路由器SoC系统架构的研究与设计

发布时间：2018-07-31 19:54

【摘要】：作为Internet网络的核心设备，路由器对整个网络系统的性能起到了关键作用。一方面，随着大数据时代的到来，当前的路由器体系结构难以解决目前路由器所面临的容量、效率、扩展性和功耗等问题。另一方面，伴随着网络的快速发展，网络的安全性面临着巨大挑战，需要在路由器中快速发现网络进攻行为，保护网络数据安全。针对路由器在网络传输效率和数据安全两方面的需求，本文对路由器SoC（System on Chip）体系结构、片内通信、互连结构诊断技术、深度包检测技术中特征（模式）匹配技术以及功能验证等关键技术进行了深入的研究，提出一些新的解决思路，为下一代网络路由器的性能和数据安全提升提供借鉴。 论文的主要研究内容和创新性成果包括： 1.对路由器SoC的片内通信机制进行了深入的研究，提出了Mobius立方体的最短路径算法，该算法相对于Cull P提出的算法能快速找到一条最短路径；在此基础上，提出了查找Mobius立方体中任意源/目的节点之间所有最短路径查找算法。 2.基于0型/1型-2维Mobius立方体，提出了一种适于硬件实现的路由器SoC互连结构分层路由交叉互连Mesh结构HRCM，以及适用于该结构的分层路由算法HXY。该结构具有良好的系统性能和可扩展性，易于实现IP路由器中的以完成路由器中的分布式转发和交换。实验结果表明，与Xmesh和Mesh相比，HRCM不论是在系统吞吐量、丢包率还是系统平均延时上都具有较大优势。 3．提出了一种带有容错的分层双环形路由器SoC拓扑结构，该结构中链路分为两组环网，其中有一组环网为备用环网。为该结构设计了一种时分和空分复用的路由算法，分离控制和数据，，去除了数据缓存，消除了链路拥塞。仿真结果表明该结构可以有效避免拥塞、死锁和饥饿，保证带宽充分利用。 4.提出一种在PMC模型下HRCM的快速条件诊断算法，通过广度优先搜索遍历整个HRCM网络，在遍历过程中通过相邻节点之间的诊断结果将HRCM中的节点分成若干个集合，再通过集合之间的关系和集合中所含元素的数量识别出故障集合和无故障集合，对于N*N的HRCM网络，该算法的时间复杂度为O (N2)。本文还将该算法有效的推广到超立方体中，用来诊断由多个路由器组成的路由器系统。 5.针对网络安全提出了一种用于深度包检测系统的模式匹配算法基于分布式存储的正则表达式并行匹配算法REPMBDS。实验表明，该算法在处理时间上相比现有的串行匹配算法至少可以提高5倍以上，可以有效地处理在高速、大容量的Internet对网络入侵的实时检测。 6.基于NetFPGA开发板设计了路由器SoC的功能仿真验证平台。该平台通过软件模块对其进行动态系统配置，实现了不同路由器SoC系统的功能仿真与验证。设计了4*4的HRCM路由器SoC系统并进行了仿真。在验证平台上对基于HRCM互连结构的路由器SoC进行了验证，并将深度包检测系统嵌入到该路由器SoC结构中对其完成功能及性能验证。
[Abstract]:As the core equipment of Internet network, routers play a key role in the performance of the whole network system. On the one hand, with the arrival of the era of large data, the current router architecture is difficult to solve the problem of capacity, efficiency, scalability and power consumption that routers are facing. On the other hand, the network is developing rapidly. The security is facing great challenges. It needs to quickly discover network attack behavior in the router and protect the network data security. In view of the two aspects of network transmission efficiency and data security, this paper presents the features of router SoC (System on Chip) architecture, intra chip communication, interconnection structure diagnosis technology and depth packet detection technology. The key technologies, such as pattern matching technology and function verification, are deeply studied, and some new solutions are put forward to provide reference for the performance of the next generation network router and the improvement of data security.
The main research contents and innovative achievements of the paper include:
1. the intra chip communication mechanism of router SoC is deeply studied, and the shortest path algorithm of Mobius cube is proposed. The algorithm can quickly find a shortest path compared with the algorithm proposed by Cull P. On this basis, all the shortest path lookup algorithms between arbitrary source / destination nodes in the Mobius cube are proposed.
2. based on the 0 /1 type -2 dimension Mobius cube, a kind of router SoC interconnection structure layered routing cross interconnection Mesh structure HRCM suitable for hardware implementation, and the hierarchical routing algorithm suitable for the structure HXY., which has good system performance and extensibility, it is easy to realize the distribution of the router in the IP router. Experimental results show that compared with Xmesh and Mesh, HRCM has more advantages in system throughput, packet loss rate and system average delay.
3. a layered double ring router SoC topology with fault tolerance is proposed. In this structure, the link is divided into two groups of ring networks, one of which has a set of ring nets as the standby ring network. A time division and space division multiplexing routing algorithm is designed for the structure, which separates the control and data, removes the data cache and eliminates the link congestion. Simulation results show that this The structure can effectively avoid congestion, deadlock and starvation, and ensure that the bandwidth is fully utilized.
4. a fast conditional diagnosis algorithm for HRCM under the PMC model is proposed. The whole HRCM network is traversed through the breadth first search. In the ergodic process, the nodes in the HRCM are divided into several sets through the diagnosis between adjacent nodes, and then the fault set and no reason are identified by the relationship between the sets and the number of elements in the set. For the obstacle set, the time complexity of the algorithm is O (N2) for the HRCM network of N*N. This algorithm is also effectively extended to the hypercube, which is used to diagnose the router system composed of multiple routers.
5. for network security, a pattern matching algorithm for depth packet detection system is proposed, which is based on distributed storage based regular expression parallel matching algorithm REPMBDS. experiment. It shows that the algorithm can improve at least 5 times more than the existing serial matching algorithm in processing time, and can effectively deal with high speed and large capacity Intern. Et real-time detection of network intrusion.
6. the function simulation and verification platform of router SoC is designed based on NetFPGA development board. The platform is configured dynamically by the software module to realize the function simulation and verification of different router SoC systems. The HRCM router SoC system of 4*4 is designed and simulated. The routing based on the HRCM interconnection structure on the verification platform is carried out. The device SoC is verified, and the deep packet inspection system is embedded into the SoC structure of the router to perform its function and performance verification.
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP393.05;TN47

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本文编号：2156665