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千兆网络协议处理器中快速查找匹配算法的设计与实现

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摘要

第一章 绪论

1.1 课题背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容与设计指标

1.3.1 研究内容

1.3.2 设计指标

1.4 论文组织

第二章 相关技术分析

2.1 网络匹配算法介绍

2.2 哈希算法介绍

2.3 哈希冲突解决方案

2.3.1 解决哈希冲突方法

2.3.2 解决哈希冲突方法对比

2.4 本章小结

第三章 网络协议处理器中匹配算法模块设计

3.1 匹配算法模块的应用场景

3.1.1 包策略匹配

3.1.2 IP片包重组

3.2 匹配算法模块介绍

3.2.1 哈希算法

3.2.2 哈希功能模块设计

3.3 本章小结

第四章 网络协议处理器中匹配算法模块的实现

4.1 仲裁模块设计

4.1.1 仲裁输入模块

4.1.2 输出模块

4.2 一次哈希模块设计

4.2.1 分块模块

4.2.2 一次哈希运算模块设计

4.3 二次哈希模块设计

4.3.1 查找匹配模块

4.3.2 动态地址管理模块

4.3.3 结果输出模块

4.4 发送模块

4.5 SRAM控制器模块

4.6 动态地址配置模块

4.7 本章小结

第五章 功能验证及FPGA实施

5.1 ASIC功能验证

5.1.1 ASIC功能验证流程

5.1.2 哈希模块的验证计划

5.1.3 哈希模块的验证平台

5.1.4 哈希模块的测试用例

5.1.5 哈希模块的覆盖率分析

5.1.6 哈希模块的波形验证

5.2 哈希模块的综合

5.2.1 综合脚本配置

5.2.2 综合报告

5.3 FPGA验证

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的成果

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摘要

随着计算机网络架构的不断演进和ipv6网络的出现,以及网络业务不断增多和网络安全问题越来越被重视,对网络匹配算法的要求越来越高。网络匹配算法越来越多地应用于交换机、安全网关、流量控制、防火墙以及路由器等网络设备中,因此设计一种速度快、功耗小、价格低的匹配算法是至关重要的。综合各方面因素考虑,本文选取了应用最为普遍的哈希算法。
  本文设计的哈希算法应用于网络处理器中的包分类、二层协议过滤和IP(Internet Protocol)片包重组等,提高了网络处理器的处理效率。论文先从处理器匹配算法研究的国内外现状、常用的哈希算法和降低冲突方法等方面展开调研和分析,在此基础上设计了适用于该网络处理器的哈希算法,介绍了该哈希算法的处理流程,哈希模块的设计结构图,以及各个子模块的具体功能、结构、接口信号和时序。本文以子模块框图、状态转换表以及处理流程图等形式详细阐述各个子模块的硬件设计;采用Verilog HDL(HardwareDescription Language)硬件描述语言实现数字逻辑;搭建UVM(Universal Verification Methodology)验证平台和采用覆盖率驱动的验证策略对整个哈希模块进行前端功能验证,确保RTL(Register Transfer Level)代码符合详细设计文档的要求;使用Spyglass对RTL代码进行代码风格检查,以及使用DC(Design Compiler)进行逻辑综合并保证没有时序违例;最后进行FPGA(Field Programmable Gate Array)验证。这一系列的验证表明设计的哈希算法综合达到的最大时钟频率为400MHz,实现所有的功能,满足性能指标。
  本文设计的哈希算法,实现可配置的64~300bit的长数据串压缩成可配置的11~14bit的短数据串,能够处理哈希5级冲突,同时支持对哈希表的新建、读、更新和删除操作。哈希算法的实现,大大加快了网络处理器的查找匹配速度,且节约了网络处理器的经济开销。

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