Nagy teljesítményű hálózat monitorozó rendszer fejlesztése és optimalizációja

A hálózati forgalom gyors és effektív célba juttatása a XXI. századi számítástechnika egyik alapvető kihívása. Ahhoz, hogy ez lehetséges legyen, a szolgáltatóknak kézben kell tartaniuk a kommunikációs hálózataikat, ennek feltétele a diagnosztikai és biztonsági célú forgalmi monitorozás. A feladatot nehezíti, hogy a hálózatok sávszélessége rohamosan növekedett az elmúlt évtizedekben. Míg 1992-ben a teljes Internet forgalma 100GB-t tett ki naponta, 2016-ban másodpercenként 26600GB-t volt ez a forgalom.

A legtöbb monitorozási feladatot hardver-gyorsítás nélküli szoftveres rendszerek látják el. Bizonyos nagy teljesítményigényű feldolgozási feladatkatot azonban nem tudnak on-the-fly elvégezni ezek a rendszerek. Ezeknél a feladatoknál a hardveres gyorsítás, és kifejezetten az FPGA-k használata az egyik népszerű megoldás. Bár a rugalmas fejlesztési lehetőség mellettük szól, az FPGA alapú eszközök ára komoly szerepet játszik abban, hogy nem tudtak szélesebb körben elterjedni. Mindemellett komoly igény mutatkozik egy olyan monitorozási hardverre, ami az új technológiák felhasználásával árban és teljesítményben is fel tudná venni a versenyt a szoftver alapú megoldásokkal.

Ebben a dolgozatban részletes leírást adok arról, hogyan készítettem el a SGA 10-GEQ 40Gbps kapacitású, FPGA alapú csomagfeldolgozó PCIe (PCI express) kártyát. A dolgozat végigköveti a tervezési fázistól a kivitelezésen át a tesztelésig a kártya megvalósítását. A dolgozatomban bemutatom ennek a szerteágazó területnek a bevett megoldásait és a határait - a fejlesztői szemszögből.

A nagysebességű hálózatok monitorozása bővelkedik a kihívásokban; ezek hátterében a gyors reakcióidő, a komplex protokollok, és a széleskörű funkcionális elvárásai állnak.

A tervezés nem csak a kívánt funkciók elérést foglalja magában, hanem a design optimalizációját is. Elsősorban költség minimalizálására és gyártási technológia egyszerűségére optimalizáltam.

A kártya nyomtatott áramkörének terveit az Altium Designer CAD segítségével terveztem meg, teljesen tiszta lappal indulva. A bemutatott megoldás teljes mértékben a saját munkám, a funkcionális specifikációtól a tervezésen át a tesztelésig – természetesen szakértő kollégákkal konzultáltam a folyamat során. A dolgozatban ismertettem a megvalósítás legnagyobb kihívásait:

- 10 feszültség-szintű tápellátás: az FPGA és a nagy frekvenciás perifériák tápellátásának megtervezése összetett feladat;

- 10GHz-es adatátvitel a PCB-n: a jel-integritás biztosítása alapvető követelmény, ami ezen a frekvencián nagyon komoly kihívást jelent;

- DDR3 illesztése az FPGA-hoz: a DDR3 SDRAM interface elkészítése a nagy jelátviteli frekvencia és a 64 bites adatbusz szélesség miatt komoly tervezést igényel;

- Passzív alkatrészek kiválasztása, a megfelelő kondenzátorok kiválasztása és a hidegítő hálózatok optimalizálása.

A dolgozatban bemutatom a tesztelés menetét, az oszcilloszkópos méréseket, valamint a VHDL teszt core-okat (amikkel a nem mérhető funkciókat teszteltem), valamint a nagyfrekvenciás jelek nehézkes mérésének megoldását.

szerző

• 
  Nagy Balázs
  Villamosmérnöki szak, mesterképzés
  mesterképzés (MA/MSc)

konzulens

• 
  Dr. Varga Pál
  egyetemi docens, Távközlési és Médiainformatikai Tanszék

helyezés