Descripcion y Objetivos

La red de interconexión es un elemento clave en los supercomputadores y centros de proceso de datos (Datacenters) de grandes empresas e instituciones, como Google, Facebook, Twitter, Amazon, Telefónica o Mercadona. En estos sistemas, la red interconecta miles de nodos de procesamiento y almacenamiento por medio de la interfaz de red (NICs) y de los conmutadores (switches), y debe garantizar unas altas prestaciones en la comunicación entre los nodos para no ser el cuello de botella del sistema completo. Por ello, el diseño adecuado de la red de interconexión es crucial para el buen funcionamiento global del sistema. Entre los grandes retos en el diseño de red destacan la definición de su topología y algoritmos de encaminamiento, las estrategias para el control de la congestión del tráfico, el control del consumo de la red o el diseño de la arquitectura de los dispositivos de la red (NICs y switches).

Este TFM es la continuación del TFG iniciado por el alumno, que consistió en la simulación de un switch, programado mediante el lenguaje HDL Verilog en el entorno NetFPGA. El objetivo de este TFM es la construcción de un prototipo básico de una red de interconexión de altas prestaciones, mediante el uso de tarjetas FPGA, donde se modelará el comportamiento básico de las NICs y de los switches previamente programados en Verilog. Para ello se utilizarán FPGAs de tipo NetFPGA.

NetFPGA es una tarjeta PCIe consistente en una serie de dispositivos de memoria, puertos de E/S, etc., de los cuales el más característico es una FPGA de la marca Xilinx. En nuestro caso, se implementará un switch de 8 puertos utilizando dos NetFPGAs diferentes, cada una de las cuales dispone de cuatro puertos. Además, se implementarán tres NICs en otras tres NetFPGAs. De esta manera, se conformará el prototipo que permitirá el envío de tráfico entre las tres NICs conectadas mediante el switch. Será necesario igualmente utilizar un generador de tráfico de comunicaciones en las NICs.

 

Metodología y Competencias

Para alcanzar los objetivos del TFM, las actividades principales a realizar son las siguientes. Se indica también el tiempo estimado de realización en meses, asumiendo una dedicación total de 225 horas (180 horas de trabajo autónomo y 45 horas de relación con los tutores) a lo largo de 4 meses, y una dedicación de 56,25 horas/mes:

1. Construir el prototipo de la red de interconexión, formado por 3 NICs conectadas a un switch de 8 puertos, utilizando 5 tarjetas NetFPGA (1 mes).
2. Modelar patrones de comunicación entre las NICs y evaluar las prestaciones del prototipo (2 meses). 
3. Documentar los resultados (1 mes).

Competencias de la asignatura:

CE1 - Capacidad para la integración de tecnologías, aplicaciones, servicios y sistemas propios de la Ingeniería Informática, con carácter generalista, y en contextos más amplios y multidisciplinares.

CE4 - Capacidad para modelar, diseñar, definir la arquitectura, implantar, gestionar, operar, administrar y mantener aplicaciones, redes, sistemas, servicios y contenidos informáticos.

CE5 - Capacidad de comprender y saber aplicar el funcionamiento y organización de Internet, las tecnologías y protocolos de redes de nueva generación, los modelos de componentes, software intermediario y servicios.

CE9 - Capacidad para diseñar y evaluar sistemas operativos y servidores, y aplicaciones y sistemas basados en computación distribuida.

CE16 - Realización, presentación y defensa, una vez obtenidos todos los créditos del plan de estudios, de un ejercicio original realizado individualmente ante un tribunal universitario, consistente en un proyecto integral de Ingeniería en Informática de naturaleza profesional en el que se sinteticen las competencias adquiridas en las enseñanzas.

 

Medios a utilizar

Los medios a utilizar para el desarrollo del TFM son los siguientes:

• 5 NetFPGA SUME conectadas a dos ordenadores tipo PC, instalados con SO Linux (disponibles en el grupo RAAP del I3A).
• Código fuente de los modelos ofrecidos por la plataforma NetFPGA.
• Ordenador tipo PC.

 

Bibliografía

La bibliografía básica para el desarrollo del TFM es la siguiente:

• Jose Duato, Sudhakar Yalamanchili, and Ni Lionel. 2002. Interconnection Networks: An Engineering Approach. Morgan Kaufmann Publishers Inc., San Francisco, CA, USA.
• Stuart Sutherland, Simon Davidmann, and Peter Flake. 2010. SystemVerilog for Design: A Guide to Using SystemVerilog for Hardware Design and Modeling (2nd. ed.). Springer Publishing Company, Incorporated.
• https://github.com/NetFPGA/NetFPGA-SUME-public/wiki/NetFPGA-SUME-Reference-Learning-Switch

Toda la bibliografía está disponible.