基于FPGA的万兆以太网数据分发平台设计

发布时间：2017-04-13 23:09

  本文关键词：基于FPGA的万兆以太网数据分发平台设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：万兆以太网具备传输速率高、兼容性高等优势。随着网络技术的不断发展,万兆以太网各方面成本大幅降低,应用范围也逐步扩大。在万兆网络条件下,使用FPGA实现全硬件协议栈可以节约硬件成本,适用于不同情况的网络环境中,令系统的执行效率更高。本文首先介绍了万兆以太网的技术应用,并总结了国内外相关研究的前沿方向。面对万兆以太网广阔的应用前景,设计了基于FPGA的万兆以太网数据分发平台。接下来阐述了UDP、ARP、IGMP等网络协议栈的内容及网络协议栈的硬件实现原理,采用外部物理层芯片,提供了一种FPGA实现硬件协议栈的解决方案,本文的重点也在使用VHDL编程语言在FPGA上进行硬件代码设计。随后对数据分发平台的系统进行概述,阐述了系统的运行流程和系统规模,并详细说明了系统各模块的具体功能及实现方法。采用适用于万兆网络数据收发的验证平台,验证了数据分发平台对UDP、ARP、IGMP协议的支持情况。并对系统进行了配置下载、数据分拣打包、状态上报等功能的验证及接收、发送性能的测试。综上,本文设计了基于FPGA的万兆以太网数据分发平台,支持UDP、ARP、IGMP等网络协议;具备接收、分拣、打包、发送等数据分发功能;使用了上位机配置软件,可使用上位机对FPGA进行远程配置;FPGA可实时反馈运行状态;在实际测试中系统能够达到6000Mbps及以上的传输速率,满足万兆以太网高速传输的性能要求。
【关键词】：万兆以太网 FPGA 硬件协议栈 数据分发 VHDL
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP393.11
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-15
• 1.1 本论文研究的目的和意义10
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势10-14
• 1.2.1 万兆以太网技术应用及前景10-12
• 1.2.2 FPGA实现全硬件协议栈12-14
• 1.2.3 国内外研究前景总结14
• 1.3 论文的实现内容及方法14-15
• 第2章 网络协议栈介绍及其硬件实现原理15-23
• 2.1 用户数据报协议15-16
• 2.1.1 用户数据报协议（UDP）的定义及内容15-16
• 2.1.2 用户数据报协议（UDP）在64位宽表示下的格式16
• 2.2 地址解析协议16-18
• 2.2.1 地址解析协议（ARP）的定义及内容16-17
• 2.2.2 地址解析协议（ARP）在64位宽表示下的格式17-18
• 2.3 因特网组管理协议18-19
• 2.3.1 因特网组管理协议（IGMP）的定义及内容18-19
• 2.3.2 因特网组管理协议（IGMP）在万兆以太网下的格式19
• 2.4 万兆网络协议栈的硬件实现原理19-22
• 2.4.1 万兆物理层芯片20
• 2.4.2 万兆光纤模块20-21
• 2.4.3 协议栈硬件实现原理框图21
• 2.4.4 协议栈硬件实现中采用的时钟及数据位宽21-22
• 2.5 本章小结22-23
• 第3章 数据分发平台各模块功能及实现23-46
• 3.0 数据分发平台的系统概述23-25
• 3.1 管理模块25-30
• 3.1.1 概述25
• 3.1.2 任务配置25-27
• 3.1.3 任务管理27-28
• 3.1.4 模块功能28-29
• 3.1.5 实现方案29-30
• 3.2 状态上报模块30-33
• 3.2.1 概述30
• 3.2.2 模块功能30-32
• 3.2.3 实现方案32-33
• 3.3 地址解析协议（ARP）查询模块33-36
• 3.3.1 概述33
• 3.3.2 模块功能33-34
• 3.3.3 实现方案34-36
• 3.4 终端服务模块36-37
• 3.4.1 概述36
• 3.4.2 模块功能36-37
• 3.4.3 实现方案37
• 3.5 转发器模块37-39
• 3.5.1 概述37
• 3.5.2 模块功能37-38
• 3.5.3 实现方案38-39
• 3.6 用户服务模块39-41
• 3.6.1 概述39
• 3.6.2 实现功能39-40
• 3.6.3 实现方案40-41
• 3.7 一级数据总线41-43
• 3.7.1 概述41-42
• 3.7.2 模块功能42-43
• 3.7.3 实现方案43
• 3.8 二级总线43-45
• 3.8.1 概述43-44
• 3.8.2 实现功能44
• 3.8.3 实现方案44-45
• 3.9 本章小结45-46
• 第4章 数据分发平台的功能验证与性能测试46-71
• 4.1 数据分发平台的验证系统46
• 4.2 网络协议实现验证46-56
• 4.2.1 用户数据报协议（UDP）验证46-51
• 4.2.2 因特网组管理协议（IGMP）验证51-55
• 4.2.3 地址解析协议（ARP）验证55-56
• 4.3 功能验证56-66
• 4.3.1 配置下载功能56-60
• 4.3.2 数据分拣、打包功能60-63
• 4.3.3 状态上报功能63-66
• 4.4 性能测试66-70
• 4.4.1 数据接收性能测试66-67
• 4.4.2 数据发送性能测试67-68
• 4.4.3 数据转发性能测试68-70
• 4.5 本章小结70-71
• 结论71-73
• 参考文献73-75
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单75-76
• 致谢76

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