（计算机科学与技术专业论文）ipv6数据包处理协议栈硬件实现技术的研究.pdf

摘要 i n t e r a c t 的发展和应用的日益增多使现在的口v 4 地址面临很快被耗尽的问 题，因此m t f 提出口v 6 作为下一代网络的主要协议。坤v 6 的地址空间扩展为 1 2 8 位，对安全性和移动节点的自动配置也有了更好的支持。作为面向网络数据 处理优化的网络处理器将越来越多的被用在网络核心设备中。为了部署i p v 6 网 络，必须实现基于i p v 6 协议的网络处理器，特别是在网络的骨干结点要研究和 实现高性能的1 1 6 数据包单元硬件协议栈。为中国的i p v 6 商用化和中国在i p v 6 网络方面的知识产权自主化提供了可靠的技术保证。 本文提出的“i p v 6 数据包处理协议栈硬件实现技术的研究”课题，来源于 西北工业大学航空微电子中心预研课题“高性能网络处理器的研究与设计”，是 面向i p v 6 网络协议处理，优化网络处理器的数据包协议处理能力。它将作为一 个协处理器集成在网络处理器中。 论文描述了一个硬件协议栈的实现，包括链路层协议、i p v 6 、i c m p v 6 以及 扩展的u d p 模块。整个硬件协议栈设计采用其它协议栈的层次化、模块化设计 思想，利用t o p - d o w n 的设计方法，用硬件描述语言对协议栈进行建模，然后 编写好的测试基准程序进行功能仿真、验证，最后进行综合后仿真、验证。最后 结果表明：综合后的功能验证完全符合设计的初衷，协议栈能工作的最高频率达 到7 5 8 6 1 m h z 。 关键词；i p v 6 协议栈网络处理器邻居发现a s i c a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n dt h ea p p l i c a t i o no fi n t e r n e t , t h ei p v 4a d d r e s s e sa r e i n c r e a s e i n g l yf a c i n gt h ep r o b l e mo fd e p l e t i o n s oi p v 6i sp r o p o s e db yi e t fa sa m a j o rn e x tg e n e r a t i o nn e t w o r kp r o t o c 0 1 口v 6a d d r e s ss p a c ei se x t e n d e dt o1 2 8b i t s ， b o t hs e c u r i t ya n da u t o m a t i cc o n f i g u r a t i o no fm o b i l en o d eh a v eb e e nw e l ls u p p o r t e d a sf o rt h eo p t i m i z a t i o no ft h ed a t a f l o wp m c o s s - o r i e n t e dn e t w o r k ，n e t w o r kp r o c e s s o r w i l lb em o r ea n dm o r ef r e q u e n t l yu s e di nt h en e t w o r kc o r ee q u i p m e n t s i no r d e rt o d e p l o yi p v 6n e t w o r k , i ti san e c e s s s r i t yt oa c h i e v en e t w o r kp r o c e s s o ra g r e e m e n to n i p v 6 e s p e c i a l l yi nt h eb a c k b o n en e t w o r kn o d e ，i ti si m p o r t a n tt os t u d ya n dr e a l i z ea h i g h - p e r f o r m a n c e 口v 6d a t ap a c k e th a r d w a r ep r o t o c o ls t a c km o d u l e s ，w h i c hi sa r e l i a b l et e c h n i q u es u p p o r tf o ri p v 6c o m m e r c i a l i z a t i o na n di n t e l l e c t u a lp r o p e r t yi n c l l i n a 硼1 i sp a p e rp r e s e n t st h e 叮h er e s e a r c ho fh a r d w a r et e c h n o l o g yf o r 疋v 6d a t a p a c k e tp r o c e s ss t a c k i s s u e ，a d d r e s s e df r o mt h en o r t h w e s tp o l y t e c h n i c a lu n i v e r s i t y a v i a t i o nm i c r o e l e c t r o n i c sc e n t e rr e s e a r c hp r o j e c to n ”r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f h i g hp e r f o r m a n c en e t w o r kp r o c e s s o r ”a i m e da td e a l i n gw i t hi p v 6n e t w o r kp r o t o c o l p r o c e s s i n ga n do p t i m i z e dp e r f o r m a n c eo fp r o t o c o lp r o c e s sf o rn e t w o r kp r o c e s s o f ，i t w i l ls e i n ea sa c o p r o c e s s o ri n t e g r a w z li nt h en e t w o r kp r o c e s s o r i nt h i sp a p e r , ah a r d w a r ep r o t o c o ls t a c ki m p l e m e n t a t i o ni sd e s c r i b e d , i n c l u d i n g t h el i n kl a y e rp r o t o c o l ，p v 6 ，i c m p v 6m o d u l ea n dt h ee x p a n s i o no ft h eu d el i k e o t h e rp r o t o c o ls t a c k , t h ed e s i g no ft h i sh a r d w a r ep r o t o c o ls t a c kw a sl e v e l e da n d m o d u l a r l i z e d ；e m p l o y e dw i l ht o p - d o w nd e s i g nm e t h o da n dh a r d w a r ed e s c r i p t i o n l a n g u a g e ，t h em o d e l i n go ft h i sh a r d w a r ep r o t o c o ls t a c kw a sb u i l t t h e nt h ef i n i s h e d b e n c h m a r kt e s t i n gp r o c e d u r e sa r ef u n c t i o n a ls i m u l a t e da n dv e r i f i e d a tl a s tt h e h a r d w a r es t a c kw a ss y n t h e t i z e db ye d at 0 0 1 t h ef i n a lr e s u l t ss h o w e dt h a tf u n c t i o n a l v e r i f i c a t i o ni sa c c o r d e d 谢t ht h ee x p e c t e dd e s i g n i tc a l la c h i e v et h eh i g h e s tf r e q u e n c y o f 7 5 8 6 1 m h z k e y w o r d s ：i p v 6 , p m t o c o ls t a c k , n e t w o r kp r o c e s s o r , n e i g h b o rd c t e c t , a s i c 西北工业大学业 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权单位属了：西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和犯编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业 大学。 黧篓蕊黼撕虢铷学位论文作者签名：墨蚴指导教师签名：壶：鳝兰冬乞 缈晴岁月踟 矿7 年；月7 日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名衄 们年岁月所 曲北= 业丈学硕七学位论文结求语 第七章结束语 本文对i p v 6 协议体系进行了较为深入的研究，对路由器封装、解析数据包 的过程做了比较深刻的理解和分析，在此基础上完成了i p v 6 硬件协议栈的设计， 对设计进行了比较完备的仿真验证，并完成了系统的综合、后仿真。实现了一个 可以嵌入到网络处理器中的软核，并在功能和性能上达到了设计要求。 主要工作： l 深入研究网络处理器的体系结构，对数据包分类算法、路由算法有一定的 研究。深刻的理解到协处理器在网络处理器中的地位，并就网络处理器的性能研 究发表了论文一篇。 2 阅读相关的r f c 文档，学习并深刻理解i p v 6 协议体系。 3 研究口v 6 协议栈硬件体系结构。深入研究路由器对数据包的封装、解析 过程。在此基础上对现有的软件协议栈面向网络数据转发进行了剪裁，提出了3 级流水的硬件协议栈结构。 4 采用t o p d o w n 的方法对所提出的3 级流水的硬件协议栈建立模型，编 写了r t l 级代码进行仿真、验证。最后对设计进行了综合、后仿真、验证等工 作。 在本论文的研究工作中，作者对高层设计这一先进的a s i c 设计方法有了较 为深刻的认识，同时为以后走向工作岗位积累了设计复杂数字系统的经验。由于 时间和条件的限制，本文所提出的硬件协议栈结构功能还有待进一步完善。如增 加支持重定向功能和对选项头的支持。这将是下一步作者研究的方向。 堕j ! 三些- 大兰堕三兰笪堡苎查耋奎鳖 参考文献 1 1j a m e sa w e y am r o u t e ra r c h i t e c t u r e ：“a ni pp a c k e tf o r w a r d m gt c c h n i q u cb a s e do n p a r t i t i o n e dl o o k u pt a b l e ”p r o c i e e eh i t sc o n f c o m m , i e e ep r e s s , 2 0 0 2 , p p 2 2 6 3 - 2 2 6 7 2 】m m m l e r o e l e c t r o m c sd i v i s i o n , t h en e t w o r k p r o c e s s o re n a b l i n gt e c h n o l o g y o f h i g h - p e r f o r m a n c en e t w o r k i n g s 】，2 0 0 0 2w h i t ep a p e r 【3 】p _ g u p t a a l g o n t h m s f o r r o u t i n gl o o k u p s a n dp a c k e t c l a s s i f i c a t i o n d ，s t a n f o r d u n i v e r s a y , 2 0 0 0 【4 】vs f i n i v a s a n l ss u r i ，gv a r g h e s e p a c k e tc l a s s i f i c a t i o nu s m gt u p l es p a c es e a r c h c ，i n p r e c e e d i n g so f a c ms i g c o m m 9 9 ，1 9 9 8 【5 】e t h e r n e t m e d i a a c c e s s c o n t r o l l e r c o r e ，c a s t i n c o c t o b e r 2 0 0 3 【6 】s d e e r i n g m u l t i c a s tl l s t e n e rd i s c o v e r y ( m i d ) f o r 口v 6 r f c2 7 1 4 ，1 9 9 7 【7 】s t h o m s o n m v 6s t a t e l e s sa d d r e s s a u t o c o n f i g u m t i o n r 1 1 c 2 4 6 21 9 9 7 【8 】a na r c h i t e c t u r ef o r 口v 6u n i c a s ta d d r e s sa l l o c a t i o n r f c l 8 8 7y r e k h t e rt l id e c e m b e r 1 9 9 5 【9 】i pv e r s i o n6m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o nb a s ef o rt h eu s e rd a t a g r a mp r o t o c 0 1 r f c 2 4 5 4m d a n i e l ed e c e m b e r1 9 9 8 【1 0 】i n t e m e tp r o t o c o l ，v e r s i o n6 ( w v 6 ) s p c c l 丘c 撕0 n r f c2 4 6 0 ，n e t w o r kw o r k i n gg r o u ps d e e r i n gd e c e m b e r1 9 9 8 【1 1 】i n t e m e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t a c o l ( i c m p v 6 ) f o r v 6s p e c i f i c a t i o n 。r f c 2 4 6 3 ，n e t w o r k w o r k i n gg r o u pa c o n t aj ) e c e m b e r1 9 9 8 1 2 】t r a n s m i s s i o no f i p v 6p a c k e t so v f f re 血e r n e t n e t w o r k sr f c 2 4 6 4 ，m c r a w f o r d ， d e c e m b e r1 9 9 8 【1 3 m u 螗c a s tl i s t e n e rd i s c o v e r y ( m l d ) f o ri p v 6r f c 2 7 1 0 ，n e t w o r kw o r k i n gg r o u psd e e r i n g d e c e m b e r1 9 9 8 【1 4 】i p v 6r o u t e r a l e r to p t i o nr f c 2 7 1 1 ，n e t w o r l cw o r k i n gg r o u psp a r t r i d g ed e c e m b e r1 9 9 8 【1 5 】t h e r e c o m m e n d a t t o n f o r t h e i p n e x t g e n e r a t i o n p r o t e e o l r f c l 5 5 0 j a n u a r y l 9 9 5 【1 6 】张宏科，苏伟，吴勇。网络处理器技术与原理。北京：北京邮电大学出版社，2 0 0 4 ： 1 l ，1 1 1 2 ，9 5 - 9 7 ，1 1 5 1 1 8 。 【1 7 】( 美) j o s e p hd a v i s 著；张晓彤、晏国晟、曾庆峰译。理解i p v 6 。北京：清华大学出 版社。 【1 8 d a v i d ，a ne t h e m e t a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c 0 1 r f c 8 2 6 ，1 9 9 7 5 5 西北i 业人学硕十学付论文参考文献 1 9 】9 ! 【| 斯汉，曾宁千兆防火墙：n p 还是a s i c 中国计算机刚户。2 0 0 4 ，3 ，4 - 6 。 【2 0 】g e r yrw r i g h t ，wr i c h a r ds t e v e n s 陆雪莹，蒋慧等译t c p i p 详解，卷2 。 【2 1 】( 美) s a m i rp a l n i t k a r 著；夏宁闻、胡燕祥、刁岚松等译v e r i l o gh d l 数字设计与综 合。电子l 业出版社 2 2 】张民、许进、黄学田编著。光线以太网。北京邮电大学出版社 【2 如王海滨：高性能i p v 6 路由器转发系统研究与实现。【硕士毕业论文】。北京：清华大学， 2 0 0 4 。 【2 4 】周昔平：多线程网络处理器分布式内核结构研究。【博士毕业论文】。西安：西北工业大 学。2 0 0 4 。 2 5 胡燕：高性能路由器中i p v 6 协议栈的实