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Steffen Büchner

• In the last 30 years, communication became one of the most important pillars of our civilization. Every day terabytes of information are moved wired and wireless between computers. In order to transport this amount of data, researchers and industry increase the data rates of the underlying communication networks with impressive speed. However, such ultra-high data rates are unavailable at the communication endpoints. One reason why ultra-high data rates are still not available for the communication endpoints is their inability to handle the protocol processing at this data rate. In order to enable communication endpoints to process high-volume data streams, the protocol processing has to be parallelized and optimized on all processing levels. However, parallelization and optimization are cumbersome tasks, which are further complicated as the protocol processing is traditionally carried out by the operating system. This thesis aims at circumventing these problems by moving the protocol processing into external processing hardware andIn the last 30 years, communication became one of the most important pillars of our civilization. Every day terabytes of information are moved wired and wireless between computers. In order to transport this amount of data, researchers and industry increase the data rates of the underlying communication networks with impressive speed. However, such ultra-high data rates are unavailable at the communication endpoints. One reason why ultra-high data rates are still not available for the communication endpoints is their inability to handle the protocol processing at this data rate. In order to enable communication endpoints to process high-volume data streams, the protocol processing has to be parallelized and optimized on all processing levels. However, parallelization and optimization are cumbersome tasks, which are further complicated as the protocol processing is traditionally carried out by the operating system. This thesis aims at circumventing these problems by moving the protocol processing into external processing hardware and interpreting communication protocols as stream processing problems. In order to achieve ultra-high data rates at the communication endpoints, a protocol stream processing design approach was developed and evaluated. The design process is separated into implementation, soft real-time analysis, parallelization, and mapping steps, which allow a scalable protocol implementation without paradigm changes. Furthermore, a data link protocol for 100 Gbit/s wireless was developed and implemented with the new stream processing design concept, in order to show its feasibility. The data link protocol is configurable for different communication conditions and easy to parallelize by providing different granularities of packets. The proposed design-process has shown to be suitable for uncovering bottlenecks and helping with debugging the individual stages of the protocol.…
• In den letzten 30 Jahren wurde die ständig verfügbare elektronische Kommunikation zu einer der wichtigsten Säulen unserer Zivilisation. Jeden Tag werden Terabyte an Informationen drahtgebunden und drahtlos zwischen Computern übertragen. Um diese Datenmenge zu transportieren, erhöhen Forscher und Industrie die Datenraten der zugrunde liegenden Kommunikationsnetze mit beeindruckender Geschwindigkeit. Solche ultrahohen Datenraten sind jedoch an den Kommunikationsendpunkten nicht verfügbar. Ein Grund, warum für die Kommunikationsendpunkte immer noch keine extrem hohen Datenraten zur Verfügung stehen, ist die Unfähigkeit, die Protokollverarbeitung mit dieser Datenrate durchzuführen. Damit Kommunikationsendpunkte hochvolumige Datenströme verarbeiten können, muss die Protokollverarbeitung auf allen Verarbeitungsebenen parallelisiert und optimiert werden. Parallelisierung und Optimierung sind jedoch komplizierte und fehleranfällige Aufgaben. Diese Herausforderung wird weiter verstärkt, da die Protokollverarbeitung traditionell imIn den letzten 30 Jahren wurde die ständig verfügbare elektronische Kommunikation zu einer der wichtigsten Säulen unserer Zivilisation. Jeden Tag werden Terabyte an Informationen drahtgebunden und drahtlos zwischen Computern übertragen. Um diese Datenmenge zu transportieren, erhöhen Forscher und Industrie die Datenraten der zugrunde liegenden Kommunikationsnetze mit beeindruckender Geschwindigkeit. Solche ultrahohen Datenraten sind jedoch an den Kommunikationsendpunkten nicht verfügbar. Ein Grund, warum für die Kommunikationsendpunkte immer noch keine extrem hohen Datenraten zur Verfügung stehen, ist die Unfähigkeit, die Protokollverarbeitung mit dieser Datenrate durchzuführen. Damit Kommunikationsendpunkte hochvolumige Datenströme verarbeiten können, muss die Protokollverarbeitung auf allen Verarbeitungsebenen parallelisiert und optimiert werden. Parallelisierung und Optimierung sind jedoch komplizierte und fehleranfällige Aufgaben. Diese Herausforderung wird weiter verstärkt, da die Protokollverarbeitung traditionell im Betriebssystemkern durchgeführt wird. In dieser Arbeit werden diese Herausforderungen gelöst, indem die Protokollverarbeitung in externe Verarbeitungshardware ausgelagert wird und indem Kommunikationsprotokolle als Stream Processing Probleme interpretiert werden. Um ultrahohe Datenraten an den Kommunikationsendpunkten zu erreichen, wurde ein Designansatz für die Verarbeitung von Protokolldatenströmen entwickelt und bewertet. Der Designprozess ist in Implementierungs-, Weiche-Echtzeitanalyse-, Parallelisierungs- und Mapping-Schritte unterteilt, mit welchen eine skalierbare Protokollimplementierung ohne Paradigmenwechsel ermöglicht wird. Darüber hinaus wurde ein Datenverbindungsprotokoll für drahtlose 100 Gbit/s Kommunikation entwickelt und mit dem neuen Stream Processing Designkonzept implementiert, um dessen Leistungsfähigkeit zu demonstrieren. Das Datenverbindungsprotokoll ist für verschiedene Kommunikationsbedingungen konfigurierbar und lässt sich durch unterschiedliche Granularitäten der Pakete leicht parallelisieren. Der vorgeschlagene Entwurfsprozess hat sich als geeignet erwiesen, Verarbeitungsengpässe aufzudecken und bei der Fehlersuche in den einzelnen Phasen der Entwicklung zu helfen.…