基于演化硬件的可重构技术研究
Research on Reconfigurable Technology Based on Evolvable Hardware

大量差异化用户业务的规模化应用,使得现有网络无法适应的问题日趋凸显,底层固有硬件的支撑也不堪重负.针对传统互联网改造只能依靠扩容和改造,路由节点无法实现平滑升级的弊病,亟需探索一种能够适应业务不断发展的开放式可扩展网络体系.可重构柔性网络体系是近年来发展起来的一种具有平滑升级和自重构能力的新型网络体系架构,在柔性网络体系中,可重构路由交换平台成为支持快速发展的网络业务多样性需求的关键.为了实现对不同承载业务服务质量需求的支持,必须对可重构路由交换平台中一系列硬件构件的重构能力进行研究.本文将演化硬件作为实现载体,以遗传算法作为组合优化和全局搜索的工具,通过模拟生物进化的方式对可重构路由交换平台中的硬件重构技术进行研究.这种仿生的硬件重构方法,不仅可以解决业务多样性对底层硬件支撑的需求,又可以节约网络升级的成本,符合当今绿色网络和低碳经济的需求.本文的主要研究内容及贡献如下:1.为了探索基于比特流电路重构的进化方法,以SRAM结构的FPGA为研究平台,提出一种基于LUT(look up table)结构的二维映射比特流增量硬件编码方案(Planar MappedBitstream Increments Hardware Coding, PMBIHC),在此基础上提出一种改进的差分遗传算法(Modified Differential Genetic Algorithm, MDGA).仿真实验结果表明MDGA算法改进了典型差分遗传算法(Differential Genetic Algorithm, DGA)容易陷入局部最优的不足,有效地提高了算法的收敛速度及硬件动态重构的效率.2.为了探索基于硬件元构件电路重构的进化方法,对基于硬件元构件的硬件电路编码方案进行研究,提出一种可屏蔽底层硬件体差异的硬件元构件构造方法(Hardware ElementComponent of masking differences of underlying hardware, HECMDUH);在此基础上提出了一种基于基因表达式树的硬件元构件编码方案(Hardware element component coding basedon genetic expression tree, HECCGET);从一般意义上给出了元构件间最短连接问题的理论求解方法,为可重构路由交换平台硬件构件的实时重构提供了新的理论参考;3.为了探索基于硬件元构件电路重构的进化方法,对基于硬件元构件的硬件电路遗传算法进行研究,给出了基于硬件元构件的电路最佳构造(Optimal Hardware Construction basedon Element Components, OHCEC)问题的数学模型;通过对遗传算子的设计,提出一种求解OHCEC问题的基本遗传算法(Basic Genetic Algorithm, BGA);在BGA的基础上引入局部优化机制,提出一种求解OHCEC问题的混合遗传算法(Hybrid Genetic Algorithm, HGA),该算法将BGA与局部优化的启发式算法相结合大大提高了遗传算法的求解效能;仿真实验结果表明BGA和HGA都是有效的,且HGA最优解的性能优于BGA;4.为了探索基于演化硬件的适应度评估函数的设计方法,针对基于比特流的进化电路,提出一种线性变换可缩放(Linear Transformation Scalability, LTS)的在线适应度评估模型及算法;针对基于硬件元构件的进化电路,提出一种权值借还多目标(Weights Borrowing andLending Multi-objective, WBLM)的离线适应度评估模型及算法;仿真实验结果表明LTS适应度评估算法具有较小的进化代数、绝对误差以及算法平均运行时间,适合进行在线适应度评估,WBLM适应度评估算法保持了种群的多样性和均匀性,具有较小的进化代数和绝对误差,但算法运行时间相对较长,适合进行离线适应度评估;5.为了探索基于硬件构件的可重构路由交换平台的重构机制,提出一种硬件构件的抽象模型(Hardware Component Abstract Model, HCAM),并对硬件构件的功能、性能、资源占用、内部处理过程进行了详细的描述;为了使标准化的硬件构件能够运行于平台之上,给出了硬件构件的开发环境(Hardware Component Exploitation Environment, HCEE)和运行环境(Hardware Component Operation Environment, HCOE);提出了可重构路由交换平台中硬件构件/组件的重构机制.