Projeto, verificação funcional e síntese de módulos funcionais para um comutador Gigabit Ethernet

Abstract

Este trabalho apresenta o projeto, a verificação funcional e a síntese dos módulos funcionais de um comutador Gigabit Ethernet. As funções destes módulos encontramse definidas nos padrões IEEE 802.1D, IEEE 802.1Q, IEEE 802.3 e nos seguintes RFCs (Request for Comments): RFC 2697, RFC 2698 e RFC 4115. Estes módulos formam o núcleo funcional do comutador e implementam as principais funções dele. Neste trabalho quatro módulos são desenvolvidos e validados. Estes módulos foram projetados para serem inseridos na plataforma NetFPGA, formando o chamado “User Data Path”. Esta plataforma foi desenvolvida pela universidade de Stanford para permitir a prototipagem rápida de hardware para redes. O primeiro módulo chamado de “Árbitro de entrada” decide qual das portas de entrada do comutador ele vai atender, para que os quadros que ingressam por essa porta sejam processados. Este módulo utiliza um algoritmo Deficit Round Robin (DRR). Este algoritmo corrige um problema encontrado no módulo original desenvolvido na plataforma NetFPGA. O segundo módulo é o “Pesquisador da porta de saída”. O bloco principal deste módulo é o motor de classificação. A função principal do motor de classificação e aprendizagem de endereços MAC é encaminhar os quadros à suas respectivas portas de saída. Para cumprir esta tarefa, ele armazena o endereço MAC de origem dos quadros em uma memória SRAM e é associado a uma das portas de entrada. Este motor de classificação utiliza um mecanismo de hashing que foi provado que é eficaz em termos de desempenho e custo de implementação. São apresentadas duas propostas para implementar o motor de classificação. Os resultados da segunda proposta permite pesquisar efetivamente 62,5 milhões de quadros por segundo, que é suficiente para trabalhar a uma taxa wire-speed em um comutador Gigabit de 42 portas. O maior desafio foi conseguir a taxa de wire-speed durante o processo de “aprendizagem” usando uma memória SRAM externa. O terceiro módulo é o marcador de quadros. Este módulo faz parte do mecanismo de qualidade de serviço (QoS). Com este módulo é possível definir uma taxa máxima de transferência para cada uma das portas do comutador. O quarto módulo (Output Queues) implementa as filas de saída do comutador. Este módulo faz parte de plataforma NetFPGA, mas alguns erros foram encontrados e corrigidos durante o processo de verificação. Os blocos foram projetados utilizando Verilog HDL e visando as suas implementações em ASIC, baseado em uma tecnologia de 180 nanômetros da TSMC com a metodologia Semi-Custom baseada em standard cells. Para a verificação funcional foi utilizada a linguagem SystemVerilog. Uma abordagem de estímulos aleatórios restritos é utilizada em um ambiente de testbench com capacidade de verificação automática. Os resultados da verificação funcional indicam que foi atingido um alto porcentual de cobertura de código e funcional. Estes indicadores avaliam a qualidade e a confiabilidade da verificação funcional. Os resultados da implementação em ASIC amostram que os quatro módulos desenvolvidos atingem a freqüência de operação (125 MHz) definida para o funcionamento completo do comutador. Os resultados de área e potência mostram que o módulo das Filas de saída possui a maior área e consumo de potência. Este módulo representa o 92% da área (115 K portas lógicas equivalentes) e o 70% da potência (542 mW) do “User Data Path”.

This work presents the design, functional verification and synthesis of the functional modules of a Gigabit Ethernet switch. The functions of these modules are defined in the IEEE 802.1D, IEEE 802.1Q, IEEE 802.3 standards and the following RFCs (Request for Comments): RFC 2697, RFC 2698 and RFC 4115. These modules are part of the functional core of the switch and implement the principal functions of it. In this work four modules are developed and validated. These modules were designed to be inserted in the NetFPGA platform, as part of the “User Data Path”. This platform was developed at Stanford University to enable the fast prototype of networking hardware. The first module called “input arbiter” decides which input port to serve next. This module uses an algorithm Deficit Round Robin (DRR). This algorithm corrects a problem found in the original module developed in the NetFPGA platform. The second module is the classification engine. The main function of the MAC address classification engine is to forward Ethernet frames to their corresponding output ports. To accomplish this task, it stores the source MAC address from frames in a SRAM memory and associates it to one of the input ports. This classification engine uses a hashing scheme that has been proven to be effective in terms of performance and implementation cost. It can search effectively 62.5 million frames per second, which is enough to work at wire-speed rate in a 42-port Gigabit switch. The main challenge was to achieve wire-speed rate during the “learning” process using external SRAM memory. The third module is the frame marker. This module is part of the quality of service mechanism (QoS). With this module is possible to define a maximum transmission rate for each port of the switch. The fourth module (Output Queues) implements the output queues of the switch. This module is part of the NetFPGA platform, but some errors were found and corrected during the verification process. These module were designed using Verilog HDL, targeting the NetFPGA prototype board and an ASIC based on a 180 nm process from TSMC with the Semi-custom methodology based on standard cells. For the functional verification stage is used the SystemVerilog language. A constrained-random stimulus approach is used in a layered-testbench environment with self-checking capability. The results from the functional verification indicate that it was reached a high percentage of functional and code coverage. These indicators evaluate the quality and reliability of the functional verification. The results from the ASIC implementation show that the four modules developed achieve the operation frequency (125 MHz) defined for the overall switch operation. The area and power results demonstrate that the Output Queues module has the largest area and power consumption. This module represents the 92% of area (115 K equivalent logic gates) and the 70% of power (542 mW) from the User Data Path.