基于以太网的非对称端通信方法研究

论文摘要

随着下一代互联网体系结构研究的深入,传统的封闭式网络环境无法满足网络技术创新的需要,网络技术创新面临巨大的挑战。FPGA具有可重构能力以及在性能和灵活性方面的良好折中,基于FPGA的开发设计方法受到网络研究者的广泛关注。另一方面,随着物联网的普及和发展,FPGA技术在小型化、网络化的弱智能设备中也有越来越重要的应用。计算机与基于FPGA的弱智能网络设备间的通信机制研究越来越受到人们的重视。本文提出一种新的基于以太网的非对称端通信方法—ACME(Asymmetrical Communication Mechanism over Ethernet),用于实现计算机与基于FPGA的弱智能网络设备之间的网络通信。采用ACME方法,可以在网络中灵活部署基于FPGA的弱智能网络设备,如基于FPGA实现的交换机、路由器和物联网设备等,计算机可以通过网络对设备进行远程管理控制,通信不再局限于物理连接的距离。本文的主要工作和创新点包括:(1)介绍了传统的能力对等实体通信和非对等实体通信,介绍了局域网中最通用的以太网技术,介绍了弱智能网络设备接入互联网络的解决方案并总结了这些方法各自的优缺点。提出ACME方法,详细介绍了ACME的设计思想、基本框架和工作流程,深入研究了ACME中的连接建立和释放、报文确认和超时重传、延迟判断和流量控制等相关机制。(2)定义了ACME的命令集和命令封装方式,设计实现了基于FPGA的通用硬件通信模块和API访问控制函数,通过良定义的软硬件接口,实现与系统平台无关、与基于FPGA的设备无关的ACME机制。(3)在NetMagic平台上实现了ACME的实验原型系统—NetMagic访问控制系统,分析了ACME在NetMagic平台上的硬件资源占用、在同一网络环境下不同消息大小的网络往返延迟和有效带宽利用率;设计实现了NetMagic通用调试器和基于NetMagic的RLI实验配置软件,在NetMagic平台中验证了ACME的有效性。综上所述,本文提出的基于以太网的非对称端通信方法,对基于FPGA的网络开发应用和网络技术创新有一定的理论指导意义和实际应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 本文的主要工作
• 1.3 本文的组织结构
• 第二章 相关研究
• 2.1 能力对等实体间的通信
• 2.2 非对等实体间的通信
• 2.2.1 并行通信方式
• 2.2.2 串行通信方式
• 2.3 以太网技术
• 2.4 弱智能设备的网络接入
• 2.4.1 弱智能设备直接接入互联网
• 2.4.2 通过网关接入互联网
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于以太网的非对称端通信方法—ACME
• 3.1 传统的通信方式存在的不足
• 3.1.1 能力对等实体通信方式存在的不足
• 3.1.2 非对等实体通信方式存在的不足
• 3.2 ACME的整体设计
• 3.2.1 设计思想
• 3.2.2 基本框架
• 3.2.3 工作流程
• 3.3 ACME的关键技术
• 3.3.1 连接建立和释放
• 3.3.2 报文确认和超时重传
• 3.3.3 延迟判断
• 3.3.4 流量控制
• 3.3.5 其他
• 3.4 本章小结
• 第四章 ACME的设计与实现
• 4.1 ACME的命令集
• 4.1.1 ACME命令定义
• 4.1.2 ACME命令格式
• 4.1.3 ACME报文封装
• 4.2 ACME功能模块设计
• 4.2.1 FPGA通信模块设计
• 4.2.2 远程计算机软件接口设计
• 4.3 性能分析
• 4.3.1 硬件资源占用
• 4.3.2 网络往返延迟
• 4.3.3 有效带宽利用率
• 4.4 本章小结
• 第五章 ACME在NetMagic中的应用
• 5.1 NetMagic平台架构
• 5.1.1 NetMagic平台的基本组成
• 5.1.2 NetMagic硬件平台结构
• 5.1.3 NetMagic平台软件系统
• 5.2 NetMagic通用调试器
• 5.3 基于NetMagic的RLI实验配置软件
• 5.3.1 基于NetMagic的RLI延迟测量与评估实验框架
• 5.3.2 RLI实验配置软件
• 5.3.3 实验结果
• 5.4 本章小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果