Ανάπτυξη και βελτιστοποίηση ανοικτών συστημάτων δικτυακών επεξεργαστών για την παροχή εξελιγμένων υπηρεσιών δικτύου

Abstract

The scope of the thesis is to present the development of network processor based systems that can be used to provide advanced network services. The proposed architectures have been developed during the research effort and have been conducted both in Hardware & Software. The systems are based on the Freescale (Motorola) MPC82xx microprocessors family and the Linux operating system. The proposed systems present great network capabilities as far as their performance is concerned, they can be easily expandable while the open source SW they are based on, allows them to easily incorporate new technologies. Their functionality and scalability allows to be able to satisfy the demanding needs of a core network while they can also be applied to simpler components as residential or SOHO gateways. More specifically, the thesis presents a compact PCI VoIP card that was developed under the NETGATE research program and which provides advanced gateway functionality in order to bridge TDM & IP telephony. The complete architecture design is explained in detail while the network interface design and networking performance is depicted. Moreover, the design of a small residential GW based on the same processor family is presented as well as the evaluation of their networking performance. The thesis presents the benefits of the proposed architectures as far as their cost & performance is concerned in comparison to the closed architecture systems dominating the telecommunications market. The thesis also analyzes the routing performance improvement of an embedded communications processor by endorsing advanced interrupt handling techniques. Even though these techniques are well known and are popular on a variety of networking hardware, their combination is not so often used. Moreover, their performance evaluation is poorly analyzed and documented. Even though the analysis is based on an embedded Linux system, these techniques are not hardware specific, and can be applied to a wide variety of networking systems.

Αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη αρχιτεκτονικών ανοικτών συστημάτων δικτυακών επεξεργαστών για την παροχή εξελιγμένων υπηρεσιών. Οι προτεινόμενες αρχιτεκτονικές αναπτύχθηκαν κατά τη διάρκεια της ερευνητικής προσπάθειας τόσο σε επίπεδο υλικού όσο και λογισμικού. Βασίζονται στη σειρά δικτυακών επεξεργαστών MPC82xx και στο λειτουργικό σύστημα Linux. Οι προτεινόμενες αρχιτεκτονικές παρουσιάζουν μεγάλες δικτυακές ικανότητες, μπορούν να είναι επεκτάσιμες ενώ με κατάλληλες αλλαγές στον κώδικα του λειτουργικού μπορούν να ενσωματώσουν εύκολα νέες τεχνολογίες. Οι αρχιτεκτονικές βρίσκουν εφαρμογή τόσο σε επίπεδο δικτύων κορμού όσο και σε επίπεδο συστημάτων πρόσβασης. Συγκεκριμένα παρουσιάζεται αρχικά η αρχιτεκτονική, η οποία σχεδιάστηκε στα πλαίσια του ερευνητικού προγράμματος NETGATE, και η οποία μπορεί να υλοποιήσει τεχνολογίες VoIP για παροχή υπηρεσιών φωνής ενώ περιγράφεται με λεπτομέρεια η ανάπτυξη των επιμέρους δικτυακών διεπαφών αλλά και η αξιολόγηση της απόδοσης τους. Επιπλέον παρουσιάζεται αρχιτεκτονική βασισμένη στην ίδια σειρά επεξεργαστών που προορίζεται για εφαρμογές Residential & SOHO gateways. Αναλύονται επιπλέον τα δικά της δικτυακά interfaces και αναλύεται η απόδοση τους. Και στις δυο περιπτώσεις των προτεινόμενων αρχιτεκτονικών αναπτύσσεται η επιχειρηματολογία των εν λόγω αρχιτεκτονικών σε σχέση με τις αντίστοιχες κλειστές αρχιτεκτονικές. Με βάση τις ικανότητες τους και το μειωμένο κόστος συντήρησης & λειτουργίας μπορούν να προσφέρουν εναλλακτική λύση στα κλειστά συστήματα τα οποία και κυριαρχούν στην αγορά. Η διατριβή επίσης προτείνει ευέλικτες τεχνικές διαχείρισης των σημάτων διακοπών προς τον επεξεργαστή. Οι προτεινόμενες αλλαγές είναι ανεξάρτητες της αρχιτεκτονικής του συστήματος και εφαρμόζονται για πρώτη φορά συνδυαστικά και πολλαπλασιάζουν τη δυνατότητα δικτυακής δρομολόγησης του συστήματος.