隨著5G通信、云計算、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的廣泛興起,數(shù)據(jù)流量爆炸式增長,網(wǎng)絡(luò)帶寬也隨之快速增長,目前萬兆以太網(wǎng)已經(jīng)普及。CPU如何來處理速度越來越快、流量越來越大的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)成為一個難點,其重要解決方案為TCP/IP卸載引擎技術(shù)（簡稱TOE技術(shù)）,即通過專用的硬件設(shè)備來處理復雜的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù),以釋放CPU資源,降低其處理壓力。然而現(xiàn)有萬兆以太網(wǎng)的TOE解決方案還不夠成熟,存在速度慢、未兼容標準協(xié)議等缺陷。針對當前研究現(xiàn)狀并結(jié)合市場需求,本文設(shè)計了一套基于FPGA的萬兆以太網(wǎng)TCP/IP卸載引擎與硬件系統(tǒng),通過FPGA硬件邏輯實現(xiàn)標準TCP/IP協(xié)議棧卸載,并融合數(shù)字鑒權(quán)等安全算法實現(xiàn)高速安全的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸與通信。硬件系統(tǒng)采用Xilinx XC7Z045為核心處理器,包含4路萬兆光口SFP+和1路PCIe 2.0×8接口,并搭載4片DDR3@1866Mbps和4片DDR3@1066Mbps存儲顆粒;整板包含1190個電子元器件,4118個連接,17路電源,并有8對最高速度達10.3125Gbps的SFP+差分走線,16對最高速度達5GTps的PCIe差分走線,以及共180余根DDR3高速走線... 

【文章來源】：華東師范大學上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：162 頁

【學位級別】：碩士

【圖文】：

系統(tǒng)應(yīng)用框圖

華東師范大學碩士學術(shù)論文14圖2-2系統(tǒng)總體功能框圖系統(tǒng)方案硬件設(shè)計及指標論證根據(jù)上述系統(tǒng)總體功能框圖，本系統(tǒng)硬件電路板需要完成的核心功能如下：提供萬兆網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接口；提供海量網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的緩存和處理能力；提供與主機交互數(shù)據(jù)接口；提供安全加密算法處理能力。依據(jù)上述核心功能，擬解決的核心問題列舉如下，并依次進行論證和設(shè)計：硬件框架方案；網(wǎng)絡(luò)接口方案；與主機互聯(lián)方案；數(shù)據(jù)緩存方案；核心處理器方案；高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計。

華東師范大學碩士學術(shù)論文152.2.1硬件框架方案圍繞TOE核心技術(shù)的解決方案，目前有三種主流的解決方案：ASIC方案、嵌入式軟核方案、FPGA硬件邏輯方案[13]。ASIC方案的優(yōu)勢在于性能高，可靠性好；缺陷在于設(shè)計周期長，流片風險高，成本高，不夠靈活和不易拓展。嵌入式軟核方案的優(yōu)勢在于設(shè)計周期短，靈活；缺陷在于本質(zhì)上仍然依賴于軟件平臺的協(xié)議棧，因此吞吐率低，延時高，且性價比不高，不適合規(guī)模化。FPGA硬件邏輯方案，開發(fā)周期適中，可重復編程，靈活性高，且FPGA高速并發(fā)的特性保證了其高吞吐率和低延時；缺陷在于其技術(shù)開發(fā)難度大。體現(xiàn)在，需要通過硬件描述語言對底層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行重構(gòu)，考驗開發(fā)人員的FPGA硬件邏輯編程能力。目前，該方案為國內(nèi)外大多數(shù)科研人員努力的方向。本系統(tǒng)采用的也是該解決方案�？紤]到項目需求中還要求對系統(tǒng)進行配置、管理，以及對設(shè)備安全和傳輸安全的控制，因此還需要更加靈活的微處理器輔助完成這些功能。目前主流的微處理器架構(gòu)為ARM架構(gòu)。因此，系統(tǒng)的硬件框架方案如圖2-3所示：整體采用FPGA+ARM的框架，F(xiàn)PGA處理高速的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接口，ARM處理器完成配置管理、鑒權(quán)和加密等功能。圖2-3硬件框圖

【參考文獻】：
期刊論文
[1]超清視界,精彩未來[J]. 梁燕.  標準生活. 2019(10)
[2]高速并行總線接口信號的完整性及設(shè)計優(yōu)化[J]. 張敏.  無線互聯(lián)科技. 2018(06)
[3]大視頻時代來襲 云化網(wǎng)絡(luò)已成業(yè)界共識[J]. 刁興玲.  通信世界. 2017(16)
[4]思科:2019年移動數(shù)據(jù)流量將是現(xiàn)在的10倍[J].   知識文庫. 2015(04)
[5]信號完整性揭秘:于博士SI設(shè)計手記[J]. 于爭.  中國科技信息. 2013(24)
[6]OSI與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)模型分析[J]. 王田.  天津職業(yè)院校聯(lián)合學報. 2013(02)
[7]基于RFC2544的以太網(wǎng)測試設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 董祎博,劉云龍.  軟件. 2012(12)
[8]一種消除異步電路亞穩(wěn)態(tài)的邏輯控制方法[J]. 樊民革,趙剡.  電子測量技術(shù). 2008(10)
[9]RSA算法實現(xiàn)數(shù)字簽名的研究與應(yīng)用[J]. 石志堅,譚全權(quán),段海龍.  微型電腦應(yīng)用. 2008(06)
[10]基于全IP技術(shù)的TETRA網(wǎng)絡(luò)平臺[J]. 陸錦華.  移動通信. 2008(Z1)

博士論文
[1]高速電路電源分配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與電源完整性分析[D]. 張木水.西安電子科技大學 2009

碩士論文
[1]基于數(shù)字微鏡器件的主動式視覺平臺[D]. 孫仲健.華東師范大學 2019
[2]網(wǎng)絡(luò)存儲技術(shù)在河南油田的應(yīng)用研究[D]. 趙春莉.華中師范大學 2004



本文編號：3410423