diplomová práce

Stavové zpracování síťových toků s využitím FPGA pro sítě s propustností 400 Gb/s

Autor práce: Ing. Oliver Gurka

Ak. rok: 2025/2026

Abstrakt:

Stavové spracovanie paketov je kľúčovou súčasťou moderných sieťových bezpečnostných a monitorovacích systémov, avšak pri priepustnostiach rádovo stoviek Gb/s predstavuje správa veľkého stavového priestoru zásadnú výzvu. Táto práca navrhuje FPGA architektúru schopnú stavového spracovania paketov pri priepustnosti 400 Gb/s s podporou veľkého stavového priestoru uloženého v externej pamäti. Navrhnuté riešenie rozširuje existujúcu architektúru horizontálnym škálovaním a pridaním vyrovnávacej pamäte na čipe, ktorá znižuje záťaž externej pamäte uchovávaním záznamov významných tokov. Architektúra bola implementovaná a overená na FPGA platforme, pričom výsledky potvrdzujú stabilné spracovanie prevádzky pri 400 Gb/s s nízkou latenciou a efektívnou prácou s pamäťou DRAM.

Klíčová slova:

Stavové spracovanie paketov, chrbtové siete, FPGA, ťažké toky, keš.

Termín obhajoby

25.06.2026

Výsledek obhajoby

obhájeno (práce byla úspěšně obhájena)

znamkaAznamka

Klasifikace

Průběh obhajoby

Student nejprve prezentoval výsledky, kterých dosáhl v rámci své práce. Komise se poté seznámila s hodnocením vedoucího a posudkem oponenta práce. Student následně odpověděl na otázky oponenta a na další otázky přítomných. Komise se na základě posudku oponenta, hodnocení vedoucího, přednesené prezentace a odpovědí studenta na položené otázky rozhodla práci hodnotit stupněm A.

Otázky k obhajobě

Bod 4 zadání vyžaduje funkční verifikaci implementace. Prostředí UVM verifikace je součastí odevzdaného řešení. V textu práce ale o verifikaci bližší zmínka není uvedena, jen v závěru je konstatováno, že proběhla. Mohli by jste se k vykonané/vytvořené verifikaci vyjádřit podrobněji?
Kapitola 2 textu neobsahuje žádné reference na literaturu. Jedná se o vlastní myšlenky autora a zavádí se zde vlastní formalizmus (sekce 2.2)?
V závěru je zmíněno využití a nasazení v praxi. Je plánovaná také další publikační nebo výzkumná činnost spojená s výstupem práce?
Co myslíte tím, že využíváte pamět, která se podobá asociativní paměti?
Kolik úrovní paměti cache používáte? Bylo by možné ji optimalizovat?

Jazyk práce

slovenština

Fakulta

Fakulta informačních technologií

Ústav

Ústav počítačových systémů

Studijní program

Informační technologie a umělá inteligence (MITAI)

Specializace

Vestavěné systémy (NEMB)

Složení komise

doc. Ing. Zdeněk Vašíček, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Michal Bidlo, Ph.D. (místopředseda)
doc. Mgr. Adam Rogalewicz, Ph.D. (člen)
Ing. Marcela Zachariášová, Ph.D. (člen)
doc. Dr. Ing. Otto Fučík (člen)
Ing. Josef Strnadel, Ph.D. (člen)

Posudek vedoucího
doc. Ing. Jan Kořenek, Ph.D.

Diplomová práce řeší aktuální a technicky náročnou problematiku stavového zpracování síťových toků ve vysokorychlostních sítích. Student prokázal schopnost samostatně navrhnout, implementovat a experimentálně vyhodnotit komplexní hardwarovou architekturu na FPGA platformě. Výsledkem práce je funkční implementace, která dosahuje unikátních parametrů z hlediska propustnosti. Navržené řešení má široký potenciál pro praktické nasazení. Proto navrhuji hodnocení stupněm A – výborně.

Kritérium hodnocení	Slovní hodnocení
Informace k zadání	Diplomová práce je zaměřena na návrh architektury pro stavové zpracování síťových toků při rychlosti 400 Gb/s s využitím externích pamětí. Jedná se o velmi náročné zadání, které vyžadovalo hluboké porozumění problematice stavového zpracování síťových toků i návrhu vysoce výkonných FPGA architektur s efektivním využitím paměťové hierarchie. Práce přirozeně navazuje na předchozí bakalářskou práci studenta a dále rozvíjí výsledky dosažené během jeho projektové praxe. Student všechny body zadání splnil v plném rozsahu. Za nejvýznamnější přínos považuji návrh a implementaci funkčního řešení, které bylo úspěšně ověřeno na reálné hardwarové platformě.
Aktivita při dokončování	Práce vznikala průběžně a její dílčí části byly pravidelně konzultovány. Přestože část textu byla dopracována až v závěrečné fázi před odevzdáním, student průběžně reagoval na připomínky. V konečném důsledku se podařilo většinu připomínek a doporučení do finální verze práce zapracovat.
Publikační činnost, ocenění	Výsledky práce mají především aplikační charakter. Navržená hardwarová architektura byla využita v rámci projektu FETA a její další využití se plánuje při monitorování a ochraně síťové infrastruktury sdružení CESNET.
Práce s literaturou	Student samostatně nastudoval relevantní odbornou literaturu z oblasti FPGA akcelerace, stavového zpracování síťových toků a paměťových architektur. Prokázal dobrou orientaci v dané problematice a získané poznatky efektivně využil při návrhu a implementaci vlastního řešení.
Aktivita během řešení, konzultace, komunikace	Student pracoval během řešení práce samostatně a zodpovědně. Průběžně konzultoval dosažené výsledky a na konzultace přicházel vždy dobře připraven.

Výsledný počet bodů navržený vedoucím: 96

Známka navržená vedoucím: A

Posudek oponenta
Ing. Lukáš Kekely, Ph.D.

Student vytvořil zajímavou implementaci architektury stavového zpracování toků pro čipy technologie FPGA optimalizovanou pro v součastnosti nejrychleší 400GbE linky. Implementace je již využívaná na reálné síti sdružením Cesnet jako součást jejich akcelerační platfromy. Kvalitou provedení a výkonem tato implementace nezaostává za realizacemi jiných částí této platformy. Praktické využití na síťových kartách s FPGA čipem je tedy jednoduše možné a potvrzené.

Celkově navrhuji hodnocení stupněm A.

Kritérium hodnocení	Slovní hodnocení	Body	Max. body
Rozsah splnění požadavků zadání	Stupeň hodnocení: zadání splněno Práce splnila všechny body zadání. Realizovány byly všechny požadované častí v dostatečné kvalitě.
Rozsah technické zprávy	Stupeň hodnocení: je v obvyklém rozmezí Textová správa má obvyklý rozsah diplomové práce. Struktura připomíná spíše odborný článek, kdy je vymezení se vůči již existujícím architekturám popsáno ve vlastní kapitole. Celkově, nic významného v textu neschází a nic nepůsobí nadbytečným dojmem.
Prezentační úroveň technické zprávy	Práce jasně a výstižně uvádí zajímavé informace. Je jasná návaznost kapitol a text má velice dobrou logickou strukturu.	95	100
Formální úprava technické zprávy	Technická správa je napsána kvalitní slovenštinou. Malou připomínkou je občasné použití zbytečných anglických pojmů. Z typografického pohledu je text vhodně formátován. Opět jenom drobné připomínky z pohledu občasného výskytu osamocených slov na koncích řádků nebo zbytečně dlouhých popisků obrázků a tabulek.	90	100
Práce s literaturou	Autor používá a cituje relevantní primární zdroje pro odkazované technologie. Celkový počet referencí je trochu pod rámcem standardu diplomové práce. Chybí mi reference v kapitole 2, nebo jestli jde o autorovo vlastní dílo, alespoň odkazy na zavedenou teorii, z které vychází a na kterou navazuje/rozšiřuje.	80	100
Realizační výstup	Výsledkem práce je implementace pro akcelerované stovavé zpracování síťových toků na čipu technologie FPGA. Součástí implementace je také konfigurační API v jazyce C++ a Python pro ovládání funkce za provozu. Implementace všech částí byla podrobně otestována pomocí funkční verifikace a hardwarových testů na reálných kartách. Dosaženo je zároveň propustnosti dostatečné pro praktické vysokorychlostní nasazení na linkách o rychlostech od 100GbE do 400GbE.	100	100
Využitelnost výsledků	Výsledná realizace je součástí firmwarového repozitáře platformy NDK, kde přidává zajímavou novou funkcionalitu. Praktické využití výsledků je možné v řešených výzkumných projektech sdružení Cesnet na reálných FPGA akcelerovaných síťových kartách. Doporučil bych také zkusit prezentovat výsledky práce na vhodné FPGA nebo síťové konferenci.
Náročnost zadání	Stupeň hodnocení: obtížnější zadání Student musel navrhnout a realizovat nejen relativně komplexní FPGA jednotku, ale také její softwarové řízení spolu s funkční verifikací celého systému.

Otázky k obhajobě:

Bod 4 zadání vyžaduje funkční verifikaci implementace. Prostředí UVM verifikace je součastí odevzdaného řešení. V textu práce ale o verifikaci bližší zmínka není uvedena, jen v závěru je konstatováno, že proběhla. Mohli by jste se k vykonané/vytvořené verifikaci vyjádřit podrobněji?
V závěru je zmíněno využití a nasazení v praxi. Je plánovaná také další publikační nebo výzkumná činnost spojená s výstupem práce?
Kapitola 2 textu neobsahuje žádné reference na literaturu. Jedná se o vlastní myšlenky autora a zavádí se zde vlastní formalizmus (sekce 2.2)?

Výsledný počet bodů navržený oponentem: 90

Známka navržená oponentem: A

Odpovědnost: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová

VUT

Fakulty a vysokoškolské ústavy

Součásti

Stavové zpracování síťových toků s využitím FPGA pro sítě s propustností 400 Gb/s