基于FPGA的高精度带宽限制技术
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High-precision Bandwidth Limiting Technique Based on FPGA
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    摘要:

    针对高吞吐网络环境下的带宽隔离需求, 本文提出一种基于FPGA的硬件化令牌桶带宽限制技术. 通过设计“时间驱动”模型, 将传统周期累积式令牌桶转化为发送时间计算机制, 避免令牌逐周期更新带来的开销; 结合整数化等效令牌注入技术, 在消除浮点运算的同时, 实现了10 Mb/s–100 Gb/s范围内的精细化速率控制. 系统采用流水线架构与双端口BRAM优化, 支持超过4k队列的并行限速调度控制. 在Xilinx Alveo U200平台上的实验结果表明, 所提方案在单队列调度场景下吞吐率提升近100%, 资源开销显著降低(LUT减少89%, 寄存器减少77%, BRAM减少≥20%), 速率控制误差低于0.1%. 本技术为高性能网络系统提供了一种具备纳秒级精度和高扩展性的带宽隔离解决方案.

    Abstract:

    To address the demand for bandwidth isolation in high-throughput network environments, this study proposes a high-precision bandwidth limiting technique based on FPGA, which implements a hardware token bucket mechanism. A novel time-driven model converts the traditional cycle-accumulating token bucket into a transmission-time computation mechanism, thereby avoiding the overhead caused by per-cycle token updates. In addition, an integer-equivalent token injection technique is introduced to eliminate floating-point operations while enabling fine-grained rate control over a wide range from 10 Mb/s to 100 Gb/s. The system adopts a pipelined architecture and dual-port BRAM optimization, supporting parallel rate-limiting scheduling for over 4k queues. Experiments on the Xilinx Alveo U200 platform demonstrate that, in single-queue scheduling scenarios, the proposed technique achieves nearly 100% throughput improvement, with substantial reductions in resource usage (an 89% reduction in LUT, 77% in registers, and ≥20% in BRAM). The rate control error remains below 0.1%. This technique provides a nanosecond-precision and highly scalable bandwidth isolation solution for high-performance network systems.

    参考文献
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    引证文献
引用本文

周正,高新平,徐伟海.基于FPGA的高精度带宽限制技术.计算机系统应用,,():1-14

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  • 收稿日期:2025-09-28
  • 最后修改日期:2025-10-27
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  • 在线发布日期: 2026-03-02
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