Fully Programming the Data Plane: A Hardware/Software Approach

ment que c'est une personne dont tout le monde a besoin dans sa vie.Pierre a été un directeur exceptionnel, patient et calme, mais qui a su me motiver lorsque cela était nécessaire.Son optimisme est contiagieux!Ses remarques positives et bienveillantes m'ont toujours motivé et m'ont permis de me sentir bien même dans les moments où j'étais « down ».Merci Pierre!Deuxièmement, je veux exprimer toute ma gratitude à mon codirecteur FRB, avec qui je m'estime chanceux d'avoir eu l'opportunuité de travailler.Je pense sincèrement qu'il est très fort techniquement, du matériel au logiciel.Par ailleurs, nos discussions portant sur le langage C++ et le « clean code »vont me manquer.J'aimerais aussi remercier l'ensemble des professeurs et du personnel de Polytechnique avec qui j'ai eu l'honneur de travailler, notamment Yvon Savaria et Normand Bélanger.I'd like to thank my labmates.A few have already left us, but you still remain in my thoughts.Merci Ahmed, Bachir, Imad.Les mots me manquent pour remercier Thomas et Thibaut, que je considère comme de vrais amis, et non simplement comme des collègues de laboratoire.Les gars, merci pour les super bons moments, pour les blagues, pour les discussions, pour les conseils... My thanks also go to the folks of Kaloom who have been awesome during my internship there.At Kaloom I was able to link my research to real-world problems.Also, I thank Mitacs/Canada and CNPq/Brazil for providing me the funds to conduct this research.Não poderia esquecer da minha família no Brasil: mãe, pai, irmã, sobrinhas, tios e avós.Sem o apoio de vocês, este desafio jamais se concretizaria.Obrigado por sempre me apoiarem, desde que decidi sair de casa para estudar engenharia em Porto Alegre!Como sobremesa, o melhor vem no final: Clara e Sophie.Minha esposa Clara merece não só meus agradecimentos mas meu sincero pedido de desculpas.Obrigado por aceitar me acompanhar nessa jornada, por aguentar meu mal humor, por ouvir minhas lamentações, sempre me incentivando com o seu famoso jargão: "vai dar tudo certo".E perdão, principalmente pelo tempo juntos que este trabalho nos furtou.Obrigado princesa Sophie!Obrigado pelas risadinhas, pelas sonequinhas juntinhos, pelos momentinhos que brincamos, que por vezes aliviaram a pressão que um doutorado impõe.Sophie, papai não é a doutora brinquedos, mas agora também é doutor!v RÉSUMÉ Les réseaux définis par logiciel -en anglais Software-Defined Networking (SDN) -sont apparus ces dernières années comme un nouveau paradigme de réseau.SDN introduit une séparation entre les plans de gestion, de contrôle et de données, permettant à ceux-ci d'évoluer de manière indépendante, rompant ainsi avec la rigidité des réseaux traditionnels.En particulier, dans le plan de données, les avancées récentes ont porté sur la définition des langages de traitement de paquets, tel que P4, et sur la définition d'architectures de commutateurs programmables, par exemple la Protocol Independent Switch Architecture (PISA).Dans cette thèse, nous nous intéressons a l'architecture PISA et évaluons comment exploiter les FPGA comme plateforme de traitement efficace de paquets.Cette problématique est étudiée a trois niveaux d'abstraction : microarchitectural, programmation et architectural.Au niveau microarchitectural, nous avons proposé une architecture efficace d'un analyseur d'entêtes de paquets pour PISA.L'analyseur de paquets utilise une architecture pipelinée avec propagation en avant -en anglais feed-forward.La complexité de l'architecture est réduite par rapport à l'état de l'art grâce a l'utilisation d'optimisations algorithmiques.Finalement, l'architecture est générée par un compilateur P4 vers C++, combiné à un outil de synthèse de haut niveau.La solution proposée atteint un débit de 100 Gb/s avec une latence comparable à celle d'analyseurs d'entêtes de paquets écrits à la main.Au niveau de la programmation, nous avons proposé une nouvelle méthodologie de conception de synthèse de haut niveau visant à améliorer conjointement la qualité logicielle et matérielle.Nous exploitons les fonctionnalités du C++ moderne pour améliorer à la fois la modularité et la lisibilité du code, tout en conservant (ou améliorant) les résultats du matériel généré.Des exemples de conception utilisant notre méthodologie, incluant pour l'analyseur d'entête de paquets, ont été rendus publics.Au niveau architectural, nous avons proposé une méthode de cache pour une architecture de plan de données programmable hétérogène, pour laquelle le débit de traitement peut être inégal entre les différentes plateformes utilisées.Pour ce faire, nous avons caractérisé une trace provenant d'un centre de données afin d'identifier les propriétés des paquets pouvant être exploitées par la cache.Ces propriétés ont ensuite été utilisées pour concevoir des politiques d'éviction et de promotion.Une plateforme de simulation a été développée, et permet de démontrer qu'une politique de promotion aléatoire combinée à une politique de promotion heuristique basée sur la fréquence atteint un taux de succès élevé (∼90%) avec des tailles de caches relativement petites (8 k entrées).vi

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