CN109274538A

CN109274538A - 一种基于fpga的自相似流量生成器实现方法

Info

Publication number: CN109274538A
Application number: CN201811313769.3A
Authority: CN
Inventors: 朱灵蕾; 唐军; 吴纯彬
Original assignee: Sichuan Changhong Electric Co Ltd
Current assignee: Sichuan Changhong Electric Co Ltd
Priority date: 2018-11-06
Filing date: 2018-11-06
Publication date: 2019-01-25

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的自相似流量生成器实现方法，包括：A.选取合适的m个不同自相似参数赫斯特参数值即H参数值，在Matlab里面使用下述算法生成所述m个不同H参数下的自相似序列共m组，再将序列正整数化存储在FPGA的ROM里，B.利用FPGA模拟生成具有真实结构的网络数据包，所述网络数据包包括但不限于Http协议中规定的数据包结构以及片上网络中基于XY路由的数据包，C.配置自相似流量生成器，D.FPGA根据上位机传下来的配置参数，选择接口时钟，读取ROM中的自相似序列值，根据序列值来控制单位时间内发送包的个数。本发明的方法采用基于分形高斯噪声算法来生成自相似流量，解决当前自相似流量生成精度低的问题。

Description

一种基于FPGA的自相似流量生成器实现方法

技术领域

本发明涉及电子信息技术领域，特别涉及一种基于FPGA的自相似流量生成器实现方法。

背景技术

目前的网络应用多样化，高速新型网络设备层出不穷，通常情况下，一个不成熟的产品是不会直接接入到互联网中去测试其性能。模拟生成具有真实网络流量特征的流量对新的网络产品进行测试是迫切需要的。

现有的基于马尔科夫模型和回归模型的短程相关模型无法准确地描述流量的突发性和分形特性，不适用于当前复杂的网络通信系统。而自相似模型可以准确的描述网络的突发性和分析性质，模拟生成具有自相似性特征的流量对网络设计的评估和分析很关键。

本发明就是产生具有真实网络特征的流量，生成的流量可以对网络终端产品、网络协议和网络延时等网络性能进行测试。只有这样才能保证新的网络产品移植到真实网络中的时候能够正常、有效、安全的运行。

当前主要的自相流量生成方法有分形高斯噪声法、ON/OFF法、随机中点置换法以及小波法等。其中ON/OFF法不易于实现，随机中点置换法和小波法精度低。分形高斯噪声法，这种方法可以采用逆离散傅立叶变换生成自相似流量，速度较快。设计将分形高斯噪声方法结合FPGA(Field－Programmable Gate Array)即现场可编程门阵列，来设计自相似流量生成器，这种两种方法相结合生成的自相似流量不仅精度高，且可以高速的发送数据包。

发明内容

本发明的目的是克服上述背景技术中不足，提供一种基于FPGA的自相似流量生成器实现方法，实现基于FPGA的自相似流量生成器的设计，采用基于分形高斯噪声算法来生成自相似流量，解决当前自相似流量生成精度低的问题。

为了达到上述的技术效果，本发明采取以下技术方案：

一种基于FPGA的自相似流量生成器实现方法，包括以下步骤：

A.选取合适的m个不同自相似参数赫斯特参数值即H参数值，在Matlab里面使用下述算法生成所述m个不同H参数下的自相似序列共m组，再将序列正整数化存储在FPGA的ROM里；

其中，所述算法为：

f(λ；H)＝A(λ；H)[λ^-2H-1+B(λ；H)]；

其中：

A(λ；H)＝2sin(πH)Γ(2H+1)(1-cosλ)；

其中：

f(H)＝p1·H³+p2·H²+p3·H¹+p4；

p1＝-0.1772,p2＝0.4657

p3＝-0.4147,p4＝0.1259；

其中：f(λ；H)为谱密度，λ是频率，0＜H＜1,0≤λ≤2π，Γ(·)为伽玛函数

B.利用FPGA模拟生成具有真实结构的网络数据包，所述网络数据包包括但不限于Http协议中规定的数据包结构以及片上网络中基于XY路由的数据包；

C.配置自相似流量生成器，具体包括以下步骤：

C1.配置上位机基本参数，所述基本参数包括接口时钟、数据包长度选择、源地址、目的地址；

C2.配置通道参数，具体包括通道选择、H参数选择，所述通道分为东、西、南、北、上、下、本地共7个通道，所述H参数选择是根据预先存储在FPGA的ROM里面的值来确定可以选择的H参数值；

D.FPGA根据上位机传下来的配置参数，选择接口时钟，读取ROM中的自相似序列值，根据序列值来控制单位时间内发送包的个数；

在本发明的技术方案中，提出了一种生成自相似序列精度更高的方法，以弥补当前基于分形高斯噪声方法对功率谱无穷项的逼近替代上的不足，并用MATLAB实现这种方法，完成高精度的自相似序列生成，自相似流量的特征是单位时间内流量包的个数按时间先后统计出来满足自相似特征，本方法中提供了一种经改进的计算方法生成满足一定H参数值的自相似序列，然后用FPGA控制单位时间内发送的数据包满足这个自相似序列的规律。

进一步地，m的值为10，且H参数的取值范围区间是(0.55，0.85)。

进一步地，所述步骤B中的网络数据包的长度为64bit、34bit、24bit或10bit。

进一步地，所述步骤C1具体为：

C1.1配置接口时钟即发送数据包的控制时钟的大小，所述接口时钟为150M、120M、100M或50M；

C1.2配置数据包长度，所述数据包长度为64bit、34bit、24bit或10bit；

C1.3根据单位时间的大小t、单位时间内平均数据包个数N、数据包长度n、接口时钟配置计算平均速率v，并显示到配置面板上：

v＝n*N/t，其中，平均速率v指单位时间内发送出去的有效的bit数；

C1.4确定源地址和目的地址，生成满足相应协议的数据包。

进一步地，所述步骤C1.4中源地址和目的地址由用户填写或默认为地址随机生成，源地址和目的地址需要用户进行填写，不同的协议源地址和目的地址或者路径在数据中放的位置不同，所以确定了数据包长度、源地址和目的地址，就可以生成满足相应协议的数据包，源地址和目的地址也可以缺省不填，不填写的时候默认为地址随机生成，数据包将往各个方向上发送。

本发明与现有技术相比，具有以下的有益效果：

本发明的基于FPGA的自相似流量生成器实现方法中，通过对生成自相似流量的算法进行了优化，从而提高了生成自相似流量的精度，具体采用基于分形高斯噪声算法来生成自相似流量，解决当前自相似流量生成精度低的问题，其自相似流量生成器生成的自相似流量可以用于网络应用状况分析、网络故障诊断、网络性能评估、网络设计评估与改进。

附图说明

图1是本发明的一个实施例中网络节点的二维链接方式示意图。

图2是本发明的一个实施例中网络节点的三维链接方式示意图。

图3是本发明的一个实施例中自相似流量结构示意图。

图4是本发明的一个实施例中自相似流量生成器结构示意图。

图5是本发明的一个实施例中自相似流量生成器的上位机软件界面示意图。

图6是本发明的一个实施例中自相似流量生成流程示意图。

具体实施方式

下面结合本发明的实施例对本发明作进一步的阐述和说明。

实施例：

一种基于FPGA的自相似流量生成器实现方法，采用基于分形高斯噪声算法来生成自相似流量，解决当前自相似流量生成精度低的问题。

具体包括以下步骤：

步骤1，选取合适10个的H参数值大小(H∈[0.55,0.85])，用优化的算法在Matlab里面生成这10个不同Hurst参数下的自相似序列，共10组，序列长度为2¹²，然后再将序列正整数化存储在ROM里面。

具体的，上述优化的算法具体为：

f(λ；H)＝A(λ；H)[λ^-2H-1+B(λ；H)]；

其中：

A(λ；H)＝2sin(πH)Γ(2H+1)(1-cosλ)；

其中：

f(H)＝p1·H³+p2·H²+p3·H¹+p4；

p1＝-0.1772,p2＝0.4657

p3＝-0.4147,p4＝0.1259；

本发明的技术方案中提出一种生成自相似序列精度更高的方法，弥补当前基于分形高斯噪声方法对功率谱无穷项的逼近替代上的不足，并用MATLAB实现这种方法，完成高精度的自相似序列生成。

具体的，基于分形高斯噪声方法生成自相似流量需要用到分形高斯噪声过程的谱密度f(λ；H)，其谱密度与自相似参数赫斯特参数(Hurst，H)有关，关系如式1：

f(λ；H)＝A(λ；H)[λ^-2H-1+B(λ；H)] (1)

其中：

A(λ；H)＝2sin(πH)Γ(2H+1)(1-cosλ) (2)

观察分形高斯噪声的功率谱可以看出公式3中含有无限求和项，直接采用公式3生成自相似流量运算量会很大，本实施例中采用逼近替代的方法简化计算。研究表明，对于公式3当k＝3时计算出来的结果占k＝∞计算结果的90％左右。因此本实施例中将k＝3前面部分进行保留，k＝3后面的无限项部分进行近似替代，这样在减少了运算量同时保证了替代后结果可以更好的逼近真实值。

具体的，将公式3分成两个部分，将k＝3部分保留，将k＝3后面部分进行曲线拟合替代，即将公式3分成公式4和公式5两部分，具体如下：

再进一步将公式5用MATLAB的拟合工具进行拟合，拟合的次数越高拟合曲线越逼近真实值。算法所需时间也会随着拟合的次数增加而增加。实际中，采用三次拟合和四次拟合的时候效果都比较好，综合考虑算法的准确度和算法所需的时间，本实施例中最终选择三次拟合。

三次拟合后的式子为：

f(H)＝p1·H³+p2·H²+p3·H¹+p4 (6)

其中：p1＝-0.1772,p2＝0.4657

p3＝-0.4147,p4＝0.1259；

因此，本实施例中上述公式3即可用下式7(被优化的公式)进行替代，从而简化计算完成算法的优化。这种计算方法相比于当前广泛使用的一些近似替代方法的误差更小，生成自相似流量的精度更高。

将公式6结合公式7替代上述公式3后即得出本发明的步骤1中所用的算法。

步骤2：FPGA模拟生成具有真实结构的网络数据包，具体的，网络数据包包括但不限于Http协议中规定的数据包结构以及片上网络中基于XY路由的数据包，数据包长度分别为64bit、34bit、24bit、10bit，不同数据包长度对应不通的协议。

步骤3：配置自相似流量生成器，具体包括以下步骤：

步骤3.1：配置上位机基本参数，所述基本参数包括接口时钟、数据包长度选择、源地址、目的地址；

其中，接口时钟指发送数据包的控制时钟，在本发明的技术方案中具体有4个选项，分别为150M、120M、100M、50M；

数据包长度在本发明的技术方案中也具有4种选择，分别为64bit、34bit、24bit、10bit，且不同数据长度对应不同协议；

根据单位时间的大小、单位时间内平均包个数、包长度、接口时钟配置计算平均速率，并显示到配置面板上。流量发送速率不能直接配置，通过改变包长度、接口时钟来调节。

平均速率v指单位时间内发送出去的有效的bit数，单位时间t、数据包长n、平均数据包个数N：

v＝n*N/t

源地址和目的地址需要用户进行填写，不同的协议源地址和目的地址或者路径在数据中放的位置不同，所以确定了数据包长度、源地址和目的地址，就可以生成满足相应协议的数据包，源地址和目的地址也可以缺省不填，不填写的时候默认为地址随机生成，数据包将往各个方向上发送。

步骤3.2：配置通道参数，具体包括通道选择、H参数选择，通道配置包括通道选择、H参数，同时会根据单位时间的大小、单位时间平均内包个数、包长度、接口时钟配置计算平均速率。H参数选择是根据预先存储在FPGA的ROM里面的值来确定可以选择的H参数值。

如图1及图2所示，所述通道分为东、西、南、北、上、下、本地共7个通道，7个通道可以覆盖网络结构中的二维和三维结构。本发明的技术方案可以满足产生往7个通道上传输数据，即可以从7个节点处注入流量到网络中，也可以模拟成其中一个节点，满足一个节点同时往7个个方向注入流量。同时使用者也可以根据需要选择通道数量。

赫斯特参数H是自相似过程的唯一参数。当H＝0.5表明时间序列是随机的，0.5<H<1表明时间序列具有自相似性，网络流量的H值一般在0.75附近。具体的，本实施例中设定H参数的取值范围区间是(0.55，0.85)，具体是根据预先存储在FPGA的ROM里面的值来确来确定可以选择的H参数值。

步骤4：FPGA根据上位机传下来的配置参数，选择接口时钟，读取ROM中的自相似序列值，根据序列值来控制单位时间内发送包的个数。

自相似流量的特征是单位时间内流量包的个数按时间先后统计出来满足自相似特征。通过步骤A中提供的优化的算法生成满足一定H参数值的自相似序列，然后用FPGA控制单位时间内发送的数据包满足这个自相似序列的规律。

下位机的FPGA流量生成器，根据上位机软件传输到下位机的配置信息，和ROM中存储的自相似序列来生成满足相关配置的自相似流量，具体的自相似流量结构如图3所示。

实施例二

本实施例公开了具体使用基于实施例1的方法配置的自相似流量生成器生成自相似流量的具体方法。

如图4所示，本实施例中的自相似流量生成器具体包括上位机系统及下位机系统，上位机系统及下位机系统具体通过数据接口连接，上位机系统主要用于配置各项参数信息，并通过数据接口将配置信息传递至下位机系统。下位机接口具体包括数据接收模块、自相似序列生成模块、时钟模块及业务量生成模块。

具体的，本实施例中用户可通过在如图5所示的上位机软件界面上完成参数配置。

如图6所示，利用上述自相似流量生成器生成自相似流量的具体方法包括以下步骤：

S1.开启PC端上位机系统软件，开启PC端的软件，打开上位机系统软件界面，填写流量生成的一些配置信息。

S2.配置信息填写好以后，PC端软件内部先对填写好的配置信息做验证，验证配置信息是否填写的合理，且验证完后需要对数据进行处理。此步骤中数据的处理方式及算法具体参照实施例一的步骤1及步骤2。

S3.上位机系统将数据发送到接口当中又下位机系统的数据接收模块接收数据，数据接收模块将信息接收完毕后，将数据内容拆分解析成各个配置信息，并传递给相关模块。

S4.自相似序列生成模块和业务量生成模块即NoC数据包生成模块接收到相关的配置信息后，开始生成NoC数据包，数据包生成完毕后即可进行NoC流量的生成。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于FPGA的自相似流量生成器实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

其中，所述算法为：

f(λ；H)＝A(λ；H)[λ^-2H-1+B(λ；H)]；

其中：

A(λ；H)＝2sin(πH)Γ(2H+1)(1-cosλ)；

其中：

f(H)＝p1·H³+p2·H²+p3·H¹+p4；

p1＝-0.1772,p2＝0.4657

p3＝-0.4147,p4＝0.1259；

C.配置自相似流量生成器，具体包括以下步骤：

D.FPGA根据上位机传下来的配置参数，选择接口时钟，读取ROM中的自相似序列值，根据序列值来控制单位时间内发送包的个数。

2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的自相似流量生成器实现方法，其特征在于，m的值为10，且H参数的取值范围区间是(0.55，0.85)。

3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的自相似流量生成器实现方法，其特征在于，所述步骤B中的网络数据包的长度为64bit、34bit、24bit或10bit。

4.根据权利要求3所述的一种基于FPGA的自相似流量生成器实现方法，其特征在于，所述步骤C1具体为：

v＝n*N/t

C1.4确定源地址和目的地址，生成满足相应协议的数据包。

5.根据权利要求4所述的一种基于FPGA的自相似流量生成器实现方法，其特征在于，所述步骤C1.4中源地址和目的地址由用户填写或默认为地址随机生成。