SPIDER: Fault Resilient SDN Pipeline with Recovery Delay Guarantees

When dealing with node or link failures in Software Defined Networking (SDN), the network capability to establish an alternative path depends on controller reachability and on the round trip times (RTTs) between controller and involved switches. Moreover, current SDN data plane abstractions for failure detection (e.g. OpenFlow "Fast-failover") do not allow programmers to tweak switches' detection mechanism, thus leaving SDN operators still relying on proprietary management interfaces (when available) to achieve guaranteed detection and recovery delays. We propose SPIDER, an OpenFlow-like pipeline design that provides i) a detection mechanism based on switches' periodic link probing and ii) fast reroute of traffic flows even in case of distant failures, regardless of controller availability. SPIDER can be implemented using stateful data plane abstractions such as OpenState or Open vSwitch, and it offers guaranteed short (i.e. ms) failure detection and recovery delays, with a configurable trade off between overhead and failover responsiveness. We present here the SPIDER pipeline design, behavioral model, and analysis on flow tables' memory impact. We also implemented and experimentally validated SPIDER using OpenState (an OpenFlow 1.3 extension for stateful packet processing), showing numerical results on its performance in terms of recovery latency and packet losses.Comment: 8 page

RepFlow: Minimizing Flow Completion Times with Replicated Flows in Data Centers

Short TCP flows that are critical for many interactive applications in data centers are plagued by large flows and head-of-line blocking in switches. Hash-based load balancing schemes such as ECMP aggravate the matter and result in long-tailed flow completion times (FCT). Previous work on reducing FCT usually requires custom switch hardware and/or protocol changes. We propose RepFlow, a simple yet practically effective approach that replicates each short flow to reduce the completion times, without any change to switches or host kernels. With ECMP the original and replicated flows traverse distinct paths with different congestion levels, thereby reducing the probability of having long queueing delay. We develop a simple analytical model to demonstrate the potential improvement of RepFlow. Extensive NS-3 simulations and Mininet implementation show that RepFlow provides 50%--70% speedup in both mean and 99-th percentile FCT for all loads, and offers near-optimal FCT when used with DCTCP.Comment: To appear in IEEE INFOCOM 201

Fault-tolerant sub-lithographic design with rollback recovery

Shrinking feature sizes and energy levels coupled with high clock rates and decreasing node capacitance lead us into a regime where transient errors in logic cannot be ignored. Consequently, several recent studies have focused on feed-forward spatial redundancy techniques to combat these high transient fault rates. To complement these studies, we analyze fine-grained rollback techniques and show that they can offer lower spatial redundancy factors with no significant impact on system performance for fault rates up to one fault per device per ten million cycles of operation (Pf = 10^-7) in systems with 10^12 susceptible devices. Further, we concretely demonstrate these claims on nanowire-based programmable logic arrays. Despite expensive rollback buffers and general-purpose, conservative analysis, we show the area overhead factor of our technique is roughly an order of magnitude lower than a gate level feed-forward redundancy scheme

Design Considerations of a Sub-50 {\mu}W Receiver Front-end for Implantable Devices in MedRadio Band

Emerging health-monitor applications, such as information transmission through multi-channel neural implants, image and video communication from inside the body etc., calls for ultra-low active power (<50${\mu}$W) high data-rate, energy-scalable, highly energy-efficient (pJ/bit) radios. Previous literature has strongly focused on low average power duty-cycled radios or low power but low-date radios. In this paper, we investigate power performance trade-off of each front-end component in a conventional radio including active matching, down-conversion and RF/IF amplification and prioritize them based on highest performance/energy metric. The analysis reveals 50${\Omega}$ active matching and RF gain is prohibitive for 50${\mu}$W power-budget. A mixer-first architecture with an N-path mixer and a self-biased inverter based baseband LNA, designed in TSMC 65nm technology show that sub 50${\mu}$W performance can be achieved up to 10Mbps (< 5pJ/b) with OOK modulation.Comment: Accepted to appear on International Conference on VLSI Design 2018 (VLSID

Control techniques for thermal-aware energy-efficient real time multiprocessor scheduling

La utilización de microprocesadores multinúcleo no sólo es atractiva para la industria sino que en muchos ámbitos es la única opción. La planificación tiempo real sobre estas plataformas es mucho más compleja que sobre monoprocesadores y en general empeoran el problema de sobre-diseño, llevando a la utilización de muchos más procesadores /núcleos de los necesarios. Se han propuesto algoritmos basados en planificación fluida que optimizan la utilización de los procesadores, pero hasta el momento presentan en general inconvenientes que los alejan de su aplicación práctica, no siendo el menor el elevado número de cambios de contexto y migraciones.Esta tesis parte de la hipótesis de que es posible diseñar algoritmos basados en planificación fluida, que optimizan la utilización de los procesadores, cumpliendo restricciones temporales, térmicas y energéticas, con un bajo número de cambios de contexto y migraciones, y compatibles tanto con la generación fuera de línea de ejecutivos cíclicos atractivos para la industria, como de planificadores que integran técnicas de control en tiempo de ejecución que permiten la gestión eficiente tanto de tareas aperiódicas como de desviaciones paramétricas o pequeñas perturbaciones.A este respecto, esta tesis contribuye con varias soluciones. En primer lugar, mejora una metodología de modelo que representa todas las dimensiones del problema bajo un único formalismo (Redes de Petri Continuas Temporizadas). En segundo lugar, propone un método de generación de un ejecutivo cíclico, calculado en ciclos de procesador, para un conjunto de tareas tiempo real duro sobre multiprocesadores que optimiza la utilización de los núcleos de procesamiento respetando también restricciones térmicas y de energía, sobre la base de una planificación fluida. Considerar la sobrecarga derivada del número de cambios de contexto y migraciones en un ejecutivo cíclico plantea un dilema de causalidad: el número de cambios de contexto (y en consecuencia su sobrecarga) no se conoce hasta generar el ejecutivo cíclico, pero dicho número no se puede minimizar hasta que se ha calculado. La tesis propone una solución a este dilema mediante un método iterativo de convergencia demostrada que logra minimizar la sobrecarga mencionada.En definitiva, la tesis consigue explotar la idea de planificación fluida para maximizar la utilización (donde maximizar la utilización es un gran problema en la industria) generando un sencillo ejecutivo cíclico de mínima sobrecarga (ya que la sobrecarga implica un gran problema de los planificadores basados en planificación fluida).Finalmente, se propone un método para utilizar las referencias de la planificación fuera de línea establecida en el ejecutivo cíclico para su seguimiento por parte de un controlador de frecuencia en línea, de modo que se pueden afrontar pequeñas perturbaciones y variaciones paramétricas, integrando la gestión de tareas aperiódicas (tiempo real blando) mientras se asegura la integridad de la ejecución del conjunto de tiempo real duro.Estas aportaciones constituyen una novedad en el campo, refrendada por las publicaciones derivadas de este trabajo de tesis.<br /