Diss. ETH No ROUTERS. A dissertation submitted to the. for the degree of Doctorof Technical Sciences. presented by. Daniel S. Dfcaspf.

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1 Diss. ETH No A SoftwareArchitecture or Next Generation ROUTERS A dissertation submitted to the Swiss Federal Instituteof TechnologyZürich for the degree of Doctorof Technical Sciences presented by Daniel S. Dfcaspf.r Dipl. Informatik-Ing. ETH born September24. L969 Citizen of Paspels (GR) accepted Prof. Dr. BernhardPlattner, on the recommendationof examiner Prof. Dr. Gurudatta M. Parulkar. co-examiner 1999

2 Abstract iu Abstract Present-day routers typically employ monolithic operaling Systems which are not easily upgradable and extensible, With the rapid rate of proto eol development it is becoining increasingly important to dynamically Up grade router Software in an incremental fashion. To support applicationspeeifie protoeol processing, it is even required that a router Upgrades automatically, without manualintervention by an administrator. We have designed and implemented a high Performance, modular, self-upgrading router Software architecture in the NetBSD operating system kernel. This architecture allows code modules, called plugins, to be dynami cally added and configured at nm-timein two possible ways: First, it is possible for an administrator to add, remove, change, ancl configure plugins at run time without ever rebooting the router. One of the novel features of our design is the ability to bind different plugins to individ ual flows: this allows for distinct plugin implementations to scamlessly coexist in the same run-time environment. Second, on oecurrence of a previously unknown code reference in a data packet, digitally signed plugins are automaticallyclownloaded on-thefly, in-band, from a trusted code Server on the network. In this way, application-speeifie packet processing as well as fully automatic revision of a known network protoeolimplementation is possible. In both cases, the plugin is dynamically linked and executes like na tive code on the router, and thus, it runs as fast as any other kernel code. High Performanceis further achieved through a carefully designed modular archi tecture; an innovative packet Classification algorithm that is both powerful and highly efficient; and by caching that expioits of Internet traffic. Compared to a monolithic best-effortkernel, our imple mentation requires an average increase in packet processing overhead of only 8%, or 600 cycles, which corresponds to 2.6 us per packet when run- the flow-like characteristics

3 iv Abstract ning on a P6/233 without optimizations. By shortcutting the forward loop based on the per-flow State we establish, we can forward packets up to three times faster than the traditional best-effortkernel.

4 Kurzfassung v Kurzfassung Router, weise monolithischer Betriebssysteme, welche sich nicht einfach erweitern und erneuern lassen. Begünstigt durch die beschleunigteentwicklung neuer Netzwerkprotokolle wird es immer wichtiger, Router dynamisch und inkrementell erweitern zu können. Um anwendungsspezifischeprotokolle zu un terstützen, müssen sich Router ohne die Flilfe eines Administrators selbstständig erweitern. welche heutzutage benutzt werden, bedienen sich typischer Wir haben eine modulare, selbsterweiternde, Hochleistungssoftware architektur für Router entworfen und diese im NetBSD Betriebssystem imple mentiert. Unsere Architekturerlaubt es, nennen, auf zwei verschiedene Arten dynamisch in einzubinden und zu konfigurieren: Für einen Administrator ist es Codemodule, welche wir "Plugins" ein laufendes System erstens möglich, dynamisch und ohne den Routerein einziges Mal neu starten zu müssen, Plugins hinzuzufügen, zu entfernen, zu ändern und zu konfigurieren. Eines der neuen Merkmale unse rer Architekturist die Möglichkeit, Plugins an individuelle Paketflüsseanzu binden. Dies erlaubt es, dass verschiedene Implementationeneines Plugins problemlos in derselben Laufzeitumgebungkoexistieren können. Zweitens erlaubt es unsere Architektur, digital unterschriebeneplug ins automatisch und bei Bedarf von einem sogenannten Code-Server im Netzwerk, zu dem ein Vertrauensverhältnis besteht, herunterzuladen.damit wird sowohl anwendungsspezifische Paketverarbeitung als auch automati sche Erneuerung und Erweiterung von verbreiteten Protokollimplementationen ermöglicht. ' 3' In beiden Fällen werden Pluginsdynamisch gebunden und wie der üb rige Betriebssyslemcode ausgeführt. Damit laufen Plugins so schnell wie festgebundene Module. Weiter wird Hochleistung durch folgende Faktoren erreicht: eine sorgfältigentworfene modularearchitektur, einen innovativen,

5 vi Kurzfassung & und Zwischen- den flu ssähnlichen Charakter von Inter netverkehr ausnützt. Verglichen mit einem monolithischen hocheffizientenzuordnungsalgorithmus für Netzwerkpakete speicherung, welche konsequent Betriebssystemkern, welcher keine Garantien anbietet, benötigt unsere Im plementation einen durchschnittlichen Rechenleistungsüberschuss von ledig lich 8 % oder 600 Zyklen (entspricht 2.6 ps) pro Paket, gemessen auf einem P6/233 ohne Optimierungen zu benutzen. Unter einer auf flussspezifischer Statusinformation beruhenden Abkürzung des Weiterleitungsmechanismus können wir Pakete bis zu drei Mal schneller als der normale NetBSD Be triebssystemkernweiterleiten.