BILGISAYAR MIMARILERINE YENI YAKLASIM DERSI AG ISLEMCI MIMARILERI

1
BILGISAYAR MIMARILERINE YENI YAKLASIM DERSIAG
ISLEMCI MIMARILERI

• Tugba Akbal
• 504061533
• Aralik 2007

2
Içerik

• Genel Bilgi
• Ag Islemciler Neden Gereklidir?
• Ag Uygulamalarinin Özellikleri ve Esaslari
• Ag Islemcilerde Asilmasi Gereken Sorunlar
• Ag Islemcilerin Sahip Olmasi Gereken Özellikler
• Intel IXP Ailesi
• Intel IXP2400 Ag Islemci Mimarisi
• Yeni Nesil Ag Islemciler
• Sonuç
• Referanslar

3
Ön Bilgi

• Thread ? Iplik
• Switch ? Anahtar
• Router ? Yönlendirici
• TLB(Translation Lookaside Buffer) ? Adres dönüsüm
  tamponu
• CMP(Chip MultiProcessing)? Tek yongada çok
  islemci
• SMT(Simultaneous MultiThreading ) ?Eszamanli çok
  iplikli
• ASIC(Application Specific Integrated Circuit ) ?
  Uygulamaya özel tümlesik devre

4
Ön Bilgi

• RISC(Reduced Instruction Set Computer) ?
  Azaltilmis komut kümeli bilgisayar
• TLP(Thread-Level Parallelism) ? Iplik düzeyinde
  paralellik
• ILP(Instruction-Level Parallelism) ? Komut
  düzeyinde paralellik
• Branch/Data intensive ? Dallanma/Veri yogun
• Deep packet classification ? Derin paket
  siniflandirma
• Content aware ? Içerik bilinçli

5
Genel Bilgi

• Karmasik ag tabanli uygulamalar
• Artan ag trafigi yogunlugu
• Ag islemcileri hizlanmali
• Paket paralelligi ve bagimliliklari
• Paketlerin siniflandirilmasi
• Güvenlikle alakali isler için özel tasarim
• Çok islemcili
• Çok iplikli ortamlar

6
Genel Bilgi

• Genel amaçli ag islemciler ?ag islemci mimariler
  uygulamaya has
• Veri ve dallanma agirlikli
• Düzensiz
• Yüksek programlama yetenegi
• Uygulamalar gelismekte
• Farkli protokoller
• Tasinabilir ag araçlari
• Yeni nesil saldirilarda güncelleme

7
Genel Bilgi

• Tasarimsal sorunlar
• Paket siniflandirma
• Performans kritik bir is
• QoS, URL karsilastirma, saldiri tespiti
• Güvenlikle alakali sorunlar
• Web anahtarlari ve sunucularda hayati
• Yüksek CPU gerektirir

8
Ag Islemciler Neden Gereklidir?

• Yüksek performansla paket isleme
• Çok çesitli ag uygulamasini gerçekleme
• Etkin kaynak kullanimi
• Paket iletimi
• Artan istekleri karsilama
• Yüksek bant genisligi
• Düsük gecikme
• Yogun veri

9
Ag Islemciler Neden Gereklidir?

• Paketleri iletmek için gerekli fonksiyonlari
  gerçekleyen
• Gerçek zamanli
• Paket isleme
• Paket saklama ve iletme
• Güvenlik
• Anahtarlama
• IP paket isleme

10
Ag Islemciler Neden Gereklidir?

• Paralel ve dagitik
• Is hatlari ile ve çok iplikli paket isleme
• Yüksek kapasite
• Esneklik
• Ölçeklenebilirlik
• Derin paket siniflandirma
• Çalisma süresi ve maliyette etkinlik

11
Genel Görünüm

• Çok sayida RISC çekirdekler
• Genel ag islemleri için atanmis donanimlar
• Yüksek hizda ana bellek ara yüzleri
• Yüksek hizda I/O ara yüzleri
• Genel amaçli CPU için ara yüz

12
Ag Mimarilerine 3 Farkli Yaklasim

• Saf donanim ayarlanabilir ASIC? en iyi
  performans, az esneklik
• Saf yazilim programlanabilir ? programlanabilme
  maksimuma çikarilir
• Hibrit programlanabilir ASIC ? su anki gelisim
  bu yönde
• Performans artarken, esneklikte gerçeklenir
• Alisilmis ag fonksiyonlari donanimla kendi
  akisinda gerçeklenir
• Saf yazilim yaklasimindan bile daha iyi
  ölçeklenebilir

13
Ag Uygulamalari Esaslari

• Genel amaçli uygulamalara göre farkli
• Yönlendiriciler
• Temel anahtarlar
• WAN/LAN anahtarlari
• URL yük dengeleyiciler
• VoIP ag geçitleri
• Güvenlik duvarlari
• Sifreleme uygulamalari içerir

14
Ag Uygulamalari Esaslari

• Gelen trafik paket basina baz alinir
• Paket basligi
• Paket içerigi

15
Ag Uygulamalari Esaslari

• Örüntü Eslestirme
• Mantiksal deger çiktidir, aramada kullanilir
• Arama
• Bir anahtarla, spesifik girdi aranir
• Hesaplama
• Agir hesaplama yetisi
• Veri Kotarma
• Paket basligi degistirme, TTL azaltma
• Kuyruk Yönetimi
• Paket iptali, saklanmasi, trafik yönlendirme
• Kontrol Islemi
• Tablo güncellemeleri, istatistikler

16
Ag Uygulamalari Genel Özellikleri

• Islevlerine göre 3e ayrilir
• Veri yolu
• Yüksek performans gerektiren isler
• Veri iletimi, paket iletimi, siniflandirilmasi,
  kuyruga sokma ve zamanlama
• Paket iptal edilmemeli ? hizli iletim
• Bagimlilik yoksa ? paralel isleme
• Kontrol yolu
• Daha az zaman kritik
• Daha az paralellik gerektiren isler
• Tablo idaresi, yönlendirme, sinyallesme, politika
  yönetimi
• Yönetim yolu
• Daha az paralellik gerektiren isler
• Sistemi baslangiç durumuna hazirlama/ayarlama ve
  yönetim protokolleri

17
Ag Protokol Tabakalari

• 7 mantiksal tabaka söz konusu
• Fiziksel
• Veri bagi
• Ag
• Iletim
• Oturum
• Sunum
• Uygulama

18
Ag Protokol Tabakalari

• Yönlendirici ya da anahtarlar gibi yüksek hiz
  gerektiren ekipmanlarda
• Iletim ve ag tabakasi fonksiyonlarini sistem
  adaptasyon tabakasina tasimak gereklidir
• Dis Ortam tabakasinin
• Modülasyon ve demodülasyon gibi fiziksel tabaka
  fonksiyonlarini gerçeklestirmesi tercih
  edilmektedir

19
Yogun Veri ve Yogun Dallanma

• TL, ROUTE, DRR ve NAT gibi programlar
• Çok fazla komut
• Yönlendirme tablosunda gerçeklesen
• Veri agirlikli
• Ancak fazla dallanma (IPCHAINS/CRC ? 6)

20
Paket Paralelligi

• Paketler eszamanli ya da paralel islenir
• Komut ve iplik düzeyinde
• Paket düzeyinde
• Gelen paketler, islenenlerden bagimsiz
• Bagimsiz isletme birimlerinde eszamanli yürütme
• Çok sayida RISC çekirdek tek islemcide
• Paketler arasi
• Her paketin islenmesi boyunca
• Bir paketi isleme sokacak isler birbirinden
  bagimsiz
• 2.tabakada kaynak ve varis MAC adres kotarmasi
  eszamanli

21
Paket Bagimliligi

• Dogru islem için gerekli senkronizasyon
• Paketlerin ardarda islenmesi gerekince
• Paketler bagimli olabilir/olmayabilir
• Statik kurallarla isleme?kurallar degismez,
  paketler bagimsiz
• Ayni TCP baglantisinda paketler?TCP durum
  düzenlenmesi, paketler bagimli
• Bagimlilik
• Trafik yönetim sayaçlari, yönlendirme veya adres
  dönüsüm tablolarinda

22
Asilmasi Gereken Sorunlar

• Güvenlikle alakali isler
• CPU yükü fazla
• Paket Siniflandirma
• Veri yolu islerinin ilk adimi
• Tek alanli ? baslikta tek bir alan paket iletimi
• Çok alanli ? baslikta birçok alan güvenlik
  duvari, QoS uygulamalari
• Derin paket siniflandirma ? paket baslik ve
  içerigi sunucunun yük dengelemesi, saldiri
  tespiti, virüs tarama gibi içerik-bilinçli
  uygulamalar

23
Içerik Bilinçli Uygulama Örnegi

• IP ve TCP ye ek olarak, uygulama verisi de
  incelenir
• Daha iyi yük dengeleme ve kaynak yönetimi, hizli
  cevap

24
Ag Islemci Mimarileri Özellikleri

• Cep Bellek Tasarimi
• Hizli paket siniflandirma
• Veri yükü agir ? paket içerikleri incelenir
• Sik bellek erisimi
• Yönlendirme tablosunda IP ile önek
  karsilastirmalari
• Yönlendirme tablosunda hizli arama
• Zamanda yöresellik gerekli
• Dogru cep bellek tasarimi gerekli

25
Ana Bellek Tasarimi

• Paketler burada tamponlanir
• Paket degistirmede kullanilir
• SRAM/DRAM ile gerçeklenir
• Bant genisligi optimum seçilmeli(yüzlerce GB/s)
• Kapasite artmali(GBlar mertebesinde)
• Tasarim detayli arastirma gerektirir

26
Çok Iplikli Mimariler

• Bellek erisim gecikmelerini tolere eder
• Tek bir islemciyi birçok iplik ortak kullanir
• Birçok ag islemcisi
• Çok sayida islemci çekirdegi
• Çok iplikli mimari kullanir
• Çekirdekler paralel kosturulur
• Zamanlama
• Yazilimla
• Donanimla saglanir

27
Çok Iplikli Mimariler

• Süperskaler
• Çok iplik destegi yoksa
• Iskada makine her saat çevriminde çalismaz
• Tüm islemci bekletilir
• Islevsel birimler verimli kullanilmaz

28
Çok Iplikli Mimariler

• Büyük Is Parçali - Çok Iplikli
• Her saat çevriminde yalniz bir komut alinir
• Kisa ve uzun süreli gecikmeleri gizler
• Ancak islenmeye hazir komutlarin islenmesi
  yavaslatilir
• Çünkü diger ipliklerden gelen komutlar islenir
• Tamamen bos islere yer verilmez
• Ancak bireysel saat çevrimlerinde uzun bekleme
  süreleri olabilir

29
Çok Iplikli Mimariler

• Küçük Is Parçali Çok Iplikli
• Iska var ve gecikme uzunsa, on an isleyen iplik
  degistirilir
• Islenmeye hazir iplikler yavaslatilir
• Diger ipliklerin islenmesi uzun sürer
• Kisa süreli islerde olumsuz
• Kisa süreli ama sik gecikmeler ? is hatti baslama
  süresi uzar
• Tamamen bos durumda bekleme süresi uzar
• Her saat çevriminde bos kalma süresi uzar
• Her çevrimde sadece bir komut islenir

30
Çok Iplikli Mimariler

• SMT
• Tek çevrimde, birçok iplikten gelen birçok komut
  islenir
• Is yüküne hassas
• Çok sayida iplik, tek bir islemcinin islevsel
  birimlerini kullanir
• Çatisma yoksa, kaynak kullanimi maksimum olur
• Bagimlilik yoksa, paralellik saglanir
• Donanim kaynaklari dinamik alinir ? etkin kaynak
  kullanimi
• Donanim tasariminda maliyetli degisim yok
• Çok iplikli yapi
• Bellek gecikmelerini saklar
• Hizi arttirir

31
Çok Iplikli Mimariler

• Temel süperskaler is hatlari degismez
• Sistem kaynaklari olan
• Bagimsiz ipliklerin baglamlarini saklayacak
  program sayaçlari
• Komut kuyruklari
• Cep bellekler
• TLBler
• Dallanma öngörüleri
• iplikler tarafindan paylasilir

32
Çok Iplikli Mimariler

• CMP
• Ayni birim üzerinde
• Tüm mimari kaynaklari içeren
• Çok sayida basit tek iplikli islemciler
• Basit donanim ? kolay tasarim ve optimizasyon
• Donanim kaynaklari statik olarak paylastirilir
• Uygulama ipliklere bölünebilirse ? avantajli
• Intel IXP2800
• 17 tane 32 bitlik bagimsiz çok-iplikli mikro
  makine ile Intel Xscale çekirdegi
• IBM PowerNP
• 16 tane basitlestirilmis RISC piko islemci ve bir
  PowerPC çekirdek

33
Paket Bagimliligina Çözümler

• Yazilimsal çözüm
• Kodda yazilim kilitleri
• Bagimli paketin isi bitene dek kaldirilmaz
• Uygulanmasi zor ? kod büyük, kod analizi ve
  kilidi dogru yerlestirmek zor
• Ölümcül kilitlenmeler
• Donanimsal çözüm
• Performans düsebilir ? tüm paketler ihtiyaç
  olsun/olmasin ardarda islenir
• Yazma ve okuma tablolari, aktif paket listesi,
  çatisma öngörü mantigi ? kavramsal bir donanim
  çözümüdür

34
Örneklerle Ag Islemcilerin Genel Ihtiyaçlari

• Yönlendiriciler
• En çok is gören kisim
• Çok çesitli ag ara yüzlerinden paket alir
• Iptal eder veya bir/birkaç ara yüze yollar
• Paketler birçok yönlendiriciden geçerek
  internette yollarini bulur
• Paketleri gerçekler
• Web Anahtarlari
• Çesitli parametre tabanli farkli sunucu HTTP
  isteklerini karsilar
• Yüksek bant genisligi gerektirir
• Daha fazla durum içerir
• Baglantilari gerçekler

35
Hizli Yol Yavas Yol Kavramlari

• Veri ve kontrol düzeylerinin farkli ihtiyaçlari
  karsilanir
• Hizli veya yavas yola yönlendirirken
• Varis adresleri ve portlari degerlendirilir
• Inceleme baz alinarak
• Minimum ya da normal isleme tabi tutulacak olan
  paketler hizli yola
• Veri düzeyindeki isler
• Sira disi ya da karmasik islemlerden geçecek
  paketlerse yavas yola
• Kontrol seviyesindeki isler

36
Hizli Yol Yavas Yol Kavramlari

• Islenen paketler ayni ag ara yüzüne ilerler
• Esneklik kazanilir
• Hizli yol ? FPGA, ASIC, yardimci islemci veya bir
  baska CPU tarafindan
• Yavas yol ? bir CPU
• Basit ve zaman kritik uygulamalari donanim
• Karmasik algoritmalari yazilim düzeyinde

37
Bir Ag Islemcisini Programlamak

• Genel amaçli islemcilerden çok farkli belli
  özellikler içerir
• Genel amaçli uygulamalarda da kullanilabilir
• Daha az kod içerir
• Veriler arasi daha az bagimlilik söz konusudur
• Paketler yönlendirme tablolarinin durumlarini
  degistirmez
• Bagimliliklar
• Yönlendirme protokol paketleri
• Istisna ayarlama paketleri ile çözümlenir

38
Intel IXP Ailesi

• Mikro makine teknolojisi
• Sakla ve ilet mimarisi
• Yüksek paralel tasarim
• Yüksek hizda veri isleme
• Xscale teknolojisi
• Kontrol düzeyinde entegre uygulama isleme
• Veri yapilarini güncelleme ve yönetme
• Dis ortam ve anahtarlama aygitlarini kurma ve
  denetleme
• Süper is hatti teknolojisi sayesinde, çok asamali
  yüksek etkinlikte is hatti sürme mimarisi

39
Intel IXP Ailesi

• IXA(Internet Exchange Architecture) yazilim
  tasinabilir tasarimi
• Kolay kod gelistirme ve yeniden kod kullanimi
• Modüler programlanabilir model mikro makineler
  ve iplikler arasinda en uygun uygulama
  bölmelenmesi
• Optimum mikro makine kütüphaneleri ve araçlari
• Intel Xscale kaynak kod kütüphaneleri birçok
  islem ortami arasinda tasinilabilirlik
• Edge Access-IXP2400
• Core Edge-IXP2800
• CPE-IXP425

40
Intel IXP2400 Ag Islemci Mimarisi

• XScale çekirdek
• Saniyede 5.4 milyar islem kapasitesi
• Yazboz bellek, DRAM ve SRAM denetleyiciler
• 4 er mikro makineden olusan 2 küme
• Her mikro makine
• 8 izlege kadar yürütebilir
• 16 KB komut saklayabilir
• Yerel bellekleri vardir

41
Yeni Nesil Ag Islemci Mimarileri

• Ag uygulamalari için en iyi sekilde
  kullanilabilir
• Yüksek islem gücüne sahip
• Yüksek iletim hizina sahip
• Programlanabilir
• Ölçeklenebilir
• olmalidir

42
Sonuç

• Etkin yönlendirme tablosu cep tasarimi
• Etkin paket tampon tasarimi
• SMT ve CMP ye çok iplikli yapi entegresi ile
  paralellik saglanabilir
• Temel mikro mimari olacaklar
• SMT ? kaynak kullanimi etkin, performans yüksek,
  yaygin
• CMP ? az yer kaplar, birden fazla tek iplikli
  islemci çekirdegi, çok alt iplige bölünebilirse
• Gelecekteki ag uygulamalari
• Dallanma ve veri yükü agir
• Hesapsal yükü fazla olacaktir

43
REFERANSLAR

• 1 TKS LakshmiPriya, V.H. Prasad, D.Kannan, L.K.
  Singaram, G. Madhan, R.M. Sundaram, R.M. Prasad
  and R. Parthasarathi Evaluating the Network
  Processor Architecture for Application-Awareness
  . By IEEE, 2007.
• 2 C. Ostler, K. S. Chatha and G. Konjevod
  Approximation Algorithm for Process Mapping on
  Network Processor Architectures. By IEEE, 2007.
• 3 K. Yi and J. Gaudiot Features of Future
  Network Processor Architectures, By IEEE, 2006.
• 4 V. Ramamurthi, J. McCollum, C. Ostler and K.
  S. Chatha System Level Methodology for
  Programming CMP based Multi-threaded Network
  Processor Architectures. By IEEE, 2005.
• 5 L. Thiele, S. Chakraborty, M. Gries and S.
  Künzli Design Space Exploration of Network
  Processor Architectures. By IEEE, 2002.
• 6 P. Crowley, M. E. Fiuczynski, J. Baer
  and B. N. Bershad Characterizing Processor
• Architectures for Programmable
  Network Interfaces. By 2000 International
  Conference
• on Supercomputing, May, 2000.
• 7 X. Nie, L. Gazsi, F. Engel and G. Fettweis A
  New Network Processor Architecture for
  High- speed Communications. By IEEE, 1999.
• 8 Y. Jun Network Processors
• http//www.ecs.umass.edu/ece/wolf/courses/ECE697
  J/Fall2002/presentations/ECE697J-02-11- 12.pdf
• 9 M. Kohler Network Processor Overview
• http//www.netrino.com/Articles/NetworkProcessor
  s/index.php
• 10 Y. Lou Network Processor Architecture and
  Applications
• http//faculty.uml.edu/yluo/Publications/CAR-sem
  inar.pdf

44

• TESEKKÜRLER
• SORULARINIZ?