3维torus交换网络中的节点设计与实现

论文摘要

数据交换的性能日益成为当前数据通信网络发展的瓶颈。为了提高交换的效率,提升通信网络的性能,通信网中的交换设备应具有大容量、易扩展以及高可靠性等特点。为了达到这些特点,需要在交换设备的核心部件——交换结构方面有所突破。多维互连网络正好满足上述的要求,并且在多处理器系统和并行计算领域已经有多年比较成熟的研究,因此有希望在大容量数据交换领域得到广泛应用。本文的核心内容就是对应用于数据交换的多维互连网络的节点进行研究,讨论其功能需求和结构上的特点,并且提出一种工程实现的方案。本文首先简要介绍了数据交换和多处理器系统两种应用的相似性和不同之处,并结合数据交换技术的发展历程,简要探讨了“移植”的可行性。关于多维互连网络,有一些关键技术经过发展已相对成熟,如虫孔路由、虚通道技术等,可以作为节点结构研究的基础。此外,数据在多维互连网络中传送时,路由和资源调度是网络的节点所应完成的主要功能。本文分别介绍了相关的技术和原理,为开展节点结构的设计做好铺垫。多维交换网络的节点结构主要是由网络拓扑和所支持的交换技术决定的。依据多维数据交换的基本功能需求,本文提出了一种基于3维torus结构网络拓扑、采用虫孔路由并结合虚通道技术的交换网络的节点结构,它可以实现简单的维序路由算法和对节点资源进行合理的调度。在这一结构框架下,节点被划分成数据平面和控制平面两个部分,分别处理数据信号和控制信号,这使节点的结构更加清晰,功能更加明确。接着,本文对节点的各种工作细节进行了详细的讨论。提出了基于时隙的工作模式,将数据信号和控制信号以类似时分复用的方式在一条通信链路上交替传输;制定了节点所处理的数据格式,对各个字段的功能进行了定义;详细描述了节点的工作流程,从而明确了各个模块的设计要点;提出了一种有效的流量控制机制,以便在交换网络中实现分组级和微片级的流量控制。这些细节都是研究节点的具体实现的基础。然后,本文采用自顶向下的硬件设计方法研究了节点的各个模块的具体设计和实现方案。根据之前对节点工作细节的分析和总结,节点的各个功能模块所应具备的功能被明确下来。在此基础上,利用VHDL语言完成了各模块以及整个节点的设计。最后,本文还讨论了对设计进行功能测试的相关问题。针对单节点的功能仿真制定了仿真方案,对所设计的节点进行了功能仿真并对仿真结果进行了分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 缩略语表
• 第一章 绪论
• 1.1 分组数据交换的技术背景
• 1.2 多维互连结构在数据交换中的应用
• 1.3 主要研究工作和论文结构
• 第二章 多维互连网络框架
• 2.1 几种网络拓扑
• 2.2 虫孔路由和虚通道技术
• 2.3 基于TORUS 的网络框架
• 第三章 多维互联网络中的路由和资源调度
• 3.1 路由的相关问题
• 3.2 资源调度
• 3.3 本章小结
• 第四章 网络节点设计
• 4.1 节点的功能要求和结构框架
• 4.2 节点工作流程的细节描述
• 4.3 各个模块的实现
• 4.4 本章小结
• 第五章 功能测试与逻辑综合
• 5.1 基于MODELSIM 的单节点功能仿真
• 5.2 仿真方案存在的问题和扩展思路
• 5.3 逻辑综合
• 第六章 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 附录A 部分模块仿真结果
• 个人简历
• 在校期间研究成果