On Fault Tolerance Methods for Networks-on-Chip

Technology scaling has proceeded into dimensions in which the reliability of manufactured devices is becoming endangered. The reliability decrease is a consequence of physical limitations, relative increase of variations, and decreasing noise margins, among others. A promising solution for bringing the reliability of circuits back to a desired level is the use of design methods which introduce tolerance against possible faults in an integrated circuit. This thesis studies and presents fault tolerance methods for network-onchip (NoC) which is a design paradigm targeted for very large systems-onchip. In a NoC resources, such as processors and memories, are connected to a communication network; comparable to the Internet. Fault tolerance in such a system can be achieved at many abstraction levels. The thesis studies the origin of faults in modern technologies and explains the classification to transient, intermittent and permanent faults. A survey of fault tolerance methods is presented to demonstrate the diversity of available methods. Networks-on-chip are approached by exploring their main design choices: the selection of a topology, routing protocol, and flow control method. Fault tolerance methods for NoCs are studied at different layers of the OSI reference model. The data link layer provides a reliable communication link over a physical channel. Error control coding is an efficient fault tolerance method especially against transient faults at this abstraction level. Error control coding methods suitable for on-chip communication are studied and their implementations presented. Error control coding loses its effectiveness in the presence of intermittent and permanent faults. Therefore, other solutions against them are presented. The introduction of spare wires and split transmissions are shown to provide good tolerance against intermittent and permanent errors and their combination to error control coding is illustrated. At the network layer positioned above the data link layer, fault tolerance can be achieved with the design of fault tolerant network topologies and routing algorithms. Both of these approaches are presented in the thesis together with realizations in the both categories. The thesis concludes that an optimal fault tolerance solution contains carefully co-designed elements from different abstraction levels

Exploring Adaptive Implementation of On-Chip Networks

As technology geometries have shrunk to the deep submicron regime, the communication delay and power consumption of global interconnections in high performance Multi- Processor Systems-on-Chip (MPSoCs) are becoming a major bottleneck. The Network-on- Chip (NoC) architecture paradigm, based on a modular packet-switched mechanism, can address many of the on-chip communication issues such as performance limitations of long interconnects and integration of large number of Processing Elements (PEs) on a chip. The choice of routing protocol and NoC structure can have a significant impact on performance and power consumption in on-chip networks. In addition, building a high performance, area and energy efficient on-chip network for multicore architectures requires a novel on-chip router allowing a larger network to be integrated on a single die with reduced power consumption. On top of that, network interfaces are employed to decouple computation resources from communication resources, to provide the synchronization between them, and to achieve backward compatibility with existing IP cores. Three adaptive routing algorithms are presented as a part of this thesis. The first presented routing protocol is a congestion-aware adaptive routing algorithm for 2D mesh NoCs which does not support multicast (one-to-many) traffic while the other two protocols are adaptive routing models supporting both unicast (one-to-one) and multicast traffic. A streamlined on-chip router architecture is also presented for avoiding congested areas in 2D mesh NoCs via employing efficient input and output selection. The output selection utilizes an adaptive routing algorithm based on the congestion condition of neighboring routers while the input selection allows packets to be serviced from each input port according to its congestion level. Moreover, in order to increase memory parallelism and bring compatibility with existing IP cores in network-based multiprocessor architectures, adaptive network interface architectures are presented to use multiple SDRAMs which can be accessed simultaneously. In addition, a smart memory controller is integrated in the adaptive network interface to improve the memory utilization and reduce both memory and network latencies. Three Dimensional Integrated Circuits (3D ICs) have been emerging as a viable candidate to achieve better performance and package density as compared to traditional 2D ICs. In addition, combining the benefits of 3D IC and NoC schemes provides a significant performance gain for 3D architectures. In recent years, inter-layer communication across multiple stacked layers (vertical channel) has attracted a lot of interest. In this thesis, a novel adaptive pipeline bus structure is proposed for inter-layer communication to improve the performance by reducing the delay and complexity of traditional bus arbitration. In addition, two mesh-based topologies for 3D architectures are also introduced to mitigate the inter-layer footprint and power dissipation on each layer with a small performance penalty.

Modelling Energy Consumption of a Switch using Fuzzy-Rule Classifier

The energy consumption of IT equipments is becoming an issue of increasing importance. In particular, network equipments such as routers and switches are major contributors to the energy consumption of internet. Therefore it is important to understand how the relationship between input parameters such as bandwidth, number of active ports, traffic-load, hibernation-mode and their impact on energy consumption of a switch. In this paper, the energy consumption of a switch is analyzed in extensive experiments. A fuzzy rule-based model of energy consumption of a switch is proposed based on the result of experiments. The model can be used to predict the energy saving when deploying new switches by controlling the parameters to achieve desired energy consumption and subsequent performance. Furthermore, the model can also be used for further researches on energy saving techniques such as energy-efficient routing protocol, dynamic link shutdown, etc.

Measuring mobile WAP protocol based services

WAP tulee olemaan tulevaisuudessa tärkeässä roolissa, kun etsitään sopivaa tiedonsiirtoprotokollaa uusille mobiilipalveluille. Vaikka WAP jollain tavalla epäonnistui ensimmäisessä tulemisessaan sen suosio varmasti tulevaisuudessa tulee kasvamaan. WAP:in heikko suosio ei johtunut niinkään protokollan tiedonsiirto ominaisuuksista, vaan WAP-palveluiden kehittymättömyydestä. Tulevaisuuden palvelut kuitenkin ovat kehittyneempiä ja WAP:in suosio tulee kasvamaan. Viimeisimpänä WAP:ia käyttävänä palveluna on esitelty MMS. Kun uudet WAP:iin pohjautuvat palvelut yleistyvät, asettaa se uusia vaatimuksia myös WAP gateway:lle. Työssä tarkastellaan erilaisia mahdollisuuksia mitata mobiilisti WAP palvelujen palvelun tasoa. Työssä myös toteutetaan mobiili WAP palveluiden mittauskomponentti, joka toimii osana laajempaa ohjelmistoa. Tarkoituksena on toteuttaa mittauskomponentti, joka emuloi mahdollisimman hyvin todellista loppukäyttäjää.

Architecture for a Session Initiation Protocol Based Presence Client

Mitä on läsnäolo? Tämä työ määrittelee läsnäolon tietyn henkilön, laitteen tai palvelun halukkuudeksi kommunikoida. Nykyään on olemassa lukuisia läsnäolotietoa levittäviä sovelluksia, joista jokainen käyttää erilaista protokollaa tehtävän suorittamiseen. Vasta viime aikoina sovellusten kehittäjät ovat huomanneet tarpeen yhdelle sovellukselle, joka kykenee tukemaan lukuisia läsnäoloprotokollia. Session Initiation Protocol (SIP) voi levittää läsnäolotietoa muiden ominaisuuksiensa lisäksi. Kun muita protokollia käytetään vain reaaliaikaiseen viestintään ja läsnäolotiedon lähetykseen, SIP pystyy moniin muihinkin asioihin. Se on alunperin suunniteltu aloittamaan, muuttamaan ja lopettamaan osapuolien välisiä multimediaistuntoja. Arkkitehtuurin toteutus käyttää kahta Symbian –käyttöjärjestelmän perusominaisuutta: asiakas-palvelin rakennetta ja kontaktitietokantaa. Asiakaspalvelin rakenne erottaa asiakkaan protokollasta tarjoten perustan laajennettavalle usean protokollan arkkitehtuurille ja kontaktitietokanta toimii läsnäolotietojen varastona. Työn tuloksena on Symbianin käyttöjärjestelmässä toimiva läsnäoloasiakas.

An IP capable data link layer protocol for narrow band half-duplex packet data radio networks

The wide adaptation of Internet Protocol (IP) as de facto protocol for most communication networks has established a need for developing IP capable data link layer protocol solutions for Machine to machine (M2M) and Internet of Things (IoT) networks. However, the wireless networks used for M2M and IoT applications usually lack the resources commonly associated with modern wireless communication networks. The existing IP capable data link layer solutions for wireless IoT networks provide the necessary overhead minimising and frame optimising features, but are often built to be compatible only with IPv6 and specific radio platforms. The objective of this thesis is to design IPv4 compatible data link layer for Netcontrol Oy's narrow band half-duplex packet data radio system. Based on extensive literature research, system modelling and solution concept testing, this thesis proposes the usage of tunslip protocol as the basis for the system data link layer protocol development. In addition to the functionality of tunslip, this thesis discusses the additional network, routing, compression, security and collision avoidance changes required to be made to the radio platform in order for it to be IP compatible while still being able to maintain the point-to-multipoint and multi-hop network characteristics. The data link layer design consists of the radio application, dynamic Maximum Transmission Unit (MTU) optimisation daemon and the tunslip interface. The proposed design uses tunslip for creating an IP capable data link protocol interface. The radio application receives data from tunslip and compresses the packets and uses the IP addressing information for radio network addressing and routing before forwarding the message to radio network. The dynamic MTU size optimisation daemon controls the tunslip interface maximum MTU size according to the link quality assessment calculated from the radio network diagnostic data received from the radio application. For determining the usability of tunslip as the basis for data link layer protocol, testing of the tunslip interface is conducted with both IEEE 802.15.4 radios and packet data radios. The test cases measure the radio network usability for User Datagram Protocol (UDP) based applications without applying any header or content compression. The test results for the packet data radios reveal that the typical success rate for packet reception through a single-hop link is above 99% with a round-trip-delay of 0.315s for 63B packets.

The design and implementation of a standards-based mobile messaging platform - case WAP Push Proxy Gateway

Tässä diplomityössä perehdytään WAP:in Push -viitekehykseen. WAP-standardit määrittelevät kuinka Internet-tyyppisiä palveluita, joita voidaan käyttää erilaisia mobiileja päätelaiteitteita käyttäen, toteutetaan tehokkaalla ja verkkoteknologiasta riippumattomalla tavalla. WAP pohjautuu Internet:iin, mutta huomioi pienten päätelaitteiden ja mobiiliverkkojen rajoitukset ja erikoisominaisuudet. WAP Push viitekehys määrittelee verkon aloittaman palvelusisällön toimittamisen. Työn teoriaosassa käydään läpi yleinen WAP-arkkitehtuuri ja WAP-protokollapino käyttäen vertailukohtina lanka-Internetin arkkitehtuuria ja protokollapinoa. Edellistä perustana käyttäen tutustaan WAP Push -viitekehykseen. Käytännönosassa kuvataan WAP Push -välityspalvelimen suunnittelu ja kehitystyö. WAP Push -välityspalvelin on keskeinen verkkoelementti WAP Push -viitekehyksessä. WAP Push -välityspalvelin yhdistää Internetin ja mobiiliverkon tavalla, joka piilottaa teknologiaeroavaisuudet Internetissä olevalta palveluntuottajalta.

Matkapuhelinverkon MAP-protokollatoteutus älyverkkopalveluiden ohjauspisteeseen

Työssä esitellään yleiseurooppalaisen GSM-matkapuhelinjärjestelmän verkkoelementtejä ja perehdytään niiden väliseen standardoituun merkinantoprotokollaan. Lisäksi tarkastellaan protokollan lyhytsanomien välitykseen liittyviä operaatioita ja niissä tapahtunutta kehitystä standardoinnin eri vaiheissa. Tavoitteena oli toteuttaa GSM-matkapuhelinverkon merkinantoprotokollaan perustuva ohjelma, jonka tehtävänä on välittää lyhytsanomia matkapuhelin- ja lyhytsanomakeskuksen välillä. Matkapuhelimeen päättyvän lyhytsanoman välitykseen liittyy lisäksi reititystiedon hakeminen vastaanottajan kotirekisteristä. Toteutuksessa on ohjelmointirajapinta, joka helpottaa matkapuhelinverkon uusien palvelusovellusten kehittämistä. Toteutus testattiin standardoituja testitapauksia soveltaen. Yhdenmukaisuustestauksessa käytettiin apuna merkinantoanalysaattoria. Testauksessa tarkastettiin, että protokolla toimii loogisesti oikein. Suorituskykyä ei ole voitu testata todellisessa testiympäristössä, mutta ohjelmallisesti toteutettujen simulaattoreiden avulla on saatu hyviä tuloksia.

Adaptive Protocol Stacks for Mobile Devices

Tulevaisuudessa siirrettävät laitteet, kuten matkapuhelimet ja kämmenmikrot, pystyvät muodostamaan verkkoyhteyden käyttäen erilaisia yhteysmenetelmiä eri tilanteissa. Yhteysmenetelmillä on toisistaan poikkeavat viestintäominaisuudet mm. latenssin, kaistanleveyden, virhemäärän yms. suhteen. Langattomille yhteysmenetelmille on myös ominaista tietoliikenneyhteyden ominaisuuksien voimakas muuttuminen ympäristön suhteen. Parhaan suorituskyvyn ja käytettävyyden saavuttamiseksi, on siirrettävän laitteen pystyttävä mukautumaan käytettyyn viestintämenetelmään ja viestintäympäristössä tapahtuviin muutoksiin. Olennainen osa tietoliikenteessä ovat protokollapinot, jotka mahdollistavat tietoliikenneyhteyden järjestelmien välillä tarjoten verkkopalveluita päätelaitteen käyttäjäsovelluksille. Jotta protokollapinot pystyisivät mukautumaan tietyn viestintäympäristön ominaisuuksiin, on protokollapinon käyttäytymistä pystyttävä muuttamaan ajonaikaisesti. Perinteisesti protokollapinot ovat kuitenkin rakennettu muuttumattomiksi niin, että mukautuminen tässä laajuudessa on erittäin vaikeaa toteuttaa, ellei jopa mahdotonta. Tämä diplomityö käsittelee mukautuvien protokollapinojen rakentamista käyttäen komponenttipohjaista ohjelmistokehystä joka mahdollistaa protokollapinojen ajonaikaisen muuttamisen. Toteuttamalla esimerkkijärjestelmän, ja mittaamalla sen suorituskykyä vaihtelevassa tietoliikenneympäristössä, osoitamme, että mukautuvat protokollapinot ovat mahdollisia rakentaa ja ne tarjoavat merkittäviä etuja erityisesti tulevaisuuden siirrettävissä laitteissa.

Hiilidioksidin päästökaupan markkinatilanne vuoden 2005 alussa

Diplomityössä selvitettiin EU:ssa vuoden 2005 alusta alkavan päästökauppajärjestelmän toimintaympäristöä, sen taustaa ja sopimuksia joihin se pohjautuu. Varsinaisena tutkimusongelmana pyrittiin tunnistamaan muuttujat, jotka päästökaupan osalta vaikuttavat päästökaupan piirissä toimivaan yritykseen ja verrattiin eri toimijoita näiden tekijöiden avulla. Tekijöitä tarkasteltiin eri tasoilla niin, että ylimpänä tasona toimi koko maailman taso ja alimpana yksittäinen toimija. Näiden välissä tarkastelutasoina olivat EU:n laajuinen taso, yksittäisen maan laajuinen taso, sekä toimijaryhmän muodostaman toimialasektorin taso. Esimerkkinä näiden tekijöiden käytöstä toimijoiden vertailussa otettiin tarkasteltavaksi kolme suomalaista hiilivoimalaa: Lahtienergian omistama Kymijärven hiilivoimalaitos, Fortumin ja Teollisuuden voiman yhdessä omistama Meri-Porin hiilivoimalaitos sekä Helsingin Energian omistama Salmisaaren voimalaitos. Vertailu osoitti, että suurin laitoksista, eli Meri-Porin voimalaitos on suurimpien haasteiden edessä päästökaupan alkaessa, mutta toisaalta sillä on myös suurimmat resurssit selviytyä niistä.

Cost Models for Routing and Wavelength Assignment in Wavelength-Division Multiplexing Optical Net

WDM (Wavelength-Division Multiplexing) optiset verkot on tällä hetkellä suosituin tapa isojen määrän tietojen siirtämiseen. Jokaiselle liittymälle määrätään reitin ja aallonpituus joka linkin varten. Tarvittavan reitin ja aallon pituuden löytäminen kutsutaan RWA-ongelmaksi. Tämän työn kuvaa mahdollisia kustannuksen mallein ratkaisuja RWA-ongelmaan. Olemassa on paljon erilaisia optimoinnin tavoitteita. Edellä mainittuja kustannuksen malleja perustuu näillä tavoitteilla. Kustannuksen malleja antavat tehokkaita ratkaisuja ja algoritmeja. The multicommodity malli on käsitelty tässä työssä perusteena RV/A-kustannuksen mallille. Myöskin OB käsitelty heuristisia menetelmiä RWA-ongelman ratkaisuun. Työn loppuosassa käsitellään toteutuksia muutamalle mallille ja erilaisia mahdollisuuksia kustannuksen mallein parantamiseen.

Yhdysliikennepisteen suunnittelu

Langattomien lähiverkkotekniikoiden yleistyessä langattomien verkkojen ja palveluiden kysyntä on kasvanut nopeasti. Varsinkin vuonna 1997 julkistettu IEEE:n 802.11b-standardi on mahdollistanut langattomien verkkotekniikoiden nopean kehityksen. Tässä työssä esitetään suunnitelma kahden verkon välisen rajapinnan rakenteesta ja to-teutuksesta. Rajapintaa kutsutaan yhdysliikennepisteeksi. Sen pääasiallisena tehtävänä on toimia solmupisteenä kaikelle verkkojen väliselle tietoliikenteelle ja hallinnoida niin sisäverkkoa käyttäjineen kuin ulkoverkon puolelle kytkettyjä operaattoreita. Yhdyslii-kennepisteen tehtävänä on tunnistaa sisäverkon käyttäjät, auktorisoida heidät yhteis-työssä operaattorien kanssa, huolehtia sisäverkon käyttäjien verkko-osoitteista ja toimia verkkoliikenteen välittäjänä. Yhdysliikennepiste kykenee reitittämään käyttäjän oikealle operaattorille ja huolehtii siitä, että käyttäjällä on pääsy palveluihin, joiden käyttämiseen tällä on valtuutus. Työssä määritellään yhdysliikennepisteen rajapinnat sekä siihen liitettäviä operaattoreita että sisäverkkoon tarjottavia peruspalveluita varten. Lisäksi määritellään yhdysliikenne-pisteen sisäiset rajapinnat. Yhdysliikennepiste ei rajoita käytettyä verkkotekniikkaa, mutta tässä työssä keskitytään IEEE 802.11b -standardin mukaisiin WLAN-verkkoihin. Yhden tai useamman operaattorin verkkoja on olemassa sekä langallisessa että langat-tomissa ympäristöissä. Näissä verkoissa jokainen Internet-operaattori huolehtii kuiten-kin vain omista asiakkaistaan. Sisäverkko on suljettu, siihen pääsevät liittymään vain operaattorin omat asiakkaat. Työn tuloksena syntynyt yhdysliikennepiste on ratkaisu, jonka avulla voidaan rakentaa monioperaattorialueverkko, joka on avoin kaikille sen käyttäjille.

Protocol Specific Embedded Operating System

Sulautettujen järjestelmien määrä kuten niiden sisältämä älykkyyskin ovat viime vuosina kasvaneet merkittävästi. Sulautettujen ohjelmistojen yleistymistä ja monipuolistumista on edesauttanut sulautettujen laitteistojen prosessointitehon merkittävä kehittyminen, jonka myötä entistä vaativampien ohjelmistojen totetuttaminen sulautetusti on mahdollistunut. Seuraavana sulautettujen järjestelmien kehitysaskeleena on nähtävissä järjestelmien kommunikointikyvyn paraneminen ja siten uusien ja uudentyyppisten sulautettujen ratkaisujen toteuttaminen. VTT on päättänyt tutkia sulautettujen järjestelmien kommunikointia ja kehittää sulautettun protokolla-alustan. Tutkimuksen perusta on CVOPS protokollajärjestelmä, jota jatkokehittämällä pyritään toteuttamaan sulautettu protokollajärjestelmä, µCVOPS. Tässä diplomityössä esitetään kommunikaation sulautetulle järjestelmälle asettamia vaatimuksia, järjestelmän suunnittelu ja prototyypitys sulautetulla laitteistolla. Prototyypitykseen on käytetty sulautettua DragonBall mikrokontrolleria jonka käyttöjärjestelmänä käytettiin sulautettua Linux:a. Tälle alustalle on tehty CVOPS:sta modifioitu versio, jolla µCVOPS:ia pystytään simuloimaan.

Delivery system for location based information in wireless IP networks

Tämä työ esittelee uuden tarjota paikasta riippuvaa tietoa langattomien tietoverkkojen käyttäjille. Tieto välitetään jokaiselle käyttäjälle tietämättä mitään käyttäjän henkilöllisyydestä. Sovellustason protokollaksi valittiin HTTP, joka mahdollistaa tämän järjestelmän saattaa tietoa perille useimmille käyttäjille, jotka käyttävät hyvinkin erilaisia päätelaitteita. Tämä järjestelmä toimii sieppaavan www-liikenteen välityspalvelimen jatkeena. Erilaisten tietokantojen sisällä on perusteella järjestelmä päättää välitetäänkö tietoa vai ei. Järjestelmä sisältää myös yksinkertaisen ohjelmiston käyttäjien paikantamiseksi yksittäisen tukiaseman tarkkuudella. Vaikka esitetty ratkaisu tähtääkin paikkaan perustuvien mainosten tarjoamiseen, se on helposti muunnettavissa minkä tahansa tyyppisen tiedon välittämiseen käyttäjille.

A System-Level Simulation Model for a Protocol Processor

As the development of integrated circuit technology continues to follow Moore’s law the complexity of circuits increases exponentially. Traditional hardware description languages such as VHDL and Verilog are no longer powerful enough to cope with this level of complexity and do not provide facilities for hardware/software codesign. Languages such as SystemC are intended to solve these problems by combining the powerful expression of high level programming languages and hardware oriented facilities of hardware description languages. To fully replace older languages in the desing flow of digital systems SystemC should also be synthesizable. The devices required by modern high speed networks often share the same tight constraints for e.g. size, power consumption and price with embedded systems but have also very demanding real time and quality of service requirements that are difficult to satisfy with general purpose processors. Dedicated hardware blocks of an application specific instruction set processor are one way to combine fast processing speed, energy efficiency, flexibility and relatively low time-to-market. Common features can be identified in the network processing domain making it possible to develop specialized but configurable processor architectures. One such architecture is the TACO which is based on transport triggered architecture. The architecture offers a high degree of parallelism and modularity and greatly simplified instruction decoding. For this M.Sc.(Tech) thesis, a simulation environment for the TACO architecture was developed with SystemC 2.2 using an old version written with SystemC 1.0 as a starting point. The environment enables rapid design space exploration by providing facilities for hw/sw codesign and simulation and an extendable library of automatically configured reusable hardware blocks. Other topics that are covered are the differences between SystemC 1.0 and 2.2 from the viewpoint of hardware modeling, and compilation of a SystemC model into synthesizable VHDL with Celoxica Agility SystemC Compiler. A simulation model for a processor for TCP/IP packet validation was designed and tested as a test case for the environment.