基于FPGA的高速任意以太网帧流量发生器的实现

摘要

在以大型地震采集系统为代表的大型传感器网络的开发过程中，需要一款可以仿真实际采集过程中产生的高速数据流，为测试高速以太网为传输介质的数传网络或相关应用程序的诸如逻辑正确性、吞吐能力等指标提供测试激励的流量发生器。该流量发生器需提供自由地配置帧长度、帧间隔长度，任意选择各字段的填充算法，以及提供千兆和百兆两种速率模式等功能。目前存在的流量发生器主要为软件实现，难以做到精确控制帧间隔等参数。硬件实现的多为用于通信网络测试的大型企业产品，由于其价格和灵活性等局限性，并不适合用于实验室测试。因此我们需要开发一款硬件的满足以上要求的可用于实验室测试的以太网流量发生器。
　　 本文用FPGA实现了这样的任意以太网帧流量发生器。所谓任意以太网帧，是指该发生器可以产生物理层之上的任意通用或自定义协议的帧格式，而且帧与帧之间对应字段的关系满足测试规定的填充算法，以形成整体的特定流量模拟行为，满足测试要求。根据这样的要求，本设计核心硬件逻辑并没有采用传统的基于状态机的协议逐层封装方式，而是依据与数据帧并行置入硬件的字段填充算法标示域对数据帧进行重新写入的创造性思路。由主机通过串口对FPGA和GPHY的各工作参数进行配置，由FPGA根据配置信息完成对帧的发送和重填充。数据帧和帧间隔的生成过程不需要软件的干预，保证了全线速的发包。其架构具备较强的灵活性、移植性和可扩展性。
　　 经验证，本平台可以在于兆和百兆速率模式下，以100％的链路利用率按照命令精确生成和发送以太网流量，满足上述所有要求。该平台可用于基于以太网的数传系统以及应用程序的测试，本文对一款Linux捕包软件在不同帧长度的情形下的捕包性能进行了测试，并指出了软件处理短帧的局限性。测试同时也证明了本平台的高速性和灵活性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 论文的结构安排

第2章 目前国内外关于网络流量发生器的研究

2.1 流量仿真在通信网络测试中的意义

2.2 流量发生器的分类

2.3 软件实现的流量发生器

2.4 硬件实现的流量发生器

2.4.1 企业级别的产品

2.4.2 一些基于FPGA实现方案

2.5 地震采集系统测试对流量发生器提出的要求

2.6 小结

第3章 设计实现

3.1 设计思路

3.1.1 硬件数据结构的考虑

3.1.2 配置方式的考虑

3.1.3 系统总体工作流程

3.2 硬件平台与接口介绍

3.2.1 主要器件

3.2.2 硬件接口介绍

3.3 FPGA逻辑介绍

3.3.1 FPGA开发环境

3.3.2 顶层逻辑端口

3.3.3 配置模块

3.3.4 时钟管理模块

3.3.5 数据生成模块

3.3.6 发送模块

3.4 软件部分介绍

3.4.1 开发环境

3.4.2 软件功能和流程

3.5 小结

第4章 仿真与验证

4.1 逻辑仿真

4.2 系统验证

4.3 测试应用

4.4 小结

第5章 总结与展望

5.1 总结与创新点

5.2 对本设计的展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果