Resilient regular expression matching on FPGAs with fast error repair

Abstract

The Network Function Virtualization (NFV) paradigm promises to make computer networks more scalable and flexible by decoupling the network functions (NFs) from dedicated and vendor-specific hardware. However, network and compute intensive NFs may be difficult to virtualize without performance degradation. In this context, Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) have been shown to be a good option for hardware acceleration of virtual NFs that require high throughput, without deviating from the concept of an NFV infrastructure which aims at high flexibility. Regular expression matching is an important and compute intensive mechanism used to perform Deep Packet Inspection, which can be FPGA-accelerated to meet performance constraints. This solution, however, introduces new challenges regarding dependability requirements. Particularly for SRAM-based FPGAs, soft errors on the configuration memory are a significant dependability threat. In this work we present a comprehensive fault tolerance mechanism to deal with configuration faults on the functionality of FPGA-based regular expression matching engines. Moreover, a placement-aware scrubbing mechanism is introduced to reduce the system repair time, improving the system reliability and availability. Experimental results show that the overall failure rate and the system mean time to repair can be reduced in 95% and 90%, respectively, with manageable area and performance costs.

O paradigma Network Function Virtualization (NFV) promete tornar as redes de computadores mais escaláveis e flexíveis, através do desacoplamento das funções de rede de hardware dedicado e fornecedor específico. No entanto, funções de rede computacionalmente intensivas podem ser difíceis de virtualizar sem degradação de desempenho. Neste contexto, Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) têm se mostrado uma boa opção para aceleração por hardware de funções de rede virtuais que requerem alta vazão, sem se desviar do conceito de uma infraestrutura NFV que visa alta flexibilidade. A avaliação de expressões regulares é um mecanismo importante e computacionalmente intensivo, usado para realizar Deep Packet Inpection, que pode ser acelerado por FPGA para atender aos requisitos de desempenho. Esta solução, no entanto, apresenta novos desafios em relação aos requisitos de confiabilidade. Particularmente para FPGAs baseados em SRAM, soft errors na memória de configuração são uma ameaça de confiabilidade significativa. Neste trabalho, apresentamos um mecanismo de tolerância a falhas abrangente para lidar com falhas de configuração na funcionalidade de módulos de avaliação de expressões regulares baseados em FPGA. Além disso, é introduzido um mecanismo de correção de erros que considera o posicionamento desses módulos no FPGA para reduzir o tempo de reparo do sistema, melhorando a confiabilidade e a disponibilidade. Os resultados experimentais mostram que a taxa de falha geral e o tempo de reparo do sistema podem ser reduzidos em 95% e 90%, respectivamente, com custos de área e performance admissíveis.