Implementierung eines universellen IPv6 Protokollstapels

Transkript

1 Fakultät Informatik, Inst. für Technische Informatik, Prof. für VLSI-Entwurfssysteme, Diagnostik und Architektur Implementierung eines universellen IPv6 Protokollstapels Kolloquium zum Masterpraktikum Patrick Lehmann Dresden,

2 Agenda 1 Aufgabenstellung 2 Entwurf 3 Implementierung 4 Simulation 5 Auswertung Implementierung eines universellen IPv6 Protokollstapels Folie 2 von 29

3 AUFGABENSTELLUNG Implementierung eines universellen IPv6 Protokollstapels Folie 3 von 29

4 1 Aufgabenstellung Zielstellung des Masterpraktikums Verwendung des Ethernet Controllers der PoC-Library Implementierung mehrerer Ethernet-Adapter pro physikalischem Port Implementierung eines IPv6-Protokollstapels - IPv6-Pakete senden und empfangen - UDP-Pakete senden und empfangen - Adressen Auflösen per NDP Generische Hardwarebeschreibung Optimierung für Streaming-Verarbeitung Implementierung eines universellen IPv6 Protokollstapels Folie 4 von 29

5 1 Aufgabenstellung Besonderheiten IPv6 benutzt 128-Bit Adressen - Register-Ressourcen - Verdrahtungs-Ressourcen - Multiplexer-Ressourcen (LUTs) Universelles Protokoll für den Datenaustausch zwischen den Protokollschichten => PoC.Stream Caches - Assoziativität - Anzahl der Cache-Zeilen - Ersetzungsstrategie Automatisierte Simulation der Schichten und Module Implementierung eines universellen IPv6 Protokollstapels Folie 5 von 29

6 ENTWURF Implementierung eines universellen IPv6 Protokollstapels Folie 6 von 29

7 2 Entwurf Protokollstapel TCP/IP-Protokollstapel inkl. Anwendungsprotokollen [1]. Implementierung eines universellen IPv6 Protokollstapels Folie 7 von 29

8 2 Entwurf Prinzip der Rahmenbildung (framing, encapsulation) Beispielhafte 3-Schichtenarchitektur; Abbildung der Umrahmung auf HDL-Module. Implementierung eines universellen IPv6 Protokollstapels Folie 8 von 29

9 2 Entwurf Das Streaming-Protokoll PoC.Stream Signalverlauf dreier Frames über einen PoC.Stream Kanal. Wie überträgt man Metadaten? Implementierung eines universellen IPv6 Protokollstapels Folie 9 von 29

10 2 Entwurf Das erweiterte PoC.Stream Protokoll Signalverlauf zweier Frames über einen PoC.Stream Kanal, welcher mit zwei Metadatenströmen annotiert ist. Implementierung eines universellen IPv6 Protokollstapels Folie 10 von 29

11 2 Entwurf Datenflussoperatoren Implementierung eines universellen IPv6 Protokollstapels Folie 11 von 29

12 2 Entwurf Dualer Protokollstapel (IP dual stack) IPv6-Protokollstapel inkl. Anwendungsprotokollen [1]. Implementierung eines universellen IPv6 Protokollstapels Folie 12 von 29

13 2 Entwurf Abstraktion der Inter-Schichtenkommunikation als Bus Abbildung der Schichten und Protokolle auf Module und Busse. Implementierung eines universellen IPv6 Protokollstapels Folie 13 von 29

14 2 Entwurf Transformation in eine Datenflussarchitektur Transformation der Busse in unidirektionale PoC.Stream Kanäle. Implementierung eines universellen IPv6 Protokollstapels Folie 14 von 29

15 IMPLEMENTIERUNG Implementierung eines universellen IPv6 Protokollstapels Folie 15 von 29

16 3 Implementierung Media Access Control (MAC) - Layer Aufbau eines Type 3.1 a) Basic-Ethernet-Frames und dessen Verarbeitung im MAC-Layer [2]. Implementierung eines universellen IPv6 Protokollstapels Folie 16 von 29

17 3 Implementierung Internet Protocol version 6 (IPv6) - Layer Verarbeitung von IPv6 Paketen im IPv6-Layer. Implementierung eines universellen IPv6 Protokollstapels Folie 17 von 29

18 3 Implementierung User Datagram Protocol (UDP) - Layer Verarbeitung von UDP-Paketen im UDP-Layer. Das Modul FCS berechnet die 16-Bit 1er-Komplement Prüfsumme über den Nutzdatenanteil des UDP-Paketes. Implementierung eines universellen IPv6 Protokollstapels Folie 18 von 29

19 3 Implementierung Rahmenbildung am Beispiel von UDP Nutzdatenanteil: 94,41% (bei einem Type 3.1 a) Basic-Frame) Nettodatenrate: 112,55 MiByte/s Implementierung eines universellen IPv6 Protokollstapels Folie 19 von 29

20 3 Implementierung Neighbor Discovery Protocol (NDP) - Layer Teilweise implementiertes NDP-Layer: aktuell nur 2-stufiger Cache-Lookup-Prozess. Implementierung eines universellen IPv6 Protokollstapels Folie 20 von 29

21 3 Implementierung Internet Control Message Protocol for IPv6 (ICMPv6) - Layer Vorbereitetes ICMPv6-Layer. Implementierung eines universellen IPv6 Protokollstapels Folie 21 von 29

22 SIMULATION Implementierung eines universellen IPv6 Protokollstapels Folie 22 von 29

23 4 Simulation Datenstrukturen Definition eines 8-Bit bzw. 32-Bit Simulationswortes. Signalverlauf einer 2 Frames langen Frame-Gruppe. Implementierung eines universellen IPv6 Protokollstapels Folie 23 von 29

24 4 Simulation Beispiel: ARP-Paket (1) Aufbau eines ARP-Paketes für IPv4 zu Ethernet Adressauflösungen [3]. Implementierung eines universellen IPv6 Protokollstapels Folie 24 von 29

25 4 Simulation Beispiel: ARP-Paket (2) Definition eines ARP-Paketes zur Simulation. Implementierung eines universellen IPv6 Protokollstapels Folie 25 von 29

26 AUSWERTUNG Implementierung eines universellen IPv6 Protokollstapels Folie 26 von 29

27 5 Auswertung Ressourcenbelegungen je Schicht Register LUTs (ohne LUT-RAM) LUT-RAMs ETH (HardIP) ETH (SoftIP) MAC IPv4 IPv6 UDPv4 UDPv6 ARP NDP* * NDP zur Zeit nur mit Read-Only -Caches; ohne Update Funktionalität. Virtex-5 Gesamtressourcen: Register; LUTs; 60 BlockRAMs Implementierung eines universellen IPv6 Protokollstapels Folie 27 von 29

28 5 Auswertung Zusammenfassung (1) Implementierung der TCP/IP Protokolle als Streaming- Architektur ist möglich: - Ethernet PoC-Modul, erweitert um einen PHYController - MAC inkl. Umsetzung mehrerer Netzwerkadapter - ARP als Cache Testplattform - IPv6 Standard Paketformat ohne optionale Felder - IPv4 durch Rückportierung von IPv6 - ICMPv4 Echo_Request/Echo_Reply - UDP für IPv4 und IPv6 - NDP nur Caches mit 2-stufigem Lookup - Loopback für div. Schichten Implementierung eines universellen IPv6 Protokollstapels Folie 28 von 29

29 5 Auswertung Zusammenfassung (2) Streaming-Verarbeitung wurde mittels On-Chip Logic-Analyser überprüft Geringer Ressourcenbedarf je Schicht NDP und weitere Hilfsprotokolle erfordern aufwendige Automaten und Algorithmen Implementierung mit einem Soft-Prozessor? Implementierung eines universellen IPv6 Protokollstapels Folie 29 von 29

30 QUELLEN Implementierung eines universellen IPv6 Protokollstapels Folie 30 von 29

31 Quellen [1] The Internet Engineering Task Force Request for Comments. [2] Institute of Electrical and Electronics Engineers: IEEE Standard for Ethernet - Section 1-6. IEEE Std IEEE [3] Plummer, D.: Ethernet Address Resolution Protocol. RFC 826 (Internet Standard). Internet Engineering Task Force, Nov Implementierung eines universellen IPv6 Protokollstapels Folie 31 von 29

32 ANHANG Implementierung eines universellen IPv6 Protokollstapels Folie 32 von 29

33 Implementierung ARP-Layer Implementierung eines universellen IPv6 Protokollstapels Folie 33 von 29

34 Anhang Ethernet_Wrapper Implementierung eines universellen IPv6 Protokollstapels Folie 34 von 29

35 Anhang Ethernet_Wrapper_Virtex5 Implementierung eines universellen IPv6 Protokollstapels Folie 35 von 29

36 Anhang VHDL-Typen Implementierung eines universellen IPv6 Protokollstapels Folie 36 von 29