基于P4的智慧協(xié)同網(wǎng)絡分組轉發(fā)機制設計與實現(xiàn)

發(fā)布時間：2020-11-21 14:22

　　隨著科技的進步,網(wǎng)絡互聯(lián)帶來的便捷已經(jīng)體現(xiàn)在各個角落。然而,隨著用戶需求變得多元化和復雜化,傳統(tǒng)網(wǎng)絡體系結構在進行功能擴展時存在諸多問題,無法滿足海量、泛在和高效等通信要求。北京交通大學下一代互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)設備國家工程實驗室依托國家973計劃項目《智慧協(xié)同網(wǎng)絡理論基礎研究》,提出了資源動態(tài)適配的智慧協(xié)同網(wǎng)絡體系結構模型。智慧協(xié)同網(wǎng)絡打破了現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)“三重綁定”的特性,具有高可擴展性和高效資源獲取等優(yōu)勢。目前,智慧協(xié)同網(wǎng)絡采用的CoLoR路由協(xié)議定義了不同于IP的字段,且版本更新頻繁,報頭格式和邏輯在不斷完善和改進。因此,需要探索一種靈活的實現(xiàn)方式,使CoLoR可以被方便的測試與驗證。本文利用P4(Programming Protocol-independent Packet Processors)可以通過軟件編程、快速定義轉發(fā)設備處理邏輯的優(yōu)點,用P4實現(xiàn)智慧協(xié)同網(wǎng)絡的分組轉發(fā)機制。基于P4搭建原型系統(tǒng),使CoLoR可以很方便地被部署、測試、調(diào)整和升級。論文主要工作如下:首先,闡述了論文的研究背景、現(xiàn)狀、意義和相關理論與技術。其次,提出了基于P4的智慧協(xié)同網(wǎng)絡分組轉發(fā)機制的設計方案。給出了控制與數(shù)據(jù)平面的劃分、采用的控制器開放式網(wǎng)絡操作系統(tǒng)ONOS(Open Network Operating System)的編排功能和解析機制等總體設計思路,闡述了在P4思想下對CoLoR分組轉發(fā)機制的設計和對應設備的功能劃分。討論了 CoLoR包在多個自治域間傳遞時的路徑標識PID(PathIdentifier)增刪問題;分析并解決了 ONOS通過遠程接口調(diào)用控制BMv2(Behavioral Modelversion2)轉發(fā)數(shù)據(jù)包時遇到的首包問題;同時擴展了基于P4的CoLoR協(xié)議升級機制。再次,詳細描述了基于P4的智慧協(xié)同網(wǎng)絡分組轉發(fā)機制的實現(xiàn)方案。結合設計方案,分別描述了分組轉發(fā)機制的數(shù)據(jù)平面和控制平面的實現(xiàn)框架,說明了各功能模塊的原理及具體實現(xiàn)。數(shù)據(jù)平面通過編寫首部、解析器、流控制程序、匹配動作表、動作等模塊,實現(xiàn)了各類BMv2設備的分組處理流程。控制平面實現(xiàn)初始化主模塊、設備發(fā)現(xiàn)模塊、包頭讀寫模塊、路徑計算模塊、流表生成模塊、協(xié)議升級模塊和分析處理模塊等,多個模塊協(xié)同工作,實現(xiàn)對數(shù)據(jù)平面的編排和管控。最后,對基于P4的智慧協(xié)同網(wǎng)絡分組轉發(fā)機制進行了功能和性能兩個方面的測試。介紹了測試方案和環(huán)境,對各轉發(fā)機制進行功能驗證,測試ONOS流表下發(fā)速率、協(xié)議切換時延和BMv2吞吐量等性能指標,驗證系統(tǒng)可行性與可擴展性。論文工作對提高對智慧協(xié)同網(wǎng)絡的研究效率,加快業(yè)界對CoLoR的接納、部署和推廣具有重要意義。
【學位單位】：北京交通大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TP393.02
【部分圖文】：