IP路由器系統(tǒng)芯片關鍵技術研究.pdf

1、IP路由器(Internet Protocol Router)是Internet的核心設備。隨著Internet的飛速發(fā)展，IP路由器在性能和擴展性等方面面臨嚴峻的挑戰(zhàn)，其相關研究也受到了廣泛的關注。另一方面，當前超大規(guī)模集成電路技術快速發(fā)展，基于系統(tǒng)芯片(SoC，Systemon Chip)可以進一步提高系統(tǒng)的集成度和系統(tǒng)性能，降低系統(tǒng)功耗等，為電子信息系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)提供了新的思路。IP路由器SoC就是采用系統(tǒng)芯片的設計方法，實現(xiàn)I

2、P路由器核心功能的單芯片集成，將系統(tǒng)芯片技術和IP路由器技術相結合，從而有效解決IP路由器的性能、功耗及擴展性等問題。
　　本文針對IP路由器SoC的關鍵問題進行了深入的分析，對IP路由器SoC所涉及的IP路由器SoC體系結構、IP路由器SoC片內通信、高性能IP地址查找以及IP路由器SoC的功能驗證等關鍵技術進行了深入研究，提出了一些解決IP路由器SoC關鍵問題的新方法，并通過系統(tǒng)級建模和軟硬件仿真等對提出的方法進行了驗證。

3、r>　　論文的主要研究內容和創(chuàng)新性成果包括：
　　1.基于片上網絡(NoC，Network on Chip)技術，對IP路由器SoC的片內通信機制進行了深入的研究。提出了2D-Torus網絡中虛通道負載均衡的路由算法(VCLBR，Virtual Channel Load-Balanced Routing algorithm)。該算法從虛通道的層次上進行負載均衡的研究，通過引入隨機因子，在保證物理鏈路負載均衡的情況下，將網絡負載均衡

4、地分配到各個虛通道上。實驗結果表明，針對不同的流量模型，通過合理選擇隨機因子的取值，均可明顯改善2D-Torus網絡的通信性能。
　　2.在IP路由器SoC片內通信機制的研究中，提出了一種規(guī)則的、對稱的片上網絡拓撲結構，即SD-Torus(Semi-Diagonal Torus)網絡。分析了其拓撲性質，并提出了SD-Torus網絡中負載均衡的路由算法。實驗結果表明，同DMesh、DTorus以及Xmesh網絡相比，在相同的實現(xiàn)代價

5、下，SD-Torus網絡具有更優(yōu)的通信性能，便于實現(xiàn)IP路由器SoC中的分布式地址查找和分組交換。
　　3.對當前IP地址查找技術面臨的挑戰(zhàn)及并行IP地址查找結構進行了深入的分析和總結，并在此基礎上，提出了基于Hash和樹位圖(Tree-bitmap)的兩級IP地址查找結構，該結構充分利用了路由表中前綴長度的分布規(guī)律，將基于前綴長度的二分查找技術與樹位圖(Tree-bitmap)查找技術結合起來，從而實現(xiàn)了高效的IP地址查找。同時

6、，提出了基于SD-Torus網絡的并行IP地址查找結構及其算法，該結構按照“臨近存儲”原則進行路由表的劃分和映射，滿足在任何節(jié)點及其鄰居節(jié)點上的路由子表可以構成一份完整的路由表，從而降低了分布式地址查找的通信延遲、減少了路由表的存儲代價，提高了IP地址查找結構的性能和擴展性。
　　4.基于大規(guī)模并行處理(MPP，Massively Parallel Processing)思想，提出了一種IP路由器SoC的體系結構，該結構中采用大量

7、的、同構的處理單元完成路由器中的轉發(fā)和交換功能，并使用SD-Torus網絡進行片內互連，實現(xiàn)了分布式轉發(fā)和分布式交換，是一種典型的大規(guī)模并行處理的系統(tǒng)芯片結構(MPPSoC)。實驗結果表明，該結構具有良好的系統(tǒng)性能和擴展性。
　　5.設計并實現(xiàn)了一種通用的IP路由器SoC的功能驗證平臺。該功能驗證平臺基于自動檢查機制，以FPGA為硬件設施，并通過其軟件部分進行動態(tài)的系統(tǒng)配置，從而實現(xiàn)了不同IP路由器SoC系統(tǒng)的功能驗證。該平臺充分