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1、 分类号 TP393 学号 GS09060022 密级 硕士生姓名 公 开 工学硕士学位论文 开放可重构开放可重构网络网络实验平台的研究与实现实验平台的研究与实现 贾春波 学 科 专 业 计算机科学与技术 研 究 方 向 计算机网络 指 导 教 师 黄金锋 副研究员 国防科学技术大学研国防科学技术大学研究生院究生院 二一一年十一二一一年十一月月 开放可重构网络实验平台的研究与实现 国防科学技术大学研究生院 Research and Realization of Open-Reconfigurable Network Research Platform Candidate：Jia Chun-bo
2、 Advisor：Asso. Prof. Huang Jin-feng A thesis Submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Engineering in Computer Science and Technology Graduate School of National University of Defense Technology Changsha，Hunan，P.R.China November，2011 （此页放置（此页放置独创性声明和学位论文版权使用授权书
3、独创性声明和学位论文版权使用授权书 复印件，复印件，其其原件存放在学位申请材料中。原件存放在学位申请材料中。） 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第 I 页 目目 录录 摘 要 i ABSTRACT . ii 第一章 绪论 1 1.1 研究背景 1 1.2 开放可重构网络实验平台 . 2 1.3 本文的主要工作 4 1.4 本文的组织结构 4 第二章 相关研究 . 6 2.1 Click模块化软件路由器 . 6 2.1.1 概述 . 6 2.1.2 体系结构 . 7 2.1.3 系统特点 . 9 2.2 NetFPGA实验平台 . 10 2.2.1 概述 . 10 2.2.2 体系结构
4、 . 11 2.2.3 软件接口 . 12 2.3 SwitchBlade平台 . 12 2.3.1 概述 13 2.3.2 设计目标 13 2.3.3 设计实现 14 2.4 本章小结 16 第三章 开放可重构实验平台模型研究 . 18 3.1 实验平台模型OpenREP 18 3.1.1 模型组成 . 19 3.1.2 模型特点 . 20 3.2 报文处理模型EasySwitch 22 3.2.1 模型概述 22 3.2.2 模型组成 23 3.2.3 平台资源使用分析 . 26 3.2.4 报文调度性能分析 . 27 3.3 本章小结 29 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第
5、II 页 第四章 开放可重构实验平台的实现 30 4.1 硬件组成结构 30 4.1.1 NetMagic-08 实验平台 30 4.1.2 NetMagic-24 实验平台 31 4.2 可重构的硬件-MagicFPGA . 32 4.2.1 用户模块 . 33 4.2.2 通用数据通路 . 33 4.2.3 管理模块 . 34 4.2.4 接口控制器 . 35 4.3 平台编译及资源统计 37 4.4 平台的应用和开发 39 4.5 本章小结 40 第五章 基于NetMagic的RLI延迟测量 . 41 5.1 RLI延迟测量 41 5.2 基于UM的实现方案 42 5.2.1 硬件通路
6、. 42 5.2.2 插入算法实现 . 45 5.2.3 参考报文格式 . 47 5.2.4 摘要报文格式 . 47 5.3 实验网络与结果分析 49 5.3.1 实验网络 . 49 5.3.2 结果分析 . 50 5.4 本章小结 52 结 束 语 . 53 致 谢 . 54 参考文献 . 55 作者在学期间取得的学术成果 . 58 附录A 基本定理 59 附录B 参考报文插入算法 61 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第 III 页 表 目 录 表 2.1 SwitchBlade平台头的格式 16 表 3.1 EasySwitch处理模型相关参数 26 表 4.1 管理模块的编译
7、时间和资源占用情况 . 37 表 4.2 CDP模块（千兆模式）的编译时间和资源占用情况 38 表 4.3 CDP模块（百兆模式）的编译时间和资源占用情况 38 表 5.1 改进后的参考报文插入算法 46 表 5.2 参考报文格式 . 47 表 5.3 MAC报文头格式 . 47 表 5.4 IP报文头格式 47 表 5.5 正常报文的摘要报文格式 . 48 表 5.6 正常报文的摘要信息格式 . 48 表 5.7 参考报文的摘要报文格式 . 48 表 5.8 正常报文的摘要信息格式 . 49 表B.1 论文25的参考报文插入算法 61 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第 IV 页
8、图 目 录 图 2.1 一个简单的Click路由器配置图 . 7 图 2.2 组件（element）实例示意图 . 8 图 2.3 Click的连接方式 9 图 2.4 NetFPGA的模块结构图 . 11 图 2.5 SwitchBlade的数据包处理流水线22 . 15 图 3.1 OpenREP模型的主要架构 18 图 3.2 控制器的控制模式 . 19 图 3.3 EasySwitch处理模型的预置模块结构 . 22 图 3.4 旁路处理模式 . 24 图 3.5 穿透处理模式 . 24 图 3.6 混杂处理模式 . 25 图 3.7 NetMagic-24 和NetFPGA的资源约束
9、图 27 图 3.8 报文调度延迟分析 . 28 图 4.1 NetMagic-08 实验平台系统结构图 30 图 4.2 NetMagic-24 的整体架构 . 31 图 4.3 MagicFPGA的内部结构 . 32 图 4.4 CDP逻辑设计结构图 . 33 图 4.5 管理模块逻辑设计结构图 34 图 4.6 接口控制器外部接口及模块划分 36 图 5.1 RLI延迟测量的硬件通路 . 42 图 5.2 参考报文生成模块中的处理逻辑 44 图 5.3 参考报文处理逻辑 . 44 图 5.4 具体处理逻辑结构 . 45 图 5.5 RLI延迟测量验证环境 . 50 国防科学技术大学研究生
10、院工学硕士学位论文 第 i 页 摘 要 随着互联网在社会生活各个领域的广泛应用，现有的基础网络已难以满足大 规模网络服务和应用在可扩展性、安全性、服务质量和移动性等方面的需求。当 前，在三网融合、物联网、云计算以及 IPv6 过渡等新型技术逐渐改变互联网的同 时，互联网基础体系结构也正酝酿着巨大变革。而网络技术作为一门以实验为基 础的学科，在大规模实验网络环境中进行实验并收集数据结果，是下一代互联网 创新技术研究最有效和最具说服力的手段，因此研究可用于搭建大规模实验网络 的实验平台成为互联网解决现有问题和发展创新的重要途径。 本文在介绍现有网络实验平台的基础上，针对现有互联网实验平台的不足和
11、下一代互联网实验平台应具备的特性，设计开发了具有开放可编程、功能可重构 以及灵活可扩展等特点的新型网络实验平台模型OpenREP 模型。然后，针对 OpenREP 模型对高效可靠预置功能模块的需求，本文提出 EasySwitch 报文处理模 型。最后，根据 OpenREP 实验平台模型和 EasySwitch 报文处理模型的思想设计实 现了 NetMagic 实验平台并基于 NetMagic 平台运行了网络延迟测量的实例。本文 的主要工作和创新点包括： （1）遵循网络实验平台设计的三个需求，即开放性、网络可控性以及用户可 定制性，提出 OpenREP 模型。OpenREP 模型具有开放可编程、
12、基于网络控制和基 于用户模块进行设计开发的特点，因此 OpenREP 模型为下一代互联网实验平台的 设计和开发提供了重要的理论依据。 （2）为支持 OpenREP 模型基于用户模块的开发模式，本文提出一种高效可 靠的新型报文处理模型EasySwitch 报文处理模型。 新型报文处理模型 EasySwitch 通过预置优化设计的通用报文交换及处理逻辑，有效实现用户定制报文处理逻辑 与通用报文处理逻辑的解耦分离；而良定义的用户模块接口则允许用户仅需关注 特定业务逻辑的实现，有效简化用户的逻辑设计工作。 （3）基于 OpenREP 实验平台模型和 EasySwitch 报文处理模型的思想， NetM
13、agic 小组设计实现了具有开放可重构特性的新型网络实验平台-NetMagic 平 台。其中，本文主要负责 NetMagic 平台中部分预置功能模块代码的编写和 RLI 网 络延迟测量应用实例的开发。 综上所述，本文提出的 OpenREP 实验平台模型和 EasySwitch 报文处理模型， 对开放可重构实验平台的设计与实现具有一定的理论意义和指导价值。而且，基 于其实现的 NetMagic 网络实验平台也将在互联网创新研究中发挥重要作用。 主题词：报文处理模型；实验平台；报文交换；NetMagic 平台 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第 ii 页 ABSTRACT Interne
14、t is widely used in almost all areas of our social activity. However, the current network infrastructure hardly meet the needs of the large-scale network services and applications in the fields of scalability, security, quality of service, mobility etc. The much-anticipated tri-networks integration,
15、 internet of things, cloud computing, IPv6, etc, propose several unprecedented challenges for the development of the next generation Internet. As we know, experiments play a very important role in networking research. Conducting experiments in the large scale experimental network is the most convinc
16、ing way in the networking research, so the research of the Internet experimental platform used to build large-scale experimental network is key of internet innovation. Based on the instruction of existing experimental platform, to the disadvantages of existing experimental platform and the features of next-generation experimental platform, this thesis designs and d
