TY - THES A1 - Büchner, Steffen T1 - Applying the stream-processing paradigm to ultra high-speed communication systems T1 - Anwendung des Strom-Verarbeitungs-Paradigmas auf Ultra-Hoch-Geschwindigkeits-Kommunikationssysteme N2 - 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 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. N2 - 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 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. KW - Stream processing KW - Ultra high speed communication systems KW - Communication protocols KW - Wireless communication KW - End2End100 KW - Stromverarbeitung KW - Ultra-Hoch-Geschwindigkeits-Kommunikationssysteme KW - Kommunikationsprotokolle KW - Drahtlose Kommunikation KW - Kommunikationsprotokoll KW - Protokollverarbeitung KW - Hochgeschwindigkeitskommunikation KW - End2End100 Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-52462 ER - TY - CHAP A1 - Büchner, Steffen A1 - Nolte, Jörg A1 - Hasani, Alireza A1 - Kraemer, Rolf A1 - Lopacinsiki, Lukasz T1 - End2End100 : communication protocol processing for ultra high data rates T1 - End2End100 : Kommunikations-Protokoll–Prozessierung für ultrahohe Datenraten T2 - Wireless 100 Gbps and beyond : architectures, approaches and findings of German Research Foundation (DFG) Priority Programme SPP1655 N2 - In 2012 a group of researchers proposed a basic research initiative to the German Research Foundation (DFG) as a special priority project (SPP) with the name: Wireless 100 Gbps and beyond. The main goal of this initiative was the investigation of architectures, technologies and methods to go well beyond the state of the art. The target of 100 Gbps was set far away from the (at that time) achievable 1 Gbps such that it was not possible to achieve promising results just by tuning some parameters. We wanted to find breakthrough solutions. When we started the work on the proposal we discussed the challenges to be addressed in order to advancing the wireless communication speed significantly. Having the fundamental Shannon boundary in mind we discussed how to achieve the 100 Gbps speed. N2 - Angesichts der rapiden Entwicklung der Funkkommunikation hat die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Jahr 2012 ein Schwerpunktprogramm mit dem Titel "Wireless 100 Gbps and beyound" (dt.: Drahtloskommunikation mit 100 Gbps und mehr) gestartet. Diese Initiative zielte auf neue Lösungen, Methoden und neues Wissen zur Lösung des Problems des kontinuierlichen Bedarfs an immer höheren Datenraten im Bereich der Funkkommunikation. Eine international besetze Jury hat etliche Projektvorschläge evaluiert, aus denen 11 Projekte ausgewählt und über zweimal 3 Jahre von Mitte 2013 bis Mitte 2019 gefördert wurden. Das vorliegende Buch versammelt die Ansätze, Architekturen und Erkenntnisse der Projekte. Es überspannt einen breiten Themenbereich, angefangen mit speziellen Fragen der physikalischen Übertragung, des Antennendesigns und der HF-Eingangs-Architekturen für unterschiedliche Frequenzbereiche bis 240 GHz. Darüber hinaus beschreibt das Buch Ansätze für Ultra-Hochgeschwindigkeits-Funksysteme, deren Basisbandverarbeitung, Kodierung sowie mögliche Umsetzungen. Nicht zuletzt wurden auch Fragen des Protokolldesigns behandelt, um eine enge Integration in moderne Computersysteme zu erleichtern. KW - 100 Gbps KW - Wireless KW - Drahtlos KW - End2End100 KW - Communication protocol processing KW - Kommunikations-Protokoll–Prozessierung KW - Drahtloses Sensorsystem KW - Hochfrequenztechnik KW - Antenne KW - Terahertzbereich KW - Energieffizienz Y1 - 2020 U6 - https://doi.org/10.26127/BTUOpen-5916 SP - 359 EP - 396 ER -