PEARL: a programmable virtual router platform

International audienceProgrammable routers supporting virtualization are a key building block for bridging the gap between new Internet protocols and their deployment in real operational networks. This article presents the design and implementation of PEARL, a programmable virtual router platform with relatively high performance. It offers high flexibility by allowing users to control the configuration of both hardware and software data paths. The platform makes use of fast lookup in hardware and software exceptions in commodity multicore CPUs to achieve highspeed packet processing. Multiple isolated packet streams and virtualization techniques ensure isolation among virtual router instances

Models, Algorithms, and Architectures for Scalable Packet Classification

The growth and diversification of the Internet imposes increasing demands on the performance and functionality of network infrastructure. Routers, the devices responsible for the switch-ing and directing of traffic in the Internet, are being called upon to not only handle increased volumes of traffic at higher speeds, but also impose tighter security policies and provide support for a richer set of network services. This dissertation addresses the searching tasks performed by Internet routers in order to forward packets and apply network services to packets belonging to defined traffic flows. As these searching tasks must be performed for each packet traversing the router, the speed and scalability of the solutions to the route lookup and packet classification problems largely determine the realizable performance of the router, and hence the Internet as a whole. Despite the energetic attention of the academic and corporate research communities, there remains a need for search engines that scale to support faster communication links, larger route tables and filter sets and increasingly complex filters. The major contributions of this work include the design and analysis of a scalable hardware implementation of a Longest Prefix Matching (LPM) search engine for route lookup, a survey and taxonomy of packet classification techniques, a thorough analysis of packet classification filter sets, the design and analysis of a suite of performance evaluation tools for packet classification algorithms and devices, and a new packet classification algorithm that scales to support high-speed links and large filter sets classifying on additional packet fields

Mémoires associatives algorithmiques pou l'opération de recherche du plus long préfixe sur FPGA

RÉSUMÉ Les réseaux prédiffusés programmables — en anglais Field Programmable Gate Arrays (FPGAs)— sont omniprésents dans les centres de données, pour accélérer des tâches d’indexations et d’apprentissage machine, mais aussi plus récemment, pour accélérer des opérations réseaux. Dans cette thèse, nous nous intéressons à l’opération de recherche du plus long préfixe en anglais Longest Prefix Match (LPM) — sur FPGA. Cette opération est utilisée soit pour router des paquets, soit comme un bloc de base dans un plan de données programmable. Bien que l’opération LPM soit primordiale dans un réseau, celle-ci souffre d’inefficacité sur FPGA. Dans cette thèse, nous démontrons que la performance de l’opération LPM sur FPGA peut être substantiellement améliorée en utilisant une approche algorithmique, où l’opération LPM est implémentée à l’aide d’une structure de données. Par ailleurs, les résultats présentés permettent de réfléchir à une question plus large : est-ce que l’architecture des FPGA devrait être spécialisée pour les applications réseaux ? Premièrement, pour l’application de routage IPv6 dans le réseau Internet, nous présentons SHIP. Cette solution exploite les caractéristiques des préfixes pour construire une structure de données compacte, pouvant être implémentée de manière efficace sur FPGA. SHIP utilise l’approche ńdiviser pour régnerż pour séparer les préfixes en groupes de faible cardinalité et ayant des caractéristiques similaires. Les préfixes contenus dans chaque groupe sont en-suite encodés dans une structure de données hybride, où l’encodage des préfixes est adapté suivant leurs caractéristiques. Sur FPGA, SHIP augmente l’efficacité de l’opération LPM comparativement à l’état de l’art, tout en supportant un débit supérieur à 100 Gb/s. Deuxièment, nous présentons comment implémenter efficacement l’opération LPM pour un plan de données programmable sur FPGA. Dans ce cas, contrairement au routage de pa-quets, aucune connaissance à priori des préfixes ne peut être utilisée. Par conséquent, nous présentons un cadre de travail comprenant une structure de données efficace, indépendam-ment des caractéristiques des préfixes contenus, et des méthodes permettant d’implémenter efficacement la structure de données sur FPGA. Un arbre B, étendu pour l’opération LPM, est utilisé en raison de sa faible complexité algorithmique. Nous présentons une méthode pour allouer à la compilation le minimum de ressources requis par l’abre B pour encoder un ensemble de préfixes, indépendamment de leurs caractéristiques. Plusieurs méthodes sont ensuite présentées pour augmenter l’efficacité mémoire après implémentation de la structure de données sur FPGA. Évaluée sur plusieurs scénarios, cette solution est capable de traiter plus de 100 Gb/s, tout en améliorant la performance par rapport à l’état de l’art.----------ABSTRACT FPGAs are becoming ubiquitous in data centers. First introduced to accelerate indexing services and machine learning tasks, FPGAs are now also used to accelerate networking operations, including the LPM operation. This operation is used for packet routing and as a building block in programmable data planes. However, for the two uses cases considered, the LPM operation is inefficiently implemented in FPGAs. In this thesis, we demonstrate that the performance of LPM operation can be significantly improved using an algorithmic approach, where the LPM operation is implemented using a data structure. In addition, using the results presented in this thesis, we can answer a broader question: Should the FPGA architecture be specialized for networking? First, we present the SHIP data structure that is tailored to routing IPv6 packets in the Internet network. SHIP exploits the prefix characteristics to build a compact data structure that can be efficiently mapped to FPGAs. First, SHIP uses a "divide and conquer" approach to bin prefixes in groups with a small cardinality and sharing similar characteristics. Second, a hybrid-trie-tree data structure is used to encode the prefixes held in each group. The hybrid data structure adapts the prefix encoding method to their characteristics. Then, we demonstrated that SHIP can be efficiently implemented in FPGAs. Implemented on FPGAs, the proposed solution improves the memory efficiency over the state of the art solutions, while supporting a packet throughput greater than 100 Gbps.While the prefixes and their characteristics are known when routing packets in the Internet network, this is not true for programmable data planes. Hence, the second solution, designed for programmable data planes, does not exploit any prior knowledge of the prefix stored. We present a framework comprising an efficient data structure to encode the prefixes and methods to map the data structure efficiently to FPGAs. First, the framework leverages a B-tree, extended to support the LPM operation, for its low algorithmic complexity. Second, we present a method to allocate at compile time the minimum amount of resources that can be used by the B-tree. Third, our framework selects the B-tree parameters to increase the post-implementation memory efficiency and generates the corresponding hardware architecture. Implemented on FPGAs, this solution supports packet throughput greater than 100 Gbps, while improving the performance over the state of the art

A Scalable High-Performance Memory-Less IP Address Lookup Engine Suitable for FPGA Implementation

RÉSUMÉ La recherche d'adresse IP est une opération très importante pour les routeurs Internet modernes. De nombreuses approches dans la littérature ont été proposées pour réaliser des moteurs de recherche d'adresse IP (Address Lookup Engine – ALE), à haute performance. Les ALE existants peuvent être classés dans l’une ou l’autre de trois catégories basées sur: les mémoires ternaires adressables par le contenu (TCAM), les Trie et les émulations de TCAM. Les approches qui se basent sur des TCAM sont coûteuses et elles consomment beaucoup d'énergie. Les techniques qui exploitent les Trie ont une latence non déterministe qui nécessitent généralement des accès à une mémoire externe. Les techniques qui exploitent des émulations de TCAM combinent généralement des TCAM avec des circuits à faible coût. Dans ce mémoire, l'objectif principal est de proposer une architecture d'ALE qui permet la recherche rapide d’adresses IP et qui apporte une solution aux principales lacunes des techniques basées sur des TCAM et sur des Trie. Atteindre une vitesse de traitement suffisante dans l'ALE est un aspect important. Des accélérateurs matériels ont été adoptés pour obtenir une le résultat de recherche à haute vitesse. Le FPGA permettent la mise en œuvre d’accélérateurs matériels reconfigurables spécialisés. Cinq architectures d’ALE de type émulation de TCAM sont proposés dans ce mémoire : une sérielle, une parallèle, une architecture dite IP-Split, une variante appelée IP-Split-Bucket et une version de l’IP-Split-Bucket qui supporte les mises à jours. Chaque architecture est construite à partir de l’architecture précédente de manière progressive dans le but d’en améliorer les performances. L'architecture sérielle utilise des mémoires pour stocker la table d’adresses de transmission et un comparateur pour effectuer une recherche sérielle sur les entrées. L'architecture parallèle stocke les entrées de la table dans les ressources logiques d’un FPGA, et elle emploie une recherche parallèle en utilisant N comparateurs pour une table avec N entrées. L’architecture IP-Split emploie un niveau de décodeurs pour éviter des comparaisons répétitives dans les entrées équivalentes de la table. L'architecture IP-Split-Bucket est une version améliorée de l'architecture précédente qui utilise une méthode de partitionnement visant à optimiser l'architecture IP-Split. L’IP-Split-Bucket qui supporte les mises à jour est la dernière architecture proposée. Elle soutient la mise à jour et la recherche à haute vitesse d'adresses IP. Les résultats d’implémentations montrent que l'architecture d’ALE qui offre les meilleures performances est l’IP-Split-Bucket, qui n’a pas recours à une ou plusieurs mémoires. Pour une table d’adresses de transmission IPv4 réelle comportant 524 k préfixes, l'architecture IP-Split-Bucket atteint un débit de 103,4 M paquets par seconde et elle consomme respectivement 23% et 22% des tables de conversion (LUTs) et des bascules (FFs) sur une puce Xilinx XC7V2000T.----------ABSTRACT High-performance IP address lookup is highly demanded for modern Internet routers. Many approaches in the literature describe a special purpose Address Lookup Engines (ALE), for IP address lookup. The existing ALEs can be categorised into the following techniques: Ternary Content Addressable Memories-based (TCAM-based), trie-based and TCAM-emulation. TCAM-based techniques are expensive and consume a lot of power, since they employ TCAMs in their architecture. Trie-based techniques have nondeterministic latency and external memory accesses, since they store the Forwarding Information Base (FIB) in the memory using a trie data structure. TCAM-emulation techniques commonly combine TCAMs with lower-cost circuits that handle less time-critical activities. In this thesis, the main objective is to propose an ALE architecture with fast search that addresses the main shortcomings of TCAM-based and trie-based techniques. Achieving an admissible throughput in the proposed ALE is its fundamental requirement due to the recent improvements of network systems and growth of Internet of Things (IoTs). For that matter, hardware accelerators have been adopted to achieve a high speed search. In this work, Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) are specialized reconfigurable hardware accelerators chosen as the target platform for the ALE architecture. Five TCAM-emulation ALE architectures are proposed in this thesis: the Full-Serial, the Full-Parallel, the IP-Split, the IP-Split-Bucket and the Update-enabled IP-Split-Bucket architectures. Each architecture builds on the previous one with progressive improvements. The Full-Serial architecture employs memories to store the FIB and one comparator to perform a serial search on the FIB entries. The Full-Parallel architecture stores the FIB entries into the logical resources of the FPGA and employs a parallel search using one comparator for each FIB entry. The IP-Split architecture employs a level of decoders to avoid repetitive comparisons in the equivalent entries of the FIB. The IP-Split-Bucket architecture is an upgraded version of the previous architecture using a partitioning scheme aiming to optimize the IP-Split architecture. Finally, the Update-enabled IP-Split-Bucket supports high-update rate IP address lookup. The most efficient proposed architecture is the IP-Split-Bucket, which is a novel high-performance memory-less ALE. For a real-world FIB with 524 k IPv4 prefixes, IP-Split-Bucket achieves a throughput of 103.4M packets per second and consumes respectively 23% and 22% of the Look Up Tables (LUTs) and Flip-Flops (FFs) of a Xilinx XC7V2000T chip

Segment Routing: a Comprehensive Survey of Research Activities, Standardization Efforts and Implementation Results

Fixed and mobile telecom operators, enterprise network operators and cloud providers strive to face the challenging demands coming from the evolution of IP networks (e.g. huge bandwidth requirements, integration of billions of devices and millions of services in the cloud). Proposed in the early 2010s, Segment Routing (SR) architecture helps face these challenging demands, and it is currently being adopted and deployed. SR architecture is based on the concept of source routing and has interesting scalability properties, as it dramatically reduces the amount of state information to be configured in the core nodes to support complex services. SR architecture was first implemented with the MPLS dataplane and then, quite recently, with the IPv6 dataplane (SRv6). IPv6 SR architecture (SRv6) has been extended from the simple steering of packets across nodes to a general network programming approach, making it very suitable for use cases such as Service Function Chaining and Network Function Virtualization. In this paper we present a tutorial and a comprehensive survey on SR technology, analyzing standardization efforts, patents, research activities and implementation results. We start with an introduction on the motivations for Segment Routing and an overview of its evolution and standardization. Then, we provide a tutorial on Segment Routing technology, with a focus on the novel SRv6 solution. We discuss the standardization efforts and the patents providing details on the most important documents and mentioning other ongoing activities. We then thoroughly analyze research activities according to a taxonomy. We have identified 8 main categories during our analysis of the current state of play: Monitoring, Traffic Engineering, Failure Recovery, Centrally Controlled Architectures, Path Encoding, Network Programming, Performance Evaluation and Miscellaneous...Comment: SUBMITTED TO IEEE COMMUNICATIONS SURVEYS & TUTORIAL

HP4 High-Performance Programmable Packet Parser

Now, header parsing is the main topic in the modern network systems to support many operations such as packet processing and security functions. The header parser design has a significant effect on the network devices' performances (latency, throughput, and resource utilization). However, the header parser design suffers from a lot number of difficulties, such as the incrementing in network throughput and a variety of protocols. Therefore, the programmable hardware packet parsing is the best solution to meet the dynamic reconfiguration and speed needs. Field Programmable Gate Array (FPGA) is an appropriate device for programmable high-speed packet implementation. This paper introduces a novel FPGA High-Performance Programmable Packet Parser architecture (HP4). HP4 automatically generated by the P4 (Programming protocol-independent Packet Processors) to optimize the speed, dynamic reconfiguration, and resource consumption. The HP4 shows a pipelined packet parser dynamic reconfiguration and low latency. In addition to high throughput (over 600 Gb/s), HP4 resource utilization is less than 7.5 percent of Virtex-7 870HT, and latency is about 88 ns. HP4 can use in a high-speed dynamic packet switch and network security