Skip to main content
SUPERVISOR
Hossein Saidi,Mohammad Ali Montazeri
حسین سعیدی (استاد مشاور) محمدعلی منتظری (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mina Ejlali Kamorin
مینا اجلالی کمورین

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388

TITLE

Review and Design of a High Speed Switche
roadband networks satisfy the need to carry integrated traffic involving different types of information such as voice, video and data. Furthermore different services with multiple requirements need specific capabilities to be provided and guaranteed by broadband networks. The architecture of next generation networks has an important effect on making changes in broadband networks and provides these capabilities. On the other hand, the architecture of broad band networks is highly affected by high speed switches. In fact, high speed switches are the target technology to achieve the required capabilities. The performance demands and changes in IC and VLSI technology have led to emergence of different types of switch architectures. The function of switches is to make routing decisions and forward the packets from input to the appropriate output. It is possible that multiple arriving packets from different input ports have to be routed to the same output port because the incoming traffic is not scheduled to have regular behavior. To deal with the output contention, switch system uses different types of architectures. In first generation switches, input ports and output ports were connected using a simple shared bus. Therefore, accessing the shared bus became the main bottleneck in switching systems. Croar switches have overcome this problem using N pair inputs and outputs in parallel. However, implementing croar switches is very expensive. As a result, different types of multistage switch architectures are proposed to reduce the cost of switch design. Switching systems in multi-plane and multistage architectures is based on making different stages which are connected through lots of wires. Not only these wire connection leads to a delay in the entire communication system but also they are more expensive than implementing memories as buffers, from hardware implementation point of view. Shared memory architecture has also its difficulties. A shared memory switch has to operate faster than input data rate because input ports are time multiplexed to shared buffer. However, reducing access time to the shared memory is physically restricted. In addition, the main area of the chip is occupied with shared memory and its related circuits. So, shared memory switch architecture would be expensive, from hardware implementation point of view. In this thesis, we develop a novel architecture by merging the remarkable properties of multi port memories as well as interleaved memories to achieve the advantages of both architectures. To overcome the cost of multi-port memories, we use available low price FPGAs and their internal block RAMs as the main component for constructing dual port memories Considering various switch design alternatives, studying and analyzing of multiple options and exploring advantages and drawbacks of each solution to design a high switch fabric is very important. Each solution has its own advantages and drawbacks, in terms of performance, latency and scalability. On the other hand, shared buffer architecture has high buffer utilization because of sharing a large memory between all input ports. However most packet buffer designers prefer input buffering due to its ease of implementation, shared memory architecture makes possible high switch throughput and it also presents low cell loss probabilities. At first, a survey on designing high speed switch alternatives and their available solutions are done in this thesis. Also, this thesis proposes the architectural details of an scalable, high speed shared memory switch fabric which is operating at 20 G. The presented architecture is implemented using FPGA technology based on Xilinx's Virtex 4 family. The rate of the proposed switch is 173/575 MHz. Keywords: witch Architecture, Shared Memory, Memory Banks, Linked List, FPGA
شبکه¬های باند وسیع به منظور ادغام ترافیک¬های گوناگون مانند صدا، داده و تصویر ارائه شده¬اند. تامین و تضمین نیازهای متعدد این سرویس¬ها مستلزم ایجاد قابلیت¬های متفاوتی از جمله افزایش سرعت و تامین پهنای باند موردنیاز در شبکه¬های باند وسیع می¬باشد. به علاوه معماری شبکه¬های نسل آینده تاثیر به¬سزایی در افزودن قابلیت¬های جدید در شبکه¬های باند وسیع دارد. از طرفی دیگر، معماری شبکه¬های باند وسیع به شدت تحت تاثیر سوئیچ¬های با سرعت بالاست. درواقع، سوئیچ¬های با سرعت بالا فناوری اساسی در دستیابی به قابلیت¬های مدنظر در شبکه¬های باند وسیع هستند. نیازهای مربوط به کارایی و تغییرات در فناوری مدارهای مجتمع و VLSI منجر به ایجاد انواع معماری سوئیچ شده¬اند. یک سوئیچ در مورد مسیریابی بسته ها و انتقال آنها از پورت های ورودی به خروجی¬های مناسب را تصمیم گیری می¬کند. در ساختار سوئیچ به دلیل اینکه ماهیت ترافیک ورودی متغیر است، درنتیجه ممکن است چندین بسته تقاضای دسترسی به یک پورت خروجی را داشته باشند. برای حل چنین مسئله¬ای، سوئیچ¬ها از راهکارهای متفاوتی در معماری طراحی خود استفاده می¬کنند. در سوئیچ¬های اولیه، پورت¬های ورودی و خروجی توسط یک باس مشترک ساده باهم در ارتباط بودند. درنتیجه، دسترسی به این باس مشترک به خودی خود گلوگاه سیستم سوئیچینگ بود. سوئیچ¬های کراس بار با استفاده از N جفت ورودی و خروجی به صورت موازی، بر مشکلات ناشی از این گلوگاه در معماری باس مشترک غلبه کردند. اما این سوئیچ¬ها نیز دارای هزینه پیاده¬سازی بالایی هستند؛ درنتیجه انواع معماری های سوئیچ¬های چند طبقه ارائه شدند. ساختار سوئیچ-های چندطبقه با اتصال طبقات مختلف سوئیچ بوسیله تعداد زیادی سیم شکل می¬گیرند. این سیم ها نه تنها منجر به افزایش تاخیر در شبکه سراسری سیستم ارتباطی می¬شوند، بلکه این ساختار گران¬تر از ساختارهایی است که از معماری سوئیچ¬های مبتنی بر بافر هستند. با توجه به تعداد گزینه¬های طراحی یک سوئیچ، بررسی و تحلیل گزینه¬های متعدد و مطالعه مزایا و معایب هر انتخاب در طراحی یک سوئیچ با سرعت بالا حائز اهمیت است. دیدگاه¬های مختلفی در طراحی سوئیچ با سرعت بالا وجود دارد و هر دیدگاه تلاش کرده-است با بهینه¬سازی پارامترها، کارایی و توسعه¬پذیری سوئیچ را افزایش دهد. معماری حافظه مشترک نیز مسائل طراحی مربوط به خود را دارد. حافظه مشترک در این معماری باید سریع¬تر از نرخ داده¬های ورودی عمل کند. اگرچه کاهش زمان دسترسی به حافظه از نظر فیزیکی دارای محدودیت است. به علاوه، از دیدگاه طراحی چیپ، فضای اصلی سطح چیپ توسط حافظه مشترک و دیگر مدارهای منطقی مربوط به آن اشغال می¬گردد. بنابراین این معماری نیز از دیدگاه پیاده¬سازی گران است. همچنین با رشد روزافزون قابلیت¬های تراشه¬های FPGA پیاده¬سازی طرح¬های مختلف سوئیچ با توجه به مزیت¬های برنامه¬ریزی تراشه¬های قدرتمند FPGA را مقرون به صرفه می¬کند. در این پایان نامه تلاش شده است تا با ادغام مزایای حافظه¬های چندپورته و تشکیل بانک¬های حافظه بر مسائل طراحی سوئیچ¬هایی که از ساختار حافظه مشترک استفاده می¬کنند، غلبه شود. سوئیچ حافظه مشترک پیشنهادی، با استفاده از بلوک RAM های ارزان که از منابع داخلی بوردهای FPGA است، طراحی شده است. در این پایان نامه ابتدا با تحلیل و مطالعه تلاش شده تا راه¬حل¬های مطرح شده در سال¬های اخیر برای حل این مسائل بررسی گردند. سپس به منظور دستیابی به اهداف طراحی سوئیچ¬های با سرعت بالا، و با توجه به مسائل طراحی این نوع سوئیچ¬ها ، یک مدل نمونه سوئیچ 4*4 حافظه مشترک با سرعت بالا به کمک FPGA پیاده سازی شده است. این سوئیچ بر روی بوردهای Virtex4 از مدارهای FPGA پیاده¬سازی شده است. نرخ سرعت این سوئیچ معادل 575/173 مگاهرتز می¬باشد و ظرفیت سوئیچ برابر با 20 گیگابیت در ثانیه است. کلمات کلیدی: 1- معماری سوئیچ، 2- حافظه مشترک ، 3- بانک¬های حافظه ، 4- لیست پیوندی ،5- FPGA..

ارتقاء امنیت وب با وف بومی