基于FPGA的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)捕獲與存儲系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)的開題報(bào)告

基于FPGA的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)捕獲與存儲系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)的開題報(bào)告一、選題背景及研究意義隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展和普及，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的規(guī)模和復(fù)雜度不斷增加。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)捕獲與存儲技術(shù)可以有效地對海量的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲和分析，為網(wǎng)絡(luò)安全、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維以及數(shù)據(jù)挖掘等領(lǐng)域提供了基礎(chǔ)支撐。目前，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)捕獲與存儲系統(tǒng)主要采用傳統(tǒng)的CPU搭配硬盤或SSD的方式進(jìn)行存儲，但隨著數(shù)據(jù)量的增加以及處理速度的要求不斷提高，傳統(tǒng)的存儲方式已經(jīng)不能滿足需求。而FPGA作為一種高度可編程的硬件加速器，可以通過硬件并行加速的特性對數(shù)據(jù)進(jìn)行加速處理，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)完成復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)。因此，本課題擬設(shè)計(jì)一種基于FPGA的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)捕獲與存儲系統(tǒng)，以提高數(shù)據(jù)處理速度和數(shù)據(jù)安全性。二、研究內(nèi)容及技術(shù)路線（1）系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的架構(gòu)包括前端數(shù)據(jù)采集模塊、中間數(shù)據(jù)處理模塊和后端數(shù)據(jù)存儲模塊。前端數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)從網(wǎng)絡(luò)中對數(shù)據(jù)進(jìn)行捕獲，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。中間數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)將采集模塊采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和過濾。后端數(shù)據(jù)存儲模塊負(fù)責(zé)將中間數(shù)據(jù)處理模塊處理后的數(shù)據(jù)存儲到SD卡中。（2）數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)基于FPGA實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)捕獲系統(tǒng)主要基于網(wǎng)卡抓包機(jī)制進(jìn)行設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)將采用FPGA+EhernetPHY的組合，通過FPGA控制網(wǎng)卡直接抓取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的高效捕獲。（3）數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)中間數(shù)據(jù)處理模塊主要用于對采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和過濾。本系統(tǒng)將采用基于硬件加速的數(shù)據(jù)處理算法，避免了傳統(tǒng)CPU數(shù)據(jù)處理速度較慢和消耗過多時(shí)間和資源的弊端。（4）數(shù)據(jù)存儲模塊設(shè)計(jì)基于SD卡的數(shù)據(jù)存儲模塊，主要負(fù)責(zé)將經(jīng)過處理的中間數(shù)據(jù)保存到SD卡中。本系統(tǒng)的SD卡存儲模塊基于FPGA實(shí)現(xiàn)，創(chuàng)新采用多SD卡并行存儲技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)存儲速度和數(shù)據(jù)存儲的安全性。（5）硬件綜合與驗(yàn)證本系統(tǒng)的硬件采用Xilinx的FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要進(jìn)行綜合、實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證。本課題將采用Vivado進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，通過模塊化設(shè)計(jì)的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各個(gè)模塊，并通過仿真、驗(yàn)證、運(yùn)行等步驟進(jìn)行全面測試。三、研究成果及預(yù)期效果本課題擬設(shè)計(jì)一種基于FPGA的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)捕獲與存儲系統(tǒng)，通過系統(tǒng)全面的優(yōu)化，提高數(shù)據(jù)處理速度以及數(shù)據(jù)安全性，并達(dá)到以下預(yù)期效果：（1）實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集和存儲，適用于各類數(shù)據(jù)安全和網(wǎng)絡(luò)管理應(yīng)用場景。（2）提高數(shù)據(jù)處理和傳輸速度，解決傳統(tǒng)存儲方式處理速度慢的問題。（3）有效提高數(shù)據(jù)存儲的安全性，通過多SD卡并行存儲技術(shù)，解決數(shù)據(jù)損毀、丟失等問題。（4）開發(fā)出一種基于FPGA硬件加速的數(shù)據(jù)處理算法，具備可行性和實(shí)用性。四、研究進(jìn)度安排階段研究內(nèi)容工作計(jì)劃第一階段論文選題，文獻(xiàn)綜述2021.9-2021.11第二階段系統(tǒng)需求分析，架構(gòu)設(shè)計(jì)2021.11-2022.1第三階段硬件設(shè)計(jì)與仿真2022.1-2022.4第四階段硬件驗(yàn)證與軟件設(shè)計(jì)2022.4-2022.7第五階段系統(tǒng)測試與性能優(yōu)化2022.7-2022.10第六階段論文撰寫及答辯準(zhǔn)備2022.10-2022.12五、參考文獻(xiàn)[1]ZhangJ.ResearchonnetworkdatacaptureandstoragebasedonFPGA[D].BeijingUniversityofPostsandTelecommunications,2018.[2]YuL,LiuW,ZhangR,etal.AframeworkforFPGA-basednetworktrafficaggregationandoptimization[C]//201625thWirelessandOpticalCommunicationConference(WOCC).IEEE,2016:1-6.[3]ZuoZ,WangY,TanY,etal.Ahigh-performanceFPGA-basednetworkintrusiondetectionsystem[J].JournalofComputers,2013,8(5):1116-1122.[4]AnkcornJ,HanS,PatelJ,etal.AsurveyofFPGAsfornetworkprocessing[J].JournalofComputerNetworks,2015,90:113-131.[5]KulkarniRV,PandePS.Hardwareacceleratorsharingthroughcompositeopcodegeneration[C]//Proceedings1992Internationa