路由器中CICQ交换结构研究与FPGA实现

发布时间：2017-07-18 01:28

  本文关键词：路由器中CICQ交换结构研究与FPGA实现

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【摘要】：随着互联网应用不断扩大,互联网承载的业务,已由过去单纯的数据业务向语言业务、视频业务、游戏业务等多方向发展。网络互连设备如核心路由器和大型交换机成为了互连网高速发展的关键设备。在交换机和路由器中,交换结构是其核心单元,决定了网络互连设备的性能。目前交换结构及交换结构的调度算法已成为热门研究课题。本文分析了现有交换结构的不足,采用APRR调度算法设计了带缓存的交叉开关交换结构(CICQ),设计了应用于路由器的可自定义寄存器总线,在Xilinx公司的FPGA平台上实现了该交换结构和寄存器总线。在交换结构输入端,采用虚拟输出队列消除了队头阻塞,降低了报文丢包率。采用温度计编码和反温度计编码,设计了交换结构的可编程优先级仲裁器。采用APRR调度算法提高了交换结构在非均匀业务下吞吐率,应用二级流水线调度机制,降低了报文的转发时延。基于Virex-5芯片实现了8*8的带缓存交叉开关交换结构。仿真结果表明,报文可以按照端口信息在8us范围内从输入端口转发到输出端口。FPGA综合结果表明:该交换结构消耗了26008个Slice寄存器,占了Virex-5芯片资源的31%,消耗了18632个LUT,占Virex-5芯片资源的22%,消耗了96个RAM/FIFO单元,占总资源的32%。采用了自定义的寄存器总线协议,设计了具有一位控制线和一位串行数据线的寄存器总线;对寄存器总线传输的数据采用了帧头与帧尾校验方式,提高了数据传输的安全性;基于Virex-5芯片实现了该寄存器总线。仿真结果表明,主控CPU能够正确读写接口板路由表。FPGA综合结果表明,该总线消耗的寄存器和查找表资源极少,不到芯片资源的1%。将CICQ交换结构和自定义总线应用于路由器中,并测试与分析了路由器的性能和功能。采用IXIA网络分析仪,对路由器进行了交换容量、链路速率、报文转发时延和丢包率的测试。测试结果表明:路由器交换容量大于10Gbps,链路速率大于1.5Gbps,转发时延小于25us,丢包率小于10-6,满足了路由器的应用要求。
【关键词】：交换结构 总线 虚拟输出队列 CICQ 调度算法
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN915.05;TN791
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章绪论10-15
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-13
• 1.2.1 时分交换结构11
• 1.2.2 交叉开关交换结构11-13
• 1.3 论文研究内容及章节安排13-15
• 第二章 CICQ交换结构发展概述15-22
• 2.1 CICQ交换结构介绍15-16
• 2.2 CICQ交换结构调度算法16-20
• 2.2.1 基于队列状态信息的调度算法17-18
• 2.2.2 APRR调度算法18-20
• 2.2.3 调度算法对比分析20
• 2.3 交换结构性能评价标准20-21
• 2.4 本章小结21-22
• 第三章 CICQ交换结构的FPGA实现22-43
• 3.1 交换结构总体方案22-26
• 3.1.1 报文传输格式23-25
• 3.1.2 交换结构模块说明25
• 3.1.3 报文流量控制25-26
• 3.2 VOQ模块设计26-30
• 3.2.1 VOQ概述26-27
• 3.2.2 FIFO模块设计27-28
• 3.2.3 VOQ状态机的设计28-30
• 3.3 仲裁器模块设计30-36
• 3.3.1 PPE模块30-33
• 3.3.2 优先级仲裁器模块33-36
• 3.3.3 APRR调度算法实现36
• 3.4 Crossbar模块设计36-39
• 3.5 数据输出模块设计39-41
• 3.6 CICQ交换结构的整体实现41-42
• 3.7 本章小结42-43
• 第四章寄存器总线的设计与实现43-53
• 4.1 寄存器总线协议43-44
• 4.2 寄存器总线模块实现44-49
• 4.2.1 寄存器下行模块实现45-48
• 4.2.2 寄存器上行模块实现48-49
• 4.2.3 寄存器总线整体实现49
• 4.3 寄存器总线仿真49-52
• 4.3.1 读路由表寄存器50-51
• 4.3.2 写路由表寄存器51-52
• 4.4 本章小结52-53
• 第五章系统测试及分析53-60
• 5.1 搭建测试平台53-55
• 5.2 路由器性能测试55-59
• 5.2.1 交换容量测试55-57
• 5.2.2 链路速率测试57-58
• 5.2.3 报文转发时延测试58-59
• 5.2.4 测试结果分析59
• 5.3 本章小结59-60
• 总结与展望60-62
• 总结60
• 展望60-62
• 参考文献62-66
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果66-67
• 致谢67-68
• 答辩委员会对论文的评定意见68

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1 罗俊,李乐民,许都;测试交换结构性能的仿真信源实现[J];电子科技大学学报;2003年03期

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本文编号：555471