本文關(guān)鍵詞：基于FPGA的SDN網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)器設(shè)計

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【摘要】：隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴大,國內(nèi)外社交網(wǎng)絡(luò)、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)快速發(fā)展,這些業(yè)務(wù)需要網(wǎng)絡(luò)具備海量數(shù)據(jù)吞吐能力。然而傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)存在著:網(wǎng)絡(luò)部署和管理復(fù)雜,網(wǎng)絡(luò)不靈活,網(wǎng)絡(luò)運營和建設(shè)成本高,鏈路利用率低,資源分配不公平等問題。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體制下,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)僵化、封閉、架構(gòu)的軟硬件垂直一體化等癥結(jié)限制了網(wǎng)絡(luò)性能的提高。在SDN架構(gòu)中,網(wǎng)絡(luò)設(shè)備被虛擬為一種可自由分配的資源,這些資源由控制器統(tǒng)一控制,這樣能夠簡化網(wǎng)絡(luò)管理的流程,并且為應(yīng)用層提供簡單的、高效的配置與管理。本文研究了在此背景下新興的SDN技術(shù),創(chuàng)新性地提出了使用PC機作為SDN控制器,利用FPGA芯片所蘊藏的豐富資源作為SDN硬體層面轉(zhuǎn)發(fā)器,實現(xiàn)ping通信的設(shè)計理念。本文以Ubuntu操作系統(tǒng)為實驗操作系統(tǒng),利用Mininet和Floodlight從軟件角度搭建并模擬了SDN通信網(wǎng)絡(luò),測試并分析了SDN網(wǎng)絡(luò)的工作流程。在進一步的研究中,利用FPGA芯片作為轉(zhuǎn)發(fā)器的硬件中央處理器,結(jié)合電腦中的控制器軟件及用戶通信軟件,通過使用VHDL硬件描述語言在FPGA芯片中完成了數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、包頭解析模塊、流表更新模塊、流表匹配模塊、動作執(zhí)行模塊的設(shè)計,并利用Java語言在上位機電腦中完成了控制器軟件中自定義流表、快速下發(fā)流表、獲取底層設(shè)備消息的設(shè)計,進行了用戶通信軟件中的通信請求、消息收發(fā)功能的設(shè)計。該項目的研究對促進SDN技術(shù)的發(fā)展具有一定的參考價值。論文主要進行了如下的工作:首先,研究了國內(nèi)外SDN技術(shù)的現(xiàn)狀和最新成果,分析了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)存在哪些瓶頸,分析了SDN網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備的需求,進行了SDN網(wǎng)絡(luò)基本架構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)的分析,包括南向網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、北向業(yè)務(wù)支撐技術(shù),重點分析了SDN架構(gòu)中的OpenFlow交換機的工作原理及協(xié)議標準。其次,研究了軟件模擬SDN網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)技術(shù),對相關(guān)平臺和軟件進行對比和選擇的基礎(chǔ)上,在虛擬機中安裝了兩個Linux操作系統(tǒng)。并且利用Linux命令在兩個系統(tǒng)中分別安裝Floodlight和Mininet軟件,利用Floodlight和Mininet搭建模擬的SDN網(wǎng)絡(luò),利用Python語言設(shè)計了一個具備4臺主機、2臺Open vSwitch交換機、1臺控制器的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu),在虛擬的SDN網(wǎng)絡(luò)中進行了拓撲探測、ping通信測試,以此掌握SDN網(wǎng)絡(luò)中各個主機、交換機、控制器之間的通信過程。之后,進行了控制軟件的設(shè)計,PC機中控制的軟件具備通過更改交換機流表項來更改轉(zhuǎn)發(fā)路徑功能,并可由PC機軟件將新的轉(zhuǎn)發(fā)路徑經(jīng)串行數(shù)據(jù)線傳送至轉(zhuǎn)發(fā)器。此外還進行了用戶通信軟件的設(shè)計,電腦中的用戶通信軟件具備與其他用戶通信,測試指定IP用戶的連通性,收發(fā)來自其他設(shè)備的消息的功能。除此之外,還進行了FPGA轉(zhuǎn)發(fā)器的設(shè)計,首先通過分析系統(tǒng)的需求來選擇合適的FPGA芯片。其次利用VHDL語言,在Xilinx公司提供的ISE開發(fā)環(huán)境中進行FPGA轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)的各個模塊設(shè)計以及波形仿真測試。在Eclipse軟件,利用Java語言設(shè)計控制軟件和通信軟件。最后,將整個系統(tǒng)軟硬件連接在一起做整體ping通信、下發(fā)流表的測試。測試結(jié)果表明整體達到預(yù)定設(shè)計要求。本文具有較強的針對性,下發(fā)自定義流表、快速下發(fā)流表、ping通信功能均能夠?qū)崿F(xiàn),并且還具備及時更改硬件配置的特性,在該系統(tǒng)只需再流花一個UART數(shù)據(jù)處理模塊便可再增加主機。本課題在SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)通信過程的研究上取得了一定的進展,對該技術(shù)與FPGA相結(jié)合,以及SDN網(wǎng)絡(luò)的進一步研究打好了一定的基礎(chǔ),并且有一個良好的開端,對在FPGA平臺實現(xiàn)SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具有一定的參考意義。
【關(guān)鍵詞】：SDN FPGA VHDL Java 轉(zhuǎn)發(fā)器
【學(xué)位授予單位】：成都理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP393.02
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 引言10-15
• 1.1 課題研究背景與意義10-11
• 1.2 國內(nèi)外SDN研究動態(tài)11-12
• 1.3 論文主要研究內(nèi)容12-13
• 1.4 論文的組織架構(gòu)13-15
• 第2章 SDN相關(guān)技術(shù)15-29
• 2.1 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的瓶頸15-16
• 2.2 SDN架構(gòu)分析16-18
• 2.3 SDN控制器相關(guān)研究18-20
• 2.3.1 控制器功能分析18-19
• 2.3.2 控制器南向網(wǎng)絡(luò)控制核心技術(shù)19-20
• 2.4 OpenFlow交換機規(guī)范研究20-26
• 2.4.1 流表分析22-24
• 2.4.2 OpenFlow協(xié)議分析24-26
• 2.5 SDN經(jīng)典案例分析26-27
• 2.6 FPGA的結(jié)構(gòu)和工作原理的研究27-28
• 2.7 本章小結(jié)28-29
• 第3章 軟件模擬SDN通信網(wǎng)絡(luò)29-40
• 3.1 SDN模擬平臺的搭建29-33
• 3.1.1 相關(guān)軟件的分析和對比29-30
• 3.1.2 搭建平臺30-33
• 3.2 模擬SDN通信網(wǎng)絡(luò)測試33-39
• 3.2.1 拓撲探測測試及分析33-36
• 3.2.2 ping操作測試及分析36-38
• 3.2.3 下發(fā)流表測試與分析38-39
• 3.3 本章小結(jié)39-40
• 第4章 基于FPGA的SDN轉(zhuǎn)發(fā)器的設(shè)計40-53
• 4.1 系統(tǒng)框架設(shè)計40-41
• 4.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)設(shè)計41-49
• 4.2.1 UART數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計42-44
• 4.2.2 數(shù)據(jù)包頭解析模塊設(shè)計44-46
• 4.2.3 流表更新模塊設(shè)計46-47
• 4.2.4 流表匹配模塊設(shè)計47-48
• 4.2.5 動作執(zhí)行模塊設(shè)計48-49
• 4.3 上位機控制軟件設(shè)計49-51
• 4.4 HOST通信軟件設(shè)計51-52
• 4.5 本章小結(jié)52-53
• 第5章 SDN轉(zhuǎn)發(fā)器軟硬件聯(lián)合仿真及測試53-58
• 5.1 轉(zhuǎn)發(fā)器各模塊仿真53-55
• 5.2 軟硬件聯(lián)合測試55-57
• 5.3 本章小結(jié)57-58
• 結(jié)論58-59
• 致謝59-60
• 參考文獻60-62
• 攻讀學(xué)位期間取得學(xué)術(shù)成果62

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本文編號：584861