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基于FPGA大流量数据识别与分流系统的设计与实现

作　者: 朱晴
导　师: 吴宁
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 电路与系统
关键词: 流量监测 流采集 大流识别 FPGA设计 SOPC Triple-Speed Ehternet
分类号: TP393.06
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


随着网络技术的快速发展，网络结构越来越复杂，网络用户数量及应用范围的不断增大给网络系统正常运行带来了一系列的问题，其中最突出的是由网络流量过大引发的网络拥塞，从而导致网络性能降低。本课题的主要工作是设计并实现大流量数据识别与分流系统，对网络中大流数据进行实时识别，并根据识别结果及时调整网络数据流向，实现对网络流量的监控，达到减少网络拥塞及优化网络状态的目的。论文首先着重分析几种典型的流量采集算法，包括采样算法、哈希算法以及大象流算法，在此基础上提出了更为优化的流采集算法。基于该算法，论文在Altera公司的Stratix系列FPGA开发套件上设计并实现了大流量数据识别和分流系统。系统主要由网络数据接收、大流识别算法及负载均衡的分流转发三部分构成。网络数据的接收采用Marvell公司的88E1111物理芯片以及Altera公司的千兆以太网IP核实现，接收数据的同时提取报文ID信息。大流识别算法对报文进行分析，并负责对网络中大流数据进行识别。负载均衡的分流转发主要是根据大流识别的结果来调整网络数据流向，将其中容易引起拥塞的大流根据通道负载情况进行分流转发，从而达到拥塞控制的目的。论文基于Avalon总线采用SOPC方法完成了系统各功能模块的详细设计，并进行系统整体联调。为了对大流量数据识别和分流系统进行功能与性能测试，论文设计了测试方案并构建系统测试平台。测试结果表明，大流识别系统设计符合要求，在千兆网络中可以正确识别网络报文中的大流，并根据大流识别结果对网络流进行均衡的分流转发，系统报文的处理能力可达到14M条/秒。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-13
第一章 绪论  13-19
  1.1 研究背景  13-14
  1.2 国内外发展现状  14-16
    1.2.1 网络测量技术的发展  14-15
    1.2.2 流采集技术的发展  15-16
  1.3 论文主要工作及章节安排  16-19
    1.3.1 主要工作  16-17
    1.3.2 章节安排  17-19
第二章 流采集算法的研究  19-30
  2.1 网络流量的相关概念  19-20
    2.1.1 网络流的定义  19
    2.1.2 大流定义  19-20
  2.2 网络流量采集算法  20-24
    2.2.1 采样算法  20-21
    2.2.2 哈希算法  21
    2.2.3 大象流算法  21-24
    2.2.4 其它算法  24
  2.3 大流识别算法  24-29
    2.3.1 大流识别算法思想  24-27
    2.3.2 哈希算法选择  27-29
  2.4 小结  29-30
第三章 大流量数据识别与分流系统的总体设计  30-40
  3.1 大流量数据识别与分流系统总体架构  30-31
  3.2 基于 FPGA 的大流量数据识别与分流系统设计方案  31-35
    3.2.1 基于 Avalon 总线的详细设计  31-33
    3.2.2 基于 FPGA 开发平台的硬件结构与数据关系  33-35
  3.3  35-39
    3.3.1 系统开发平台  35-36
    3.3.2 系统设计工具及应用  36-39
  3.4 小结  39-40
第四章 流采集及分流转发相关模块的设计与实现  40-59
  4.1 千兆以太网模块  40-47
    4.1.1 千兆以太网模块结构框图  40-41
    4.1.2 千兆以太网模块接口信号定义  41-42
    4.1.3 千兆以太网模块详细设计  42-46
    4.1.4 千兆以太网模块数据报文格式  46-47
  4.2 网络数据接收模块  47-50
    4.2.1 网络数据接收模块结构框图  47
    4.2.2 网络数据接收模块接口信号定义  47-48
    4.2.3 网络数据接收模块详细设计  48-50
  4.3 负载平衡模块  50-54
    4.3.1 负载平衡模块结构框图  50-51
    4.3.2 负载平衡模块接口信号定义  51-52
    4.3.3 负载平衡模块详细设计  52-54
  4.4 网络数据发送模块  54-58
    4.4.1 网络数据发送模块结构框图  54-55
    4.4.2 网络数据发送模块接口信号定义  55-56
    4.4.3 网络数据发送模块详细设计  56-58
  4.5 小结  58-59
第五章 大流识别算法相关模块的设计与实现  59-80
  5.1 大流查找模块  59-68
    5.1.1 大流查找模块结构框图  59-60
    5.1.2 大流查找模块接口信号定义  60-61
    5.1.3 大流查找模块详细设计  61-68
  5.2 大流统计和判决模块  68-74
    5.2.1 大流统计和判决模块结构框图  68-69
    5.2.2 大流统计和判决模块接口信号定义  69-70
    5.2.3 大流统计和判决模块详细设计  70-74
  5.3 大流更新模块  74-77
    5.3.1 大流更新模块结构框图  74-75
    5.3.2 大流更新模块接口信号定义  75
    5.3.3 大流更新模块详细设计  75-77
  5.4 大流识别系统工程的设计与实现  77-79
    5.4.1 SOPC 系统设计与实现  77-78
    5.4.2 大流识别系统顶层文件  78-79
  5.5 本章小结  79-80
第六章 大流量数据识别与分流系统测试与分析  80-92
  6.1 系统测试平台及测试工具介绍  80-84
    6.1.1 系统测试平台  80-81
    6.1.2 测试工具  81-84
  6.2 系统整体测试方案及测试结果  84-88
    6.2.1 系统测试方法  84-85
    6.2.2 系统测试步骤及结果  85-88
  6.3 模块测试方案及测试结果  88-91
    6.3.1 流采集及分流转发相关模块测试方案及测试结果  88-89
    6.3.2 大流识别算法相关模块测试方案及测试结果  89-91
  6.4 小结  91-92
第七章 总结与展望  92-93
参考文献  93-97
致谢  97-98
在学期间的研究成果及发表的学术论文  98

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 计算机网络 > 一般性问题 > 计算机网络测试、运行
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