基于P4的智慧协同网络分组转发机制设计与实现

发布时间：2020-11-21 14:22

　　随着科技的进步,网络互联带来的便捷已经体现在各个角落。然而,随着用户需求变得多元化和复杂化,传统网络体系结构在进行功能扩展时存在诸多问题,无法满足海量、泛在和高效等通信要求。北京交通大学下一代互联网互联设备国家工程实验室依托国家973计划项目《智慧协同网络理论基础研究》,提出了资源动态适配的智慧协同网络体系结构模型。智慧协同网络打破了现有互联网“三重绑定”的特性,具有高可扩展性和高效资源获取等优势。目前,智慧协同网络采用的CoLoR路由协议定义了不同于IP的字段,且版本更新频繁,报头格式和逻辑在不断完善和改进。因此,需要探索一种灵活的实现方式,使CoLoR可以被方便的测试与验证。本文利用P4(Programming Protocol-independent Packet Processors)可以通过软件编程、快速定义转发设备处理逻辑的优点,用P4实现智慧协同网络的分组转发机制。基于P4搭建原型系统,使CoLoR可以很方便地被部署、测试、调整和升级。论文主要工作如下:首先,阐述了论文的研究背景、现状、意义和相关理论与技术。其次,提出了基于P4的智慧协同网络分组转发机制的设计方案。给出了控制与数据平面的划分、采用的控制器开放式网络操作系统ONOS(Open Network Operating System)的编排功能和解析机制等总体设计思路,阐述了在P4思想下对CoLoR分组转发机制的设计和对应设备的功能划分。讨论了 CoLoR包在多个自治域间传递时的路径标识PID(PathIdentifier)增删问题;分析并解决了 ONOS通过远程接口调用控制BMv2(Behavioral Modelversion2)转发数据包时遇到的首包问题;同时扩展了基于P4的CoLoR协议升级机制。再次,详细描述了基于P4的智慧协同网络分组转发机制的实现方案。结合设计方案,分别描述了分组转发机制的数据平面和控制平面的实现框架,说明了各功能模块的原理及具体实现。数据平面通过编写首部、解析器、流控制程序、匹配动作表、动作等模块,实现了各类BMv2设备的分组处理流程。控制平面实现初始化主模块、设备发现模块、包头读写模块、路径计算模块、流表生成模块、协议升级模块和分析处理模块等,多个模块协同工作,实现对数据平面的编排和管控。最后,对基于P4的智慧协同网络分组转发机制进行了功能和性能两个方面的测试。介绍了测试方案和环境,对各转发机制进行功能验证,测试ONOS流表下发速率、协议切换时延和BMv2吞吐量等性能指标,验证系统可行性与可扩展性。论文工作对提高对智慧协同网络的研究效率,加快业界对CoLoR的接纳、部署和推广具有重要意义。
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP393.02
【部分图文】：