Desenvolvimento de uma arquitetura parametrizável para processamento da pilha TCP/IP em hardware

Abstract

O aumento da popularidade da Internet e a criação de novos meios de transmissão estimulam um explosivo crescimento da taxa de transmissão de dados sobre a Internet. Assim, o processamento TCP/IP baseado em software torna-se um gargalo por não processar os pacotes na velocidade das linhas de transmissão, em especial os pacotes da camada de transporte. Conseqüentemente, surge a necessidade de implementação em hardware do processamento TCP/IP, o que traria vantagens como aceleração do processamento do fluxo de dados. Neste sentido, este trabalho apresenta a arquitetura do iNetCore, descrita em VHDL, para processamento dos protocolos das camadas de rede e transporte em hardware. Duas implementações desta arquitetura foram elaboradas, buscando explorar o espaço de projeto e analisar os resultados obtidos na síntese para a tecnologia ASIC e FPGA, e o desempenho no processamento de pacotes. Uma arquitetura HW/SW contendo o iNetCore foi prototipada sobre a placa Virtex- II Pro Development System. Em conjunto com essa arquitetura, foi implementada uma interface de comunicação com o barramento OPB, tornando possível a implementação de softwares da camada de aplicação que queiram usar a pilha TCP/IP desenvolvida em hardware. Por fim, foram efetuados experimentos para avaliar o desempenho da arquitetura HW/SW no processamento de segmentos TCP. A arquitetura HW/SW em conjunto com o iNetCore alcançou um throughput de até 1,45 Gbps, possibilitando o uso da arquitetura para processamento de pacotes TCP/IP na plenitude de banda disponíveis em redes gigabit.

The advent of new transmission lines stimulates an explosive increase of the Internet data-transmission rate. Thus, the TCP/IP processing based on software became a bottleneck, because it cannot reach the transmission line speed required, specially in the transmission of transport layer packets. This limitation brings the necessity of implementation of the TCP/IP processing in hardware, what it would bring advantages in the acceleration of data flow processing. In this way, this work presents the iNetCore architecture, described in VHDL, able to process the transport and network layers protocols in hardware. Two implementations of this architecture were implemented. The objective is to explore the design space and to analyze the results in ASIC and FPGA technology synthesis. Also, a simulation environment was built to analyze the performance in the packets computation. A HW/SW architecture containing the iNetcore was prototyped on Virtex-II Pro Development System board. In conjunction with this architecture, it was implemented a communication interface with OPB bus, which makes possible the development of application layer softwares that may use the hardware TCP/IP stack developed. Finally, experiments were realized in order to evaluate the HW/SW architecture performance in the TCP segments processing. The HW/SW architecture together with the iNetCore reached a throughput of about 1.45 Gbps in the TCP/IP packets processing. It proves its potential to use available bandwidth in gigabit networks.