Fakultät Informatik, Institut für Technische Informatik, Professur für VLSI - EDA. Implementierung eines UDP/IP-Stacks in Hardware.

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1 Fakultät Informatik, Institut für Technische Informatik, Professur für VLSI - EDA Implementierung eines -Stacks in Hardware Dresden,

2 Gliederung 1. Aufgabenstellung 2. Überblick 1. Allgemein 2. MAC 3. IP 4. UDP 5. ARP 6. LocalLink 3. Implementierung 1. Datenfluss 2. Hardware 3. Software/API 4. Auswertung 5. Zusammenfassung und Ausblick Slide 2 / 25

3 AUFGABENSTELLUNG Slide 3 / 25

4 Aufgaben - Bereitstellen von IP-Cores zum Senden und Empfangen von Nachrichten über die Protokolle - MAC - IP - UDP - Senden und Empfangen von ARP-Nachrichten zur Adressauflösung - Verwalten der Adressen - Basis: Gigabit-Ethernet Takt von min. 125 MHz Slide 4 / 25

5 ÜBERBLICK Slide 5 / 25

6 Überblick - Netzwerkprotokolle Anwendung Nutzdaten UDP Header Nutzdaten IP Header Nutzdaten ARP Nachricht MAC Header Nutzdaten Präambel Nutzdaten CRC Slide 6 / 25

7 Überblick - Media Access Control (MAC) - Wrapper um Ethernet Ziel-MAC- Adresse (6 Byte) Quell-MAC- Adresse (6 Byte) Typ (2 Byte) Daten (max Byte) 0x0800 für IP 0x0806 für ARP Slide 7 / 25

8 Überblick - Internet Protocol (IP) Version (4 bit) Header Länge/4 (4 bit) Type of Service (1 Byte) Identifikationsnummer (2 Byte) Time-To-Live (1 Byte) Nutzdaten-Typ (1 Byte) Flags (3 bit) Ziel-IP-Adresse (4 Byte) Paket-Länge (2 Byte) Fragment-Offset (13 bit) Header-Checksum (2 Byte) Quell-IP-Adresse (4 Byte) <Optionen> Daten (max Byte) Slide 8 / 25

9 Überblick Checksum-Berechnung Pseudocode: 1. s 0, e 2. Für alle e i in e: 1. (c,s) s+e i 2. Solange (c!=0): (c,s) s+c 3. s s xor 0xFFFF 4. Wenn s=0xffff: p s, sonst p s Beispiel 1. e={0xffff,0xffff} 2. Für alle e i in e: 1. c=0, s=0xffff 1. c=1, s=0xfffe 2. c=0, s=0xffff 3. s =0x p=0xffff Slide 9 / 25

10 Überblick User Datagram Protocol (UDP) - Verbindung: Anwendung zu Anwendung Quell-Port (2 Byte) Ziel-Port (2 Byte) Länge (2 Byte) Checksum (2 Byte) Daten (max Byte) inkl. IP-Pseudo-Header Slide 10 / 25

11 Überblick IP-Pseudo-Header - Zusatzdaten für die Berechnung der UDP- Prüfsumme - Bindet UDP an IP Quell-IP-Adresse (4 Byte) Ziel-IP-Adresse (4 Byte) 0x0 0x11 UDP-Paket- Länge (2 Byte) Slide 11 / 25

12 Überblick Address Resolution Protocol (ARP) - Adressauflösung: MAC-Adresse zu IP-Adresse finden 0x0001 0x0800 0x06 0x04 0x01 für Request 0x02 für Response Hardware adresstyp (2 Byte) Protokolladresstyp (2 Byte) Hardwareadresslänge (1 Byte) Protokolladresslänge (1 Byte) Operation (2 Byte) Quell-IP-Adresse (4 Byte) Quell-MAC-Adresse (6 Byte) Ziel-IP-Adresse (4 Byte) Ziel-MAC-Adresse (6 Byte) Slide 12 / 25

13 Überblick LocalLink Protocol Clk SOF EOF Src_Rdy Dst_Rdy Data (8 bit) Slide 13 / 25

14 IMPLEMENTIERUNG Slide 14 / 25

15 Implementierung Slide 15 / 25

16 Implementierung Erweiterung des LocalLink Protocol Clk SOF EOF Src_Rdy Dst_Rdy Data (8 bit) Metadaten Slide 16 / 25

17 Implementierung Sender Slide 17 / 25

18 Implementierung Checksum - Eingabestrom von Datenbytes - Einführung eines Zustands für Byteindex Zu addierendes Byte Übertrag Aktuelle Summe Slide 18 / 25

19 AUSWERTUNG Slide 19 / 25

20 Auswertung - ML505-Board mit einem Virtex 5-FPGA - Max. Taktfrequenz: 125,565 MHz Register, 7066 LUTs, 2 BlockRAM - Theoret. Obergrenze: ~119,64 MB/s - Messung: ~112 MB/s (93,6%) - Abweichung durch: - Andere Pakete - Betriebssystem- bzw. JavaVM-Overhead Slide 20 / 25

21 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Slide 21 / 25

22 Zusammenfassung und Ausblick - Modularer Aufbau Erweiterung durch weitere Protokolle möglich - Erweiterung zu Server/Service erfordert Überarbeitung - Weitere Optimierung bzgl. Latenz möglich Slide 22 / 25

23 Quellen [1] IEEE (Ethernet) [2] RFC 826, (ARP) [3] RFC 791, (IP) [4] RFC 768, (UDP) [5] LocalLink Interface Specification, XILINX, 2005, fakultaet_informatik/tei/vlsi/lehre/lehrmat/kompl_prak/ sp006_locallink.pdf [6] Virtex-5 FPGA Embedded Tri-Mode Ethernet MAC User Guide, XILINX, fakultaet_informatik/tei/vlsi/lehre/lehrmat/kompl_prak/ ug194_virtex5_ethmac.pdf Slide 23 / 25

24 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Slide 24 / 25

25 Fragen / Diskussion Slide 25 / 25