ROUTER CON NETFPGA. Jhon Jairo Padilla A., PhD.

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1 ROUTER CON NETFPGA Jhon Jairo Padilla A., PhD.

2 Un Router con NetFPGA

3 Características de un Router NetFPGA 4 puertos Gigabit Ethernet Completamente Programable (Hardware con FPGAs) Bajo costo Hardware FPGA open source: Diseño basado en Verilog Software Open source: Drivers en C y C++

4 Características de la tarjeta NetFPGA Conector PCI: bus estándar de 32 bits, 33Mhz. Esto permite conectar la tarjeta a un PC. 4 Interfaces GbitEthernet (1Gbps) Un chip FPGA Virtex 2 4 bancos de memoria SRAM y DRAM

5 Características detalladas de la tarjeta NetFPGA Virtex2 Pro 50 FPGA, con reloj de 125Mhz. Xilinx Spartan II FPGA que controla la interfaz PCI hacia el Host. Dos SRAM externas de 18Mbits, organizadas en una configuración de 512Kx36 bits (capacidad total 4.5 Mbytes). Operan de forma síncrona con la FPGA a 125Mhz. Un banco externo de SDRAM DDR2 organizado en una configuración de 26Mx32 bits (Capacidad total: 64MBytes). Usando ambos flancos de un reloj separado de 200Mhz, la memoria tiene un ancho de banda de 400MWords/s (1600 Mbytes/s ó Mbps) Transceptores Broadcom BCM5464SR a Gbps, usando cables UTP categorías 5, 5E o 6. Hay un soft core en la FPGA que es un controlador MAC Ethernet para las 4 interfaces físicas. 2 interfaces con conectores Serial ATA (SATA) que permiten múltiples tarjetas NetFPGA en un sisstema para intercambiar datos directamente sin utilizar el bus PCI.

6 Ventajas de NetFPGA Descarga un procesador principal de ciertas tareas. El procesador principal (ubicado en el PC) puede utilizar DMA (Direct Memory Access) para leer/escribir registros y memorias de la tarjeta NetFPGA NetFPGA provee un camino de datos acelerado por Hardware Conectividad mediante los 4 puertos a 1Gbps. Acceso a bancos de memoria ubicados en la tarjeta

7 Librerías re utilizables (NFPs) NetFPGA permite descargar de la página principal (www.netfpga.org) diferentes bloques ya construidos (Hardware y Software) con funciones de Networking (NFP NetFPGA Packages)

8 Contenido de las NFPs Se divide en tres partes: Gateware (Verilog) Software del Sistema Software para pruebas de regresión Las NFPs incluyen: 1 IPv4 Router, 1 four port NIC, 1 IPv4 Router with Output Queues Monitoring System, the PW OSPF software that interacts with the IPv4 Router (SCONE), and the Router Kit which is a daemon that reflects the routing table and ARP cache from the Linux host to the IPv4 router on NetFPGA.

9 Opciones de uso de NetFPGA 1. Se pueden descargar las librerías del Router básico e instalarlas directamente en la tarjeta NetFPGA. Las modificaciones se hacen en el software del PC para construir protocolos. 2. Se puede descargar el Router básico en la tarjeta NetFPGA y agregar módulos de extensión a la misma (módulos Hardware). 3. Construir un nuevo router con librerías construidas por el usuario diseñador.

10 Uso de NetFPGA: Primera opción Se descarga e instala un Router IPv4 en la tarjeta NetFPGA. El Host Linux utiliza el Software Router Kit distribuido con la NFP. Router Kit: Es un daemon de Linux Hace un espejo de las tablas de enrutamiento y tablas de ARP del Host en la tarjeta NetFPGA. Esto permite hacer procesamiento a velocidad de línea en la NetFPGA El usuario puede modificar los programas en Linux para hacer nuevos protocolos y probarlos.

11 Running the Router Kit User space development, 4x1GE line rate forwarding OSPF BGP CPU Memory My Protocol user kernel Routing Table PCI Mirror Fwding Table Packet Buffer FPGA IPv4 Router Memory 1GE 1GE 1GE 1GE

12 Uso de NetFPGA: Segunda Opción Descargar y utilizar el hardware original provisto por la NFP Modificar el hardware agregando módulos extraídos de otras NFPs o agregando nuevos módulos propios. Compilar el código fuente en Verilog con las herramientas estándares Descargar el bitfile a la FPGA El nuevo hardware puede complementarse agregando nuevo software al Host o modificando el existente. Ejemplos: En el Router IPv4, implementar Trie Longest Prefix Match (LPM) Lookup en lugar del existente CAM LPM Lookup, para la tabla de enrutamiento del hardware. Modific ar el Router IPv4 para implementar NAT (Network Address Translation) o un Firewall.

13 Enhancing Modular Reference Designs CPU Memory PW-OSPF Java GUI Front Panel (Extensible) Verilog EDA Tools (Xilinx, Mentor, etc.) PCI FPGA Memory 1GE 1GE 1GE 1GE L3 Parse NetFPGA Driver 1. Design 2. Simulate 1GE L2 In 3. Q Synthesize Parse Mgmt 4. Download 1GE IP My Out Q 1GE Lookup Block Mgmt 1GE Verilog modules interconnected by FIFO interfaces

14 Uso de NetFPGA: Tercera opción Construir un nuevo router con librerías construidas por el usuario diseñador

15 Creating new systems CPU Memory Verilog EDA Tools (Xilinx, Mentor, etc.) PCI FPGA 1GE 1GE 1. Design NetFPGA 2. Driver Simulate 3. Synthesize 4. Download My Design 1GE 1GE Memory 1GE 1GE (1GE MAC is soft/replaceable) 1GE 1GE

16 Ejemplo: Router Básico 5 fases: Entrada Arbitraje de entrada Decisión de enrutamiento y modificación de paquetes Encolamiento de salida Salida

17 Ejemplo: Router Ampliado Nuevos módulos: Limitación de tasas de bits Retardos Captura de eventos

18 NetFPGA en la práctica

19 NetFPGA en la práctica Viene en dos presentaciones: Torre con DVD Tipo Rack PC with NetFPGA

20 Podría tenerse un laboratorio más complejo.

21 Equipo requerido para el desarrollo El equipo viene con Linux CENTOS 5.2

22 Software de Desarrollo ISE de Xilinx para linux: Desarrollar la circuitería en las FPGAs (Síntesis de circuitos) Modelsim (simulador para las FPGAs) LINUX CENTOS 5.2

23 EJECUCION DEL ROUTER BÁSICO

24 Step 2 Run Homemade Router cd to NF2/projects/tutorial_router/sw To use the just built router hardware, type:./tut_router_gui.pl use_bin../../../bitfiles/tutorial_router.bit To stream video, run:./mp X.Y where X.Y = 25.1 or 19.1 or 7.1 (or other server as listed on Demo 1 handout)

25 Step 4 Connectivity and Statistics Ping any addresses x.y where x is from 1 20 and y is 1 or 2 Open the statistics tab in the Quickstart window to see some statistics Explore more statistics in modules under the details tab

26 Step 5 Explore Router Architecture Click the Details tab of the Quickstart window This is the reference router pipeline a canonical, simple to understand, modular router pipeline

27 Step 6 Explore Output Queues Click on the Output Queues module in the Details tab The page gives configuration details and statistics

28 EJECUCIÓN DEL ROUTER AMPLIADO

29 Router Ampliado Objectives Observar el router con sus nuevos módulos Nuevos módulos: rate limiting, event capture Ejecución Ejecute el router capturador de eventos Revise las tablas de enrutamiento Explore los detalles Inicie una transferencia tcp, revise la ocupación de la cola Cambie la tasa de bits, revise la ocupación de la cola

30 Step 1 Run Pre made Enhanced Router Start terminal and cd to NF2/projects/tutorial_ro uter/sw/ Type./tut_adv_router_gui.pl A familiar GUI should start

31 Step 2 Explore Enhanced Router Click on the Details tab A similar pipeline to the one seen previously shown with some additions

32 Enhanced Router Pipeline Two modules added 1. Event Capture to capture output queue events (writes, reads, drops) MAC RxQ CPU RxQ MAC RxQ CPU RxQ MAC RxQ Input Arbiter Output Port Lookup Event Capture CPU RxQ MAC RxQ CPU RxQ 2. Rate Limiter to create a bottleneck MAC TxQ CPU TxQ Rate Limiter Output Queues CPU TxQ MAC TxQ CPU TxQ MAC TxQ CPU TxQ MAC TxQ

33 Step 3 Decrease the Link Rate To create bottleneck and show the TCP sawtooth, link rate is decreased. In the Details tab, click the Rate Limit module Check Enabled Set link rate to 1.953Mbps

34 Step 4 Decrease Queue Size Go back to the Details panel and click on Output Queues Select the Output Queue 2 tab Change the output queue size in packets slider to 16

35 Step 5 Start Event Capture Click on the Event Capture module under the Details tab This should start the configuration page

36 Step 6 Configure Event Capture Check Send to local host to receive events on the local host Check Monitor Queue 2 to monitor output queue of MAC port1 Check Enable Capture to start event capture

37 Step 7 Start TCP Transfer We will use iperf to run a large TCP transfer and look at queue evolution Start a terminal and cd to NF2/projects/tutorial_router/sw Type./iperf.sh

38 Step 8 Look at Event Capture Results Click on the Event Capture module under the Details tab. The sawtooth pattern should now be visible.

39 Queue Occupancy Charts Observe the TCP/IP sawtooth Leave the control windows open

40 AMPLIACIÓN DEL ROUTER BÁSICO

41 Amplíe su Router Objetivos Agregar nuevos módulos al camino de los datos Sintetizar y probar el router Ejecución Abra los módulos: user_datapath.v, uncomment delay/rate/event capture Sintetícelos Después de sintetizarlos, pruebe el nuevo sistema

42 An aside: xemacs Tips We will modify Verilog source code with xemacs To undo a command, type ctrl+shift+' ' To cancel a multi keystroke command, type ctrl+g To select lines, hold shift and press the arrow keys To comment (remove from compilation) selected lines, type ctrl+c+c To uncomment a commented block, move the cursor inside the commented block type ctrl+c+u To save, type ctrl+x+s To search for a term, type ctrl+s search_pattern

43 Step 1 Open the Source We will modify the Verilog source code to add event capture and rate limiter modules We will simply comment and uncomment existing code Open terminal Type xemacs NF2/projects/tutorial_router/src/user_data_path.v

44 Step 2 Add Wires Now we need to add wires to connect the new modules Search for new wires (ctrl+s new wires), then press Enter Uncomment the wires (ctrl+c+u)

45 Step 3a Connect Event Capture Search for opl_output (ctrl+s opl_output), then press Enter Comment the four lines above (up, shift + up + up + up + up, ctrl+c+c) Uncomment the block below to connect the outputs (ctrl+s opl_out, ctrl+c+u)

46 Step 3b Connect the Output Queue Registers Search for opl_output (ctrl+s opl_output, Enter) Comment the 6 lines (select the six lines by using shift+arrow keys, then type ctrl+c+c) Uncomment the commented block by scrolling down into the block and typing ctrl+c+u

47 Step 4 Add the Event Capture Module Search for evt_capture_top (ctrl+s evt_capture_top), then press Enter Uncomment the block (ctrl+c+u)

48 Step 5 Add the Drop Nth Module Search for drop_nth_packet (ctrl+s drop_nth_packet), then press Enter Uncomment the block (ctrl+c+u)

49 Step 6 Connect the Output Queue to the Rate Limiter Search for port_outputs (ctrl+s port_outputs), then press (Enter) Comment the 4 lines above (select the four lines by using shift+arrow keys), then type (ctrl+c+c) Uncomment the commented block by scrolling down into the block and typing ctrl+c+u

50 Search for port_outputs (ctrl+s port_outputs), then press (Enter) Step 7 Connect the Registers Comment the 6 lines (select the six lines by using shift+arrow keys), then type (ctrl+c+c) six Uncomment the commented block by scrolling down into the block and typing (ctrl+c+u)

51 Step 8 Add Rate Limiter Scroll down until you reach the next excluded block Uncomment the block containing the rate limiter instantiations. Scroll into the block, type (ctrl+c+u) Save (ctrl+x+s)

52 Step 9 Build the Hardware Start terminal, cd to NF2/projects/tutorial_router/synth Run make clean Start synthesis with make

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