【摘要】：作為Internet網(wǎng)絡的核心設備，路由器對整個網(wǎng)絡系統(tǒng)的性能起到了關鍵作用。一方面，隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，當前的路由器體系結構難以解決目前路由器所面臨的容量、效率、擴展性和功耗等問題。另一方面，伴隨著網(wǎng)絡的快速發(fā)展，網(wǎng)絡的安全性面臨著巨大挑戰(zhàn)，需要在路由器中快速發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡進攻行為，保護網(wǎng)絡數(shù)據(jù)安全。針對路由器在網(wǎng)絡傳輸效率和數(shù)據(jù)安全兩方面的需求，本文對路由器SoC（System on Chip）體系結構、片內通信、互連結構診斷技術、深度包檢測技術中特征（模式）匹配技術以及功能驗證等關鍵技術進行了深入的研究，提出一些新的解決思路，為下一代網(wǎng)絡路由器的性能和數(shù)據(jù)安全提升提供借鑒。 論文的主要研究內容和創(chuàng)新性成果包括： 1.對路由器SoC的片內通信機制進行了深入的研究，提出了Mobius立方體的最短路徑算法，該算法相對于Cull P提出的算法能快速找到一條最短路徑；在此基礎上，提出了查找Mobius立方體中任意源/目的節(jié)點之間所有最短路徑查找算法。 2.基于0型/1型-2維Mobius立方體，提出了一種適于硬件實現(xiàn)的路由器SoC互連結構分層路由交叉互連Mesh結構HRCM，以及適用于該結構的分層路由算法HXY。該結構具有良好的系統(tǒng)性能和可擴展性，易于實現(xiàn)IP路由器中的以完成路由器中的分布式轉發(fā)和交換。實驗結果表明，與Xmesh和Mesh相比，HRCM不論是在系統(tǒng)吞吐量、丟包率還是系統(tǒng)平均延時上都具有較大優(yōu)勢。 3．提出了一種帶有容錯的分層雙環(huán)形路由器SoC拓撲結構，該結構中鏈路分為兩組環(huán)網(wǎng)，其中有一組環(huán)網(wǎng)為備用環(huán)網(wǎng)。為該結構設計了一種時分和空分復用的路由算法，分離控制和數(shù)據(jù)，，去除了數(shù)據(jù)緩存，消除了鏈路擁塞。仿真結果表明該結構可以有效避免擁塞、死鎖和饑餓，保證帶寬充分利用。 4.提出一種在PMC模型下HRCM的快速條件診斷算法，通過廣度優(yōu)先搜索遍歷整個HRCM網(wǎng)絡，在遍歷過程中通過相鄰節(jié)點之間的診斷結果將HRCM中的節(jié)點分成若干個集合，再通過集合之間的關系和集合中所含元素的數(shù)量識別出故障集合和無故障集合，對于N*N的HRCM網(wǎng)絡，該算法的時間復雜度為O (N2)。本文還將該算法有效的推廣到超立方體中，用來診斷由多個路由器組成的路由器系統(tǒng)。 5.針對網(wǎng)絡安全提出了一種用于深度包檢測系統(tǒng)的模式匹配算法基于分布式存儲的正則表達式并行匹配算法REPMBDS。實驗表明，該算法在處理時間上相比現(xiàn)有的串行匹配算法至少可以提高5倍以上，可以有效地處理在高速、大容量的Internet對網(wǎng)絡入侵的實時檢測。 6.基于NetFPGA開發(fā)板設計了路由器SoC的功能仿真驗證平臺。該平臺通過軟件模塊對其進行動態(tài)系統(tǒng)配置，實現(xiàn)了不同路由器SoC系統(tǒng)的功能仿真與驗證。設計了4*4的HRCM路由器SoC系統(tǒng)并進行了仿真。在驗證平臺上對基于HRCM互連結構的路由器SoC進行了驗證，并將深度包檢測系統(tǒng)嵌入到該路由器SoC結構中對其完成功能及性能驗證。
[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.
【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TP393.05;TN47

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本文編號：2156665