TCP/IPハードコアの設計と
その消費電力解析
棚町 健一 井上弘士 モシニャガ・ワシリー
福岡大学
2004/9/7
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内容
z
z
z
z
2004/9/7
はじめに
TCP/IPプロトコルスタック
設計と消費電力解析
おわりに
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背景
z
TCP/IPプロトコル処理
z
z
ネットワーク
z
z
ソフトウェア処理
バンド幅の増大
携帯電子機器
z
低消費電力化の必要性大
TCP/IP処理の高速化かつ低消費電力化
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3
目的
z
z
TCP/IPプロトコル処理の高速化
z ハードウェア化
低消費電力化
z 消費電力解析
TCP/IP処理のハードウェア化と面積/消費電力の評価
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TCP/IPプロトコルスタック
送信側
受信側
データ
データ
TCPヘッダ データ
トランスポート層
(TCP,UDP)
IPヘッダ TCPヘッダ データ
ネットワーク層
（IP,ICMP）
データ TCPヘッダ IPヘッダ
データリンク層
データ TCPヘッダ IPヘッダ
Ethernet
IPヘッダ TCPヘッダ データ
ヘッダ
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アプリケーション層
（HTTP,SMTP,POP3）
(Ethernet,PPP)
インターネット
データ TCPヘッダ
Ethernet
ヘッダ
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設計フロー
z
設計手順
１．TCP/IP処理の機能分割
2．回路設計（HDL記述）
3．論理合成
(0.35μmCMOSプロセス)
-面積、消費電力
論理合成用
4．レイアウト
ライブラリ
-配線容量抽出
HDL記述
シミュレーション
論理合成
レポート
ファイル
配置配線
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TCPハードコアの構成
アプリケーション
z
port_ctr
z
TCP
z
port_ctr
data_ctr
data_ctr
z
z
window_ctr
checksum
z
z
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ウィンドウサイズを用いた輻輳
制御
checksum
z
データリンク
データの分割と復元
タイマーによるエラー制御
window_ctr
z
IP
上位層とのデータ受け渡し
データとヘッダの誤り検出と再
送要求
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設計結果(面積)
„ 論理合成段階での面積
BLOCK1
4%
BLOCK2
27%
BLOCK1
5%
BLOCK2
25%
BLOCK4
59%
BLOCK3
11%
送信側
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BLOCK3
7%
BLOCK4
62%
受信側
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設計結果(消費電力)
„ 論理合成後の消費電力
BLOCK1
6%
BLOCK4
61%
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BLOCK2
23%
BLOCK3
10%
送信側
BLOCK1
4%
BLOCK4
59%
BLOCK2
30%
BLOCK3
7%
受信側
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設計結果(配線容量)
„ レイアウトによる配線容量
BLOCK1
4%
BLOCK4
65%
BLOCK3
9%
送信側
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BLOCK1
3%
BLOCK2
22%
BLOCK2
26%
BLOCK3
6%
BLOCK4
65%
受信側
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考察（TCP)
„
各モジュールの面積、消費電力を比較
面積
transmit
消費電力
配線容量
receive transmit receive transmit receive
port_ctr
4%
6%
6%
4%
4%
3%
data_ctr
27%
23%
23%
30%
22%
26%
window_ctr
7%
10%
10%
7%
9%
6%
checksum
62%
61%
61%
59%
65%
65%
・BLOCK4のチェックサムは非常に演算数が多い
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IPハードコアの構成
アプリケーション
z
sevice_info
z
TCP
z
IP
frag_ctr
z
service_info
frag_ctr
z
checksum
z
フラグメントするかしない
かの判定とフラグメント
add_ctr
z
add_ctr
ヘッダ情報の決定（バー
ジョン、ヘッダ長、パケット
長、・・・etc）
送信先アドレスと送信元
アドレスの決定
Checksum
z
ヘッダの誤り検出
データリンク
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設計結果（IP）
・消費電力
・面積
block4
12%
block 3
43%
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block1
16%
block2
29%
block4
13%
block3
47%
block1
14%
block2
26%
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考察（IP）
面積
消費電力
service_info
16%
14%
frag_ctr
29%
26%
add_ctr
43%
47%
checksum
12%
13%
checksumは演算数が多い
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checksumの計算法
z
１６ビット毎に区切って足し合わせる
0
ビット長
32
4
6
1
1
1
1
1
1
送信元ポート番号
TCPヘッダ
16
送信先ポート番号
シーケンス番号
応答確認番号
ヘッダ長
予約ビット
URG ACK PSH RST SYN FIN
チェックサム
ウィンドウサイズ
緊急ポインタ
オプション
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TCPとIPの比較
IP
TCP
transmit
receive
面積(μ㎡)
3.774
3.332
2.1196
消費電力(mW)
18.8503
19.669
10.7182
約２倍
IPよりTCPの機能の方がより複雑
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まとめ
z
z
z
TCP/IP処理の機能分割
ハードウェア化
消費電力解析
z TCPコア
z チェックサム 全体の約６０％
z IPコア
z チェックサム 全体の約４５％
TCP/IPコアの低消費電力化にはこれら２つのブロックに注目！
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今後の課題
z
z
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スイッチング確率、回路全体の負荷容量を考慮
した、より精度の高い消費電力解析
消費電力削減手法の考案
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