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动态部分可重构交换式线卡的研究

作　者: 徐旭阳
导　师: 许都
学　校: 电子科技大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 动态可重构网络处理器 Crossbar Pipeline 线卡
分类号: TP393.05
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 3次
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内容摘要

随着因特网规模的不断扩大,各种不同类型不同带宽需求业务的不断出现,使得现在对网络系统中对数据包处理能力的需求不断提高。传统的网络节点只完成少数几种任务,网络系统中线卡上的输入端口一般具有多种功能,例如进行数据链路层的封装与解封装,路由查找,提供QOS等。为了实现更高数据包处理效率以及更低的网络系统硬件投入成本,就需要在一定的硬件资源的基础上实现更多的功能,因此,将纯空间概念的硬件设计方案扩展成为融合时间和空间双重概念的硬件设计方案是一种可行的思路,对线卡中的数据处理单元进行动态部分可重构的设计思想可以实现这种设计方案。本文的研究内容主要集中在对动态部分可重构交换式线卡的结构和功能的设计上。首先,根据对现有的网络处理器的结构特点进行分析和研究,例如多芯片流水线结构,加强型RISC处理器,异构处理器流水线结构等,以典型的数据流水线Pipeline结构为基础的数据流处理结构作为参照,提出了以Crossbar交换结构为基础的数据流处理交换式线卡模型。然后,对基于Crossbar交换结构的动态部分可重构线卡中的各个功能模块进行了功能的定义和设计,对数据包在线卡中的处理流程进行了阐述,结合动态可重构的思想,对原先功能固化的数据处理单元加入动态可重构机制,使得数据处理单元的处理功能可以根据当前业务需求实现灵活配置,从而进一步提高线卡中数据处理硬件资源的利用率,以此来实现在同样规模的硬件资源的条件下达到更高的数据处理性能的目的。最后,假设了多种不同情况下的具有代表性的数据流类型作为仿真的业务类型,在这些业务场景下对基于Pipeline结构的线卡和基于Crossbar结构的线卡在平均时延、资源利用率、极限负载、队列长度等方面进行对比分析,证明了基于Crossbar交换结构的具有动态部分可重构能力的线卡在性能方面的提高。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-17
  1.1 研究背景  9-14
    1.1.1 线卡应用的广泛性和提升线卡性能的重要性  9-10
    1.1.2 网络处理器的发展及应用情况  10-13
    1.1.3 FPGA的动态部分可重构能力  13-14
  1.2 本文的研究内容和主要贡献  14-15
  1.3 本文的组织结构  15-17
第二章动态部分可重构交换式线卡的交换结构  17-30
  2.1 网络处理器的结构与特点  17-25
    2.1.1 多芯片流水线结构的网络处理器  17-18
    2.1.2 采用加强型RISC处理器结构的网络处理器  18-19
    2.1.3 采用嵌入式处理器加协处理器结构的网络处理器  19-20
    2.1.4 用同构处理器构成流水线结构的网络处理器  20
    2.1.5 采用可配置指令集处理器结构的网络处理器  20-21
    2.1.6 用异构处理器组成流水线结构的网络处理器  21-22
    2.1.7 采用自适应的RISC加协处理器结构的网络处理器  22-23
    2.1.8 网络处理器结构特点分析  23-25
  2.2 动态部分可重构交换式线卡结构  25-30
    2.2.1 数据交换的三种基本交换结构  25-28
      2.2.1.1 共享总线结构  25-26
      2.2.1.2 共享存储器结构  26-27
      2.2.1.3 Crossbar交换结构  27-28
    2.2.2 动态部分可重构交换式线卡结构  28-30
第三章动态部分可重构交换式线卡的数据处理  30-52
  3.1 数据流分类  30-35
    3.1.1 协议多路分解  30-31
    3.1.2 数据包分类  31-33
    3.1.3 数据包的流分类  33-35
  3.2 动态部分可重构的数据处理单元定义  35-37
  3.3 动态部分可重构交换式线卡的结构与功能描述  37-43
  3.4 线卡的数据数据包处理流程  43-52
    3.4.1 数据包处理流程  43-45
    3.4.2 处理流程的举例说明  45-52
      3.4.2.1 动态部分可重构交换式线卡的结构假设  45-46
      3.4.2.2 典型业务的处理  46-52
第四章仿真结果对比与分析  52-81
  4.1 业务集中环境下Crossbar与Pipeline结构性能对比仿真结果  52-64
    4.1.1 仿真模型说明  52-53
    4.1.2 在处理功能相对集中的数据包业务下性能对比仿真结果  53-64
  4.2 均匀业务环境下Crossbar与Pipeline结构性能对比仿真结果  64-71
    4.2.1 仿真模型说明  64-65
    4.2.2 在处理功能分布均匀的数据包业务下性能对比仿真结果  65-71
    4.2.3 处理任务集中与处理任务均匀场景下的结果对比  71
  4.3 Crossbar结构中加入可重构功能的仿真结果  71-81
    4.3.1 仿真模型说明  71-72
    4.3.2 正态随机业务场景下仿真结果对比分析  72-76
    4.3.3 均匀随机业务场景下仿真结果对比分析  76-79
    4.3.4 正态随机业务与均匀随机业务场景下的结果对比  79-81
第五章总结与展望  81-83
  5.1 研究工作总结  81
  5.2 展望  81-83
致谢  83-84
参考文献  84-86
个人简历  86-87
作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目  87
作者在攻读硕士学位期间获奖情况  87

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