基于FPGA的TD-SCDMA核心网数据包过滤技术的研究与实现

摘要

本文旨在针对TD-SCDMA核心网结构的特点，研究有效的数据包过滤算法，设计并实现基于FPGA的数据包过滤平台，为TD-SCDMA网络的信息安全提供技术支撑。 全文的主要工作如下： 1.在分析了TD-SCDMA核心网的结构和GPRS隧道协议(GTP协议)的基础上，提出了针对用户标识和应用类型的数据包过滤方案，能够满足本项目需求。 2.系统地分析和比较了目前国内外主流的数据包过滤算法，重点分析了HiCuts算法原理，通过仿真研究了影响HiCuts算法性能的几个参数，并给出了适合本项目需求的几组HiCuts算法参数。 3.设计并实现了基于Virtex-5 FPGA的支持规则动态更新功能的轻量级数据包过滤平台。该平台采用FPGA内部嵌入式处理器MicroBlaze结合FPGA内部逻辑处理模块的构架：用MicroBlaze执行管理协议，对外部管理主机进行鉴权认证，并通过HiCuts算法对输入规则进行处理；用FPGA内部逻辑实现以太网千兆数据链路和规则搜索引擎，并通过多线程并行化提高处理速度。 测试表明，本论文所设计的数据包过滤平台运行稳定，其中FPGA内部MicroBlaze嵌入式系统能对外部接入的管理主机进行有效的安全认证，对每条过滤规则的处理时间在毫秒级以下，适合规则动态更新要求：FPGA内部逻辑处理模块能够有效过滤GTP数据包，线速处理千兆数据流。 本论文所设计的平台在网络数据包分类、过滤等移动网络及互联网内容安全方面有很好的应用前景。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：缩略语

声明

第1章绪论

1.1 TD-SCDMA网络发展及安全问题

1.2网络数据包过滤算法概述

1.3网络数据包过滤平台概述

1.4本文的研究内容与组织结构

第2章TD-SCDMA网络研究

2.1 TD—SCDMA网络结构研究

2.1.1 TD-SCDMA网络结构简介

2.1.2 GPRS系统结构

2.2 GTP协议研究

2.2.1 GTP协议简介

2.2.2项目需求及过滤方案

2.3本章小结

第3章数据包过滤算法研究

3.1规则集说明

3.2查表搜索法

3.3线性搜索法

3.4基于TCAM的数据包分类法

3.5搜索树算法

3.5.1搜索树的基本思想

3.5.2格型树搜索法(Grid-of-Tries)

3.5.3修剪二叉树

3.5.4避免内存激增

3.5.5带转移指针的格形树

3.6 HiCuts算法

3.6.1 HiCuts算法原理

3.6.2 HiCuts算法参数分析

3.7并行比特矢量算法(Parallel Bit-Vectors)

3.8 ABV算法

3.9 RFC(Recursive Flow Classification)

3.10 P2C(Parallel Packet Classification)

3.11 Tuple空间搜索算法

3.12总结

3.13本章小结

第4章FPGA数据包过滤平台实现

4.1基于FPGA的数据包过滤平台介绍

4.1.1 Xilinx Virtex-5 FPGA简介

4.1.2数据包过滤平台总体结构

4.1.3 FPGA内部系统结构设计

4.2 FPGA网络链路传输模块实现

4.2.1 FPGA网络链路传输模块总体结构设计

4.2.2嵌入式以太网MAC介绍

4.2.3物理接口设计

4.2.4用户接口设计

4.2.5 FPGA网络链路传输仿真

4.3数据包处理流水线设计

4.3.1数据包处理流水线总体设计

4.3.2接收并行控制器设计

4.3.3发送并行控制器设计

4.3.4基于HiCuts算法的搜索引擎设计

4.4基于MicroBlaze的规则管理系统实现

4.4.1 MieroBlaze嵌入式处理器结构

4.4.2基于MicroBlaze的硬件设计

4.4.3规则管理协议设计

4.4.4 MicroBlaze软件设计

4.5本章小结

第5章数据包过滤平台测试

5.1测试方案

5.2 MicroBlaze系统测试

5.3 MicroBlaze规则管理模块测试

5.4 FPGA数据包过滤模块测试

5.5本章小结

第6章总结与展望

6.1本文工作小结

6.2下一步工作展望

6.3结束语

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表论文与其他科研成果