Design and evaluation of system concepts and protocols for lossless hardware-assisted streaming of real-time measurement data over IP networks

Abstract

The problem of ensuring reliable delivery of data over unreliable transmission media is by no means unexplored. For instance, the Transmission Control Protocol (TCP) is a protocol designed to ensure reliable in-order delivery of data over an unreliable packet-oriented network service. However, TCP and similar protocols are most commonly implemented through software within operation systems designed to run on general-purpose compute hardware. For demanding measurement devices, however, implementations using custom logic implemented in application-specific integrated circuits (ASICs) or field-programmable gate arrays (FPGAs) can typically capture and process data at a greater rate and resolution compared to software systems. This raises the question: how can measurement data be transferred from such a capture device to a remote system for storage and further processing, reliably and at a sufficient data rate? In an effort to answer the aforementioned question, this thesis analyzes preexisting mechanisms for reliable data transport over Ethernet and IP networks, as well as high-bandwidth measurement devices based on the example of a time-to-digital converter (TDC). Combining this knowledge, it presents HELIX, a network protocol and system architecture for reliable transmission of data, implemented through FPGAs. HELIX uses novel concepts and mechanisms to be efficiently implementable within FPGA-based systems, such as an integration of the transmitter's memory management architecture with the transport protocol itself.

Die verlustfreie Übertragung von Daten über ein verlustbehaftetes Übertragungsmedium ist keineswegs unerforscht. Beispielsweise ist das Transmission Control Protocol (TCP) ein Protokoll, welches die zuverlässige Zustellung von Daten über einen verlustbehafteten und paketorientierten Netzwerkdienst garantiert, sowie die Reihenfolge übertragener Daten beibehält. Jedoch werden TCP und verwandte Protokolle herkömmlicherweise in Software unter Verwendung generischer Hardware implementiert. Um den Anforderungen anspruchsvoller Messanwendungen gerecht zu werden, ist für diese eine Implementierung durch spezialisierte Logikschaltungen vorzuziehen, typischerweise realisiert durch feldprogrammierbare Logikgatter (FPGAs) oder anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs). Dies wirft die folgende Frage auf: Wie können Messdaten, erhoben von solch einem Instrument, zuverlässig und ausreichend schnell an ein entferntes Computersystem gesendet werden, um diese dort weiterzuverarbeiten oder zu speichern? Um diese Frage zu beantworten, werden im Rahmen dieser Thesis existierende zuverlässige Transportprotokolle analysiert. Weiterhin werden solch FPGA-basierte Messinstrumente beispielhaft anhand eines sogenannten Time-to-Digital Converter (TDC) charakterisiert. Basierend darauf entwirft und präsentiert diese Thesis HELIX, ein Protokoll und eine Systemarchitektur zur zuverlässigen Datenübertragung, welche speziell auf eine effiziente Implementierung in FPGA-basierten Systemen ausgelegt ist. Dafür verwendet HELIX neuartige Mechanismen und Konzepte, beispielsweise die Integration und Auslagerung von Teilen der Speicherverwaltung am Sender in das Netzwerkprotokoll selbst.