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当前网络面临着接入流量大,安全态势严峻的挑战。而同时,人们对网络通信设备的吞吐率、传输时延、安全性和CPU资源占用率这四个方面优化的需求日益增长。因此,需要引入一套支持数据转发、安全隔离、卸载CPU部分业务的网络通信系统以解决上述问题。针对当前研究现状及应用需求,本文自主设计了一套基于ZYNQ的万兆以太网转发隔离系统。该系统解决了高速电路系统的SI/PI/EMI、以太网与PCIe协议逻辑实现等实际问题。支持四路万兆以太网队列转发、以太网数据的接入控制隔离、主机数据的DMA事务转发这三个核心业务。本文自主设计的高速数字系统包括了ZYNQ处理器、万兆以太网SFP+接口、PCIe通信接口、三速以太网模块、内存(DDR3 1600/1066Mbps)、存储器(QSPI FLASH/SD Slot/SATA)等硬件模块。完成了45页原理图、1449个元器件的布局布线、17路分布式电源、关键信号完整性仿真、单板测试等工作。解决了最高10Gbps速率信号完整性、整板电源完整性等硬件设计问题。同时,围绕上述三个核心业务,自主设计了该系统的逻辑和部分软件。结合AXI-Stream和AXI-Lite总线设计可编程逻辑顶层架构。一、针对队列转发,结合优先级队列和循环调度队列实现了四路数据调度,模拟网络测试得最大转发时延可达6.09μs~9.94μs,总吞吐率理论可达4.3Gbps~9.4Gbps。二、针对安全隔离,配合ZYNQ的操作系统端网络配置,实现了设备接入控制和隔离,符合《信息安全技术,单机防入侵产品安全功能要求》的规定。三、针对DMA事务转发,解决了PCIe读完成包乱序重排、DMA数据缓存、TCP精简协议业务等问题,实现了传输带宽523.5MB/s,资源占用率低于20%(i7-7700K)的指标。综上,本文系统解决了高速数字电路系统设计、协议实现、逻辑和时序优化等难点,具有设备兼容、软硬件协同、相对独立的安全隔离、多功能集成等特点。