High-radix Packet-Switching Architecture for Data Center Networks

We propose a highly scalable packet-switching architecture that suits for demanding Data center Networks (DCNs). The design falls into the category of buffered multistage switches. It affiliates a three-stage Clos-network and the Networks-on-Chip (NoC) paradigm. We also suggest a congestion-aware routing algorithm that shares the traffic load among the switch's central modules via interleaved connecting links. Unlike conventional switches, the current proposal provides better path diversity, simple scheduling, speedup and robustness to load variation. Simulation results show that the switch is scalable with the portcount and traffic fluctuation, and that it outperforms different switches under many traffic patterns

Projeto, implementação e avaliação do suporte de casamento com prefixo mais longo para IPv4/IPv6 em planos de dados programáveis multi-arquitetura

Orientador: Christian Rodolfo Esteve RothenbergDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: Dentre as novas tendências em programação de dataplane dentro de SDN (Software Defined Networking) destacam-se os esforços para prover um suporte multi-plataforma dotado de alta definição das informações que são processadas pelo pipeline do plano de dados. No entanto, alguns desafios ainda persistem, como a necessidade de um plano de dados programável ou a adoção de uma abstração de programação independente de protocolo. Como forma de mitigar tais problemas, verifica-se que a Linguagem Específica de Domínio~(DSL) Programming Protocol-Independent Packet Processors~(P4) desponta como uma tendência emergente para expressar como os pacotes são processados pelo plano de dados de uma plataforma de rede programável. De modo independente e em paralelo, constata-se que o projeto OpenDataPlane~(ODP) cria um conjunto de plataformas abertas de Application Programming Interfaces~(APIs) projetado para o plano de dados de rede. Isso posto, tem-se que o Multi-Architecture Compiler System for Abstract Dataplanes~(MACSAD) surge como uma abordagem para convergir P4 e ODP em um processo de compilação convencional, arquivando a portabilidade dos aplicativos de plano de dados sem afetar as melhorias de desempenho do alvo. O MACSAD pode integrar a API do ODP e o P4, reunindo-os e definindo um plano de dados programável em um sistema de compilador unificado. Este trabalho tem como objetivo adicionar o suporte do Longest Prefix Match~(LPM) do IPv4/IPv6 ao MACSAD, integrado com as APIs do ODP e à programação P4, oferecendo recursos de planejamento de dados de alto desempenho. O suporte ao LPM proposto para o MACSAD combina o algoritmo de lookup e a biblioteca da API do ODP com o suporte à tabela MACSAD, para criar uma base de encaminhamento completa usada no processo do LPM. A implementação do IPv4 adapta o atual algoritmo de lookup do ODP para trabalhar com o MACSAD. A implementação de lookup IPv6, atualmente não suportada pelo ODP, é uma extensão do suporte IPv4 que é desenvolvido usando o mesmo algoritmo adaptado a uma chave de 128 bits. A pesquisa IPv4 e IPv6 usa uma base de árvore binária para executar o lookup do LPM. Para a avaliação de desempenho do suporte ao LPM, utilizamos uma ferramenta geradora de tráfego Network Function Performance Analyzer~(NFPA) que permite gerar diferentes tipos de tráfego no MACSAD. Cabe ainda destacar, como uma contribuição lateral deste trabalho, o desenvolvimento da ferramenta geradora de pacote BB-Gen, já com lançamento open source. Resultados experimentais mostram que é possível atingir um throughput de 10G com tamanhos de pacotes de 512 bytes ou superioresAbstract: New trends in dataplane programmability inside Software Defined Networking~(SDN) are in efforts to bring multi-platform support with a high definition of the information that is processed by the dataplane pipeline. However, some challenges are still present, as the necessity of a programmable dataplane or a protocol independent programming abstraction. The Programming Protocol-Independent Packet Processors~(P4) Domain Specific Language (DSL) is an emerging trend to express how the packets are processed by the dataplane of a programmable network platform. In parallel, OpenDataPlane~(ODP) project creates an open-source, cross-platform set of Application Programming Interfaces~(APIs) designed for the networking data plane. Multi-Architecture Compiler System for Abstract Dataplanes~(MACSAD) is an approach to converge P4 and ODP in a conventional compilation process, achieving portability of the dataplane applications without affecting the target performance improvements. MACSAD can integrate the ODP API and the P4, bringing them together and defining a programmable dataplane across multiple targets in a unified compiler system. This work aims at adding IPv4/IPv6 Longest Prefix Match~(LPM) support to MACSAD integrated with ODP APIs and P4 programmability delivering high-performance dataplane capabilities. The proposed LPM support for MACSAD combines the lookup algorithm and the ODP API library with MACSAD table support, to create a complete forwarding base used in the LPM process. The IPv4 implementation adapts the current ODP lookup algorithm to work with MACSAD. IPv6 lookup implementation, currently not supported by ODP, is an extension of the IPv4 support, developed using the same algorithm adapted to a 128-bit key. IPv4 and IPv6 lookup use a binary tree base, to perform the LPM lookup. For the performance evaluation of the LPM support, we use a traffic generator tool Network Function Performance Analyzer~(NFPA) that allows generating different types of traffic across MACSAD. A side contribution on this front we developed and released open source the BB-Gen packet crafter tool. Experimental results show that it is possible to reach a throughput of 10G with packets sizes of 512 Bytes and aboveMestradoEngenharia de ComputaçãoMestre em Engenharia Elétric

Projeto, implementaçâo e avaliação de um gateway de rede de banda larga usando um processador de pacote programável

Orientador: Christian Rodolfo Esteve RothenbergDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: BNG, também conhecido como BRAS desempenha um papel crucial na Internet atual, ele maneja a maioria do tráfego da rede de acesso, implementando políticas e serviços que um Internet Service Provider (ISP) define por assinante. Porém, este dispositivo de rede é caro, proprietário, limitado e de lenta atualização, virando um ponto de falha para implantar novas funcionalidades e corrigir problemas na rede sem interromper a operação normal do serviço. Este trabalho pretende projetar, implementar e evaluar um BNG S/W switch flexível e otimizado usando a linguagem P4, aproveitando seus recursos para descrever o processamento de pacotes com programação de plano de dados agnóstica ao alvo que é vantajoso ao fornecer aos desenvolvedores (por exemplo, operadores de rede) uma alternativa aos esquemas de manipulação de pacotes. Nos propomos usar o compilador MACSAD que junta a abstração de P4 e APIs de OpenDataPlane (ODP) para suportar aplicativos de rede baseados em Linux com alto desempenho em varias arquiteturas (ARM, Intel, MIPS e PowerPC). A versão atual do MACSAD dá suporte para a versão anterior da linguagem P4 (P4 _14). Portanto, parte deste trabalho é dar suporte ao compilador MACSAD para o versão atual (P4 _16) no qual é construído o plano de dados de BNG. Além disso, foi feita uma avaliação funcional e de desempenho do BNG S/W switch em um cenário realista e usando dois geradores de tráfego Open Source em H/W e S/W. Os resultados mostram o impacto dos parâmetros do dispositivo alvo, tais como o número de núcleos, tamanhos de burst, pacotes de E/S e cargas de trabalho que afetam o desempenho em termos de taxa de transferência e latência fornecendo os melhores parametros de configuração para nossa implementaçãoAbstract: Broadband Network Gateway (BNG), also known as Broadband Remote Access Server (BRAS) plays a crucial role in today¿s internet, as it handles the majority of access network traffic, implementing network policies and services that a Internet Service Provider (ISP) defines per subscriber. However, this network device is normally expensive, proprietary, limited and slow to upgrade, and a point of failure when deploying new functionalities and correcing issues on the network without disrupting normal service operations. This work intends to design, implement and evaluate a flexible and optimized BNG Software (S/W) switch by using programming protocol-independent packet processors (P4) language, taking advantage of its features to describe the packet processing with target-agnostic data-plane programmability which is advantageous by providing to developers (i.e., network operators) an alternative to packet handling schemes. We propose to use the Multi-Architecture Compiler System for Abstract Dataplanes (MACSAD) compiler which merges the P4 abstraction and OpenDataPlane (ODP) APIs to support Linux-based network applications with high performance across some architectures (ARM, Intel, MIPS, and PowerPC). The actual version of MACSAD brings support for the previous release of the P4 language (P4_14). Therefore part of this work is to bring support to MACSAD for the current release (P4_16) on which the proposed BNG dataplane is built. We use functional and performance evaluation of the BNG S/W switch in a realistic scenario rs. The results show the impact of both target parameters such as the number of cores, burst sizes, packet IO, and workloads and how it affects the performance regarding throughput and latency bringing the best parameter configuration for our implementationMestradoEngenharia de ComputaçãoMestre em Engenharia Elétric

A Comprehensive Review on Time Sensitive Networks with a Special Focus on Its Applicability to Industrial Smart and Distributed Measurement Systems

The groundbreaking transformations triggered by the Industry 4.0 paradigm have dramati-cally reshaped the requirements for control and communication systems within the factory systems of the future. The aforementioned technological revolution strongly affects industrial smart and distributed measurement systems as well, pointing to ever more integrated and intelligent equipment devoted to derive accurate measurements. Moreover, as factory automation uses ever wider and complex smart distributed measurement systems, the well-known Internet of Things (IoT) paradigm finds its viability also in the industrial context, namely Industrial IoT (IIoT). In this context, communication networks and protocols play a key role, directly impacting on the measurement accuracy, causality, reliability and safety. The requirements coming both from Industry 4.0 and the IIoT, such as the coexistence of time-sensitive and best effort traffic, the need for enhanced horizontal and vertical integration, and interoperability between Information Technology (IT) and Operational Technology (OT), fostered the development of enhanced communication subsystems. Indeed, established tech-nologies, such as Ethernet and Wi-Fi, widespread in the consumer and office fields, are intrinsically non-deterministic and unable to support critical traffic. In the last years, the IEEE 802.1 Working Group defined an extensive set of standards, comprehensively known as Time Sensitive Networking (TSN), aiming at reshaping the Ethernet standard to support for time-, mission-and safety-critical traffic. In this paper, a comprehensive overview of the TSN Working Group standardization activity is provided, while contextualizing TSN within the complex existing industrial technological panorama, particularly focusing on industrial distributed measurement systems. In particular, this paper has to be considered a technical review of the most important features of TSN, while underlining its applicability to the measurement field. Furthermore, the adoption of TSN within the Wi-Fi technology is addressed in the last part of the survey, since wireless communication represents an appealing opportunity in the industrial measurement context. In this respect, a test case is presented, to point out the need for wirelessly connected sensors networks. In particular, by reviewing some literature contributions it has been possible to show how wireless technologies offer the flexibility necessary to support advanced mobile IIoT applications

MACSAD: Sistema de Compilador Multi-Arquitetura para Planos de Dados Abstratos

Orientador: Christian Rodolfo Esteve RothenbergTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: Redes Definidas por Software (Software-Defined Networking - SDN) almejam um plano de dados programável, além de planos de controle e aplicação flexíveis e escaláveis. Apesar de ter recebido menor atenção quando comparado aos aspectos dos planos de controle e aplicação, o plano de dados concerne uma peça chave nos enigmas de SDN. Nós contemplamos um plano de dados flexível apresentando as características, nomeadas, Programabilidade, Portabilidade, Desempenho e Escalabilidade (Programmability, Portability, Performance, and Scalability - 3PS) como diferentes aspectos de flexibilidade. Enquanto os aspectos de Programabilidade e Portabilidade focam na arquitetura e projeto do plano de dados, Desempenho e Escalabilidade aparecem durante a avaliação do mesmo. Estendemos o foco da evolução do plano de dados de Programabilidade da escola de pensamento SDN para incluir Portabilidade como aspecto de flexibilidade. O plano de dados programável confirma a natureza independente do protocolo, enquanto a Portabilidade atende aos requisitos de arquitetura múltipla do projeto do plano de dados. A linguagem P4, uma nova entrante, sendo uma linguagem de programação de alto nível independente do protocolo e independente do alvo, é capaz de levar a evolução do plano de dados ao próximo nível, desbloqueando as facetas desejadas da flexibilidade do plano de dados. Para trazer esse nível necessário de flexibilidade para um plano de dados, é necessário um sistema de compilador com várias arquiteturas que possa compilar um programa P4 em conformidade com o protocolo e a natureza de independência de destino de P4; No entanto, essa solução de sistema de compilador unificado é o que nos falta. A principal contribuição desta tese, a proposta do Sistema de Compiladores de Arquitetura Múltipla para Planos de Dados (Multi-Architecture Compiler System for Abstract Dataplanes - MACSAD), é um esforço para preencher a lacuna estendendo a abordagem Top-Down de P4 em direção à programabilidade com a abordagem Bottom-Up do OpenDataPlane (ODP) em direção à independência de destino com suas APIs de baixo nível, mas de plataforma cruzada (HW & SW). Reforçamos as contribuições desta tese incluindo aspectos de Desempenho e Escalabilidade da flexibilidade também como parte de nossa avaliação do MACSAD em múltiplos cenários realistasAbstract: Software-Defined Networking (SDN) strives for programmable data plane, yet flexible and scalable control and application planes. Despite having received less attention compared to control and application aspects of SDN, data planes are a critical piece of the SDN puzzle. We envision a flexible data plane showing characteristics, namely, Programmability, Portability, Performance, and Scalability (3PS) as different aspects of flexibility. While Programmability & Portability aspects focus on the architecture and design of the data plane, Performance & Scalability appears during the evaluation of it. We extend the focus of data plane evolution from Programmability from SDN school of thought to include Portability aspect of flexibility. Programmable data plane confirms to protocol-independent nature, whereas Portability addresses multi-architecture requirements of data plane design. P4 language, a new entrant, being a protocol-independent and target-independent high-level programming language is capable to take data plane evolution to the next level by unlocking the desired facets of data plane flexibility. To bring this required level of flexibility to a data plane, a multi-architecture compiler system is necessary which can compile P4 program conforming to protocol & target independence nature of P4; However, such a unified compiler system solution is what we lack of. The main contribution of this thesis, the MACSAD proposal, is an effort to fill the gap by extending the Top-Down approach of P4 towards programmability with Bottom-Up approach of OpenDataPlane (ODP) towards target-independence with its low-level but cross-platform (HW & SW) APIs. We strengthen the contributions of this thesis by including Performance, and Scalability aspects of flexibility too as part of our evaluation of MACSAD in multiple realistic scenariosDoutoradoEngenharia de ComputaçãoDoutor em Engenharia Elétric

Systematic Approaches for Telemedicine and Data Coordination for COVID-19 in Baja California, Mexico

Conference proceedings info: ICICT 2023: 2023 The 6th International Conference on Information and Computer Technologies Raleigh, HI, United States, March 24-26, 2023 Pages 529-542We provide a model for systematic implementation of telemedicine within a large evaluation center for COVID-19 in the area of Baja California, Mexico. Our model is based on human-centric design factors and cross disciplinary collaborations for scalable data-driven enablement of smartphone, cellular, and video Teleconsul-tation technologies to link hospitals, clinics, and emergency medical services for point-of-care assessments of COVID testing, and for subsequent treatment and quar-antine decisions. A multidisciplinary team was rapidly created, in cooperation with different institutions, including: the Autonomous University of Baja California, the Ministry of Health, the Command, Communication and Computer Control Center of the Ministry of the State of Baja California (C4), Colleges of Medicine, and the College of Psychologists. Our objective is to provide information to the public and to evaluate COVID-19 in real time and to track, regional, municipal, and state-wide data in real time that informs supply chains and resource allocation with the anticipation of a surge in COVID-19 cases. RESUMEN Proporcionamos un modelo para la implementación sistemática de la telemedicina dentro de un gran centro de evaluación de COVID-19 en el área de Baja California, México. Nuestro modelo se basa en factores de diseño centrados en el ser humano y colaboraciones interdisciplinarias para la habilitación escalable basada en datos de tecnologías de teleconsulta de teléfonos inteligentes, celulares y video para vincular hospitales, clínicas y servicios médicos de emergencia para evaluaciones de COVID en el punto de atención. pruebas, y para el tratamiento posterior y decisiones de cuarentena. Rápidamente se creó un equipo multidisciplinario, en cooperación con diferentes instituciones, entre ellas: la Universidad Autónoma de Baja California, la Secretaría de Salud, el Centro de Comando, Comunicaciones y Control Informático. de la Secretaría del Estado de Baja California (C4), Facultades de Medicina y Colegio de Psicólogos. Nuestro objetivo es proporcionar información al público y evaluar COVID-19 en tiempo real y rastrear datos regionales, municipales y estatales en tiempo real que informan las cadenas de suministro y la asignación de recursos con la anticipación de un aumento de COVID-19. 19 casos.ICICT 2023: 2023 The 6th International Conference on Information and Computer Technologieshttps://doi.org/10.1007/978-981-99-3236-