerns between the management, control, and data planes, SDN allows each of these planes to evolve independently, breaking the rigidity of traditional networks. However, while well spread in the control and management planes, this de-ossification has only recently reached the data plane with the advent of packet processing languages, e.g. P4, and novel programmable switch architectures, e.g. Protocol Independent Switch Architecture (PISA). In this work, we focus on leveraging the PISA architecture by mainly exploiting the FPGA capabilities for efficient packet processing. In this way, we address this issue at different abstraction levels: i) microarchitectural; ii) programming; and, iii) architectural. At the microarchitectural level, we have proposed an efficient FPGA-based packet parser architecture, which is a major PISA’s component. The proposed packet parser follows a feedforward pipeline architecture in which the internal microarchitectural has been meticulously optimized for FPGA implementation. The architecture is automatically generated by a P4- to-C++ compiler after several rounds of graph optimizations. The proposed solution achieves 100 Gb/s line rate with latency comparable to hand-written packet parsers. The throughput scales from 10 Gb/s to 160 Gb/s with moderate increase in resource consumption. Both the compiler and the packet parser codebase have been open-sourced to permit reproducibility. At the programming level, we have proposed a novel High-Level Synthesis (HLS) design methodology aiming at improving software and hardware quality. We have employed this novel methodology when designing the packet parser. In our work, we have exploited features of modern C++ that improves at the same time code modularity and readability while keeping (or improving) the results of the generated hardware. Design examples using our methodology have been publicly released.

Open Access document in PolyPublie
Department: Département de génie informatique et génie logiciel
Academic/Research Directors: Pierre Langlois and François-Raymond Boyer
Date Deposited: 13 Oct 2020 11:43
Last Modified: 13 Oct 2020 11:43
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/5215/

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