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《大连理工大学》 2011年
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高速大容量区间匹配TCAM的设计与实现

张博  
【摘要】:内容可寻址存储器(CAM)本质上是一种硬件搜索引擎。它具有搜索速度快等优点,引起人们越来越多的关注,并已成为当前主干路由节点的关键技术。然而CAM的一个重要缺点是区间匹配效率低,不仅降低了报文分组分类与转发的速度,而且浪费了大量的存储空间。虽然软件算法可以提高存储利用率,但无法满足高速网络的需求。因此如何在保证高速搜索的前提下以最小的代价实现区间匹配效率高的CAM已成为CAM的一个重点研究方向,提出高效区间匹配的CAM结构对提升Internet传输速度具有重要的理论意义和实用价值。 本文对CAM的区间匹配效率问题进行了初步的研究,并提出了一种有效的解决方案和改进的电路结构。首先,针对于当前互联网协议路由节点中区间匹配高功耗问题,提出了一种改进的高效区间匹配TCAM (RM-TCAM)内核电路结构并进行了多种工艺节点条件下的电路仿真。在130nm工艺节点下,128×16bit的改进区间匹配字电路结构具有0.405ns的最大延时,且平均每次搜索只消耗2.37fJ/bit的能量,与原电路结构相比搜索速度提升了2.4%,功耗降低了89.0%。其次,针对于产品化问题,本文采用流水线结构设计了高速大容量RM-TCAM接口控制器,并根据提出的高效RM-TCAM内核方案建立了功能模型,同时对其进行了较为全面的功能仿真与验证。综合验证结果表明RM-TCAM接口控制器可正常工作于300MHz系统时钟条件下,理论上每秒可完成150M次72/144位宽数据连续查找操作,达到了设计要求。功能仿真和FPGA验证结果表明RM-TCAM的读、写和查找等功能满足设计要求。 本文设计的高速大容量RM-TCAM可应用于需要进行区间匹配的应用领域,如网络防火墙、虚拟专用网络过滤等高级网络应用。其中高速接口控制器不仅可以驱动本文提出的RM-TCAM内核,还可兼容相同容量的传统TCAM内核,且易于升级与扩展,具有潜在的实用价值。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TP333

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