基于FPGA的网络路由器报文交换算法及实现

【摘要】：随着现代互联网规模的不断扩大，网络数据流量迅速增长，传统的路由器已经无法满足网络的交换和路由需求。当前，新一代路由器普遍利用了交换式路由技术，通过使用交换背板以充分利用公共通信链路，有效的提高了链路的利用率，并使各通信节点的并行通信成为可能。硬件系统设计中结合了专用网络处理器，可编程器件各自的特点，采用了基于ASIC，FPGA，CPLD硬件结构模块化的设计方法。基于ASIC技术体系的GSR的出现，使得路由器的性能大大提高。但是，这种路由器主要满足数据业务(文字，图象)的传送要求，不能解决全业务(语音，数据，视频)数据传送的需要。随着网络规模的扩大，矛盾越来越突出，而基于网络处理器技术的新一代路由器，从理论上提出了解决GSR所存在问题的解决方案。 基于网络路由器技术实现的路由器，采用交换FPGA芯片硬件实现的方式，对路由器内部各种单播、多播数据包进行路由转发，实现网络路由器与外部数据收发芯片的数据通信。本文主要针对路由器内部交换FPGA芯片数据转发流程的特点，分析研究了传统交换FPGA所采用的交换算法，针对简单FIFO算法所产生的线头阻塞现象，结合虚拟输出队列(VOQ)机制及队列仲裁算法(RRM)的特点，并根据实际设计中各外围接口芯片，给出了一种消除数据转发过程中出现的线头阻塞的iSLIP改进算法。针对实际网络单播、多播数据包在数据转发处理过程的不同，给出了实际的解决方案。并对FPGA外部SSRAM包缓存带宽的利用，数据转发的包乱序现象及FPGA内部环回数据包的处理流程作了分析并提出了解决方案，有效的提高了路由器数据交换性能。 根据设计方案所采用的算法的实现方式，结合FPGA内部部分关键模块的功能特点及性能要求，给出了交换FPGA内部可用BlockRam资源合理的分配方案及部分模块的设计实现，满足了实际的设计要求。所有处理模块均在Xilinx公司的FPGA芯片中实现。