Performance Analysis of Packet Processing Systems

Abstract

This thesis investigates the use of measurement, simulation, and modeling methods for the performance analysis of packet processing systems, and more precisely hardware accelerated multiprocessor system-on-chip (MPSoC) devices running task-parallel applications. To guarantee the tight latency and throughput requirements, the devices often incorporate complex hardware accelerated packet scheduling mechanisms. At the same time, due to the complexity of these systems, different software abstractions, such as task-based programming models, are used to develop packet processing applications. These challenges, together with dynamic characteristics of the packet streams makes the performance analysis of packet processing systems non-trivial.

We demonstrate that, with extended queue disciplines and support for modeling parallelism, resource network methodology is a viable approach for modeling complex MPSoC based systems running task-based parallel applications on dynamic workloads. The main contributions of our work are three-fold. First, we have extended the toolset of an existing in-house modeling and simulation software, Performance Simulation Environment. The extensions enable modeling of user-definable queue disciplines, which further enable flexible modeling of complex hardware interactions of MPSoCs and the parallelism of task-based programming models. Secondly, we have studied, instrumented, and measured the characteristics of a packet processing system. Finally we have modeled a multi-blade packet processing system with customizable workload and task-parallel application models, and run simulation experiments.

In both experiments, the model acts as expected. According to the experiment results, the resource network concept seems to be a viable tool for the performance analysis of packet processing systems. The chosen abstraction level provides desired balance between the functionality, ease of use, and simulation performance.

Tässä työssä tutkitaan mittaus-, mallinnus-, ja simulaatiometodien käyttöä pakettiprosessisysteemien, tarkemmin ottaen tehtävärinnakkaisia sovelluksia ajavien laitteistokiihdytettyjen moniydinjärjestelmien, suorityskykyanalyysiin. Tiukoista viive- ja läpivirtausvaatimuksista johtue pakettiprosessointilaitteistot sisältävät usein monimutkaisia laitteistokiihdytettyjä pakettiajoitusmekanismeja. Laittestojen monimutkaisuudesta johtuen pakettiprosessointisovellusten kehittämiseen käytetään usein erilaisia ohjelmointiabstraktioita, kuten tehtävärinnakkaisia ohjelmointimalleja. Laitteston ja ohjelmiston asettamat haasteet yhdessä pakettivirtojen dynaamisen luonteen kanssa tekevät pakettiprosessointijärjestelmien suorituskykyanalyysista epätriviaalia.

Työssä havainnollistamme, että laajennettujen jonokurien ja rinnakkaismallinnustuen avulla resurssiverkkometodologia on toimiva lähestymistapa tehtävärinnakkaisia rinnakkaisohjelmointisovelluksia ajavien monimutkaisten laitteistokiihdytettyjen moniydinjärjestelmien suorituskykyanalyysiin dynaamisilla työkuormilla. Työmme päätulokset ovat kolmiosaiset. Ensinnäkin, olemme laajentaneet olemassaolevan mallinnus- ja simulaatioohjelmiston, Performance Simulation Environmentin, ohjelmointityökaluja. Laajennukset mahdollistavat käyttäjän määriteltävien jonokurien mallintamisen, mikä edelleen mahdollistaa tehtävärinnakkaisia sovelluksia ajavien laittestokiihdytettyjen moniydinjärjestelmien laittestovuorovaikutusten joustavan mallinnuksen. Toiseksi, olemme tutkineet ja mitanneet erään pakettiprosessointijärjestelmän ominaisuuksia. Viimeiseksi, olemme mallintaneet pakettiprosessointijärjestelmän muunnettavilla työkuormilla ja tehtävärinnakkaisilla sovellusmalleilla, sekä suorittaneet näitä simulaatiokokein.

Molempien kokeiden mallit käyttäytyvät odotetulla tavalla. Koetulosten perusteella resurssiverkkokonsepti vaikuttaa toimivalta työkalulta kompleksien pakettiprosessointijärjestelmien suorituskykyanalyysiin. Valittu abstraktiotaso tarjoaa toivotun tasapainon simulaation suorituskyvyn, toiminnallisuuden ja helppokäyttöisyyden välillä.