基于P4的智慧協同網絡分組轉發機制設計與實現

發布時間：2020-11-21 14:22

　　隨著科技的進步,網絡互聯帶來的便捷已經體現在各個角落。然而,隨著用戶需求變得多元化和復雜化,傳統網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網互聯設備國家工程實驗室依托國家973計劃項目《智慧協同網絡理論基礎研究》,提出了資源動態適配的智慧協同網絡體系結構模型。智慧協同網絡打破了現有互聯網“三重綁定”的特性,具有高可擴展性和高效資源獲取等優勢。目前,智慧協同網絡采用的CoLoR路由協議定義了不同于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、快速定義轉發設備處理邏輯的優點,用P4實現智慧協同網絡的分組轉發機制�；赑4搭建原型系統,使CoLoR可以很方便地被部署、測試、調整和升級。論文主要工作如下:首先,闡述了論文的研究背景、現狀、意義和相關理論與技術。其次,提出了基于P4的智慧協同網絡分組轉發機制的設計方案。給出了控制與數據平面的劃分、采用的控制器開放式網絡操作系統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通過遠程接口調用控制BMv2(Behavioral Modelversion2)轉發數據包時遇到的首包問題;同時擴展了基于P4的CoLoR協議升級機制。再次,詳細描述了基于P4的智慧協同網絡分組轉發機制的實現方案。結合設計方案,分別描述了分組轉發機制的數據平面和控制平面的實現框架,說明了各功能模塊的原理及具體實現。數據平面通過編寫首部、解析器、流控制程序、匹配動作表、動作等模塊,實現了各類BMv2設備的分組處理流程。控制平面實現初始化主模塊、設備發現模塊、包頭讀寫模塊、路徑計算模塊、流表生成模塊、協議升級模塊和分析處理模塊等,多個模塊協同工作,實現對數據平面的編排和管控。最后,對基于P4的智慧協同網絡分組轉發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境,對各轉發機制進行功能驗證,測試ONOS流表下發速率、協議切換時延和BMv2吞吐量等性能指標,驗證系統可行性與可擴展性。論文工作對提高對智慧協同網絡的研究效率,加快業界對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】：