基于SDN的OpenFlow交换机数据包流水线处理机制

目前,软件定义网络(Software Defined Networking,SDN)已成为网络研究与开发的重点,但相关的研究与开发工作还仅仅局限于园区网络和数据中心网络等。由于SDN控制层与数据层处理效率的限制,SDN面向互联网这样超大规模网络的研究还基本处于空白阶段。为了提升SDN的性能以使其适应大规模网络的特点,挖掘SDN数据层中并行加速处理的可能性,提出了将流水线技术应用到SDN数据层中交换机对数据包的转发过程。另外,结合SDN南向接口OpenFlow协议提供的交换机工作规范,设计了适用于OpenFlow交换机数据包转发的三级流水线处理机制。仿真实验说明,将流水线应用到SDN中能有效加快OpenFlow交换机的数据包转发速度。     

路由设备IPv6网络隧道功能驱动研究

因特网的发展导致IP地址的资源耗尽,IPv6网络将逐渐取代IPv4网络的主体地位。IPv4网络向IPv6网络过渡过程中,出现了很多IPv6网络的孤岛,隧道技术是实现IPv6孤岛之间联通的关键过渡技术。IPv6隧道技术是将IPv6报文作为要发送给隧道另一端的IPv4报文的净荷数据,然后经由IPv4骨干网络传输。在网络数据的转发过程中,基于硬件的数据转发效率要远高于软件驱动的数据转发效率。依据IPv6隧道技术设计了一套驱动流程,指导隧道报文在转发芯片上的转发。介绍了系统结构图以及NP芯片的转发流程和驱动指令,基于三层单播转发将数据包在隧道中封装,在OUTINFO表项内添加隧道标记和信息,将各种指令信息下发NP芯片,生成FIB转发表指导数据转发方案。实验表明该驱动流程可以很好地指导6to4隧道报文正常转发,提高网络的数据转发速率,降低网络延迟,特别是当数据流量增大到300 Mbps以上时,网络延迟和抖动性能可以提升100%～400%,具有较强的实用性。     

基于匹配动作表模型的可编程数据平面流表归并

与传统网络技术相比,SDN技术将网络的控制平面与数据平面分离,使网络具有一定的可编程能力。以OpenFlow、POF、P4等为代表,领域内常见的SDN交换机大多基于匹配动作表模型实现。与协议相关的OpenFlow等技术不同,协议无感知的SDN技术使用{偏移,长度}等结构表示协议字段,从而实现对任意协议字段的解析和处理。然而,待处理的数据包可能带有不同长度的数据包头,所以这些数据包中特定协议字段的偏移也会不同,需要多个匹配域偏移不同的流表去完成数据流的解析,从而造成流表和流水线结构复杂。针对上述问题,本文提出一种基于MAT模型的可编程数据平面流表归并方案,扩展MAT模型中的动作集,在数据包查询流表时使用特定的动作动态地调整数据包的起始偏移,使不同数据包同一协议字段的偏移保持一致,实现匹配域相同的流表的归并。本文方案在兼容VLAN、QinQ的POF Switch实验场景下,以跳转流表时多执行一条动作为代价,缩减了约69%的流表内存消耗。     

分布式组播路由器存储与转发优化模型

组播路由器传统存储方式存在存储空间的严重浪费,内部高速交换网络在转发数据包时存在数据包严重冗余。针对传统方法中存在的问题,提出了优化存储转发模型。该优化模型通过存储优化降低存储空间的消耗;通过重构组播路由转发项与转发策略以减少数据包内部交换的次数。实验分析与比较证明了其具有较好的存储性能与转发性能,减轻了内部交换网络的负担,减少了组播数据包转发时延,显著提升了路由器的有效性。     

软件定义网络中协同存储数据面快速转发

针对利用具备存储能力的网内节点进行协同存储需依据周边缓存状态快速转发数据包的问题,提出了一种数据面快速转发方法。该方法采用在交换机内对每一端口维护两个布隆过滤器（BF）的方式,实现在数据面对于周边缓存状态的维护;同时扩展了协议无感知转发指令,该指令直接查询BF,依据所查询结果,采用优化的转发流程转发数据包,实现依据周边缓存状态的快速转发。实验结果表明:依据控制器所维护状态进行转发在输入速率为80 Kb/s即达到性能瓶颈,而所提方法可在111 Mb/s时线速转发数据包,且转发效率略优于协议无感知转发原本的直接转发指令;所采用的BF维护的方式内存开销最多仅为流表项维护周边缓存状态方式内存开销的20%。在具备存储能力的软件定义网络（SDN）中,采用所提方法可在数据面维护周边缓存状态,提升协同存储依据周边缓存状态转发数据包的效率。     

PIM-SM在T比特路由器中的设计和实现

提出了在T比特路由器中PIM—SM组播路由协议高效实现方法。将PIM—SM协议规范中涉及数据转发的操作加以分解,并将它们分布于转发引擎和主控,转发硬件转发数据包仅需一次查表,与控制平面尽量隔离,实现了组播包的线速转发。     

建立高效的网络安全设备IP数据包转发机制

因为网络安全设备对数据包转发的特殊需求,需要比一般设备更高效稳定的数据包转发机制。通过对IP数据包转发机制研究,针对特殊需求,提出了一种基于（IFPLUT＋TCAM）的IP数据包转发机制。该机制将查找表根据输出端口分割为若干个小查找表,并允许查找引擎对每个小查找表进行并行处理,有效地将寻找“最长前缀匹配”的复杂问题简化为“第1前缀匹配”问题。     

交换机VLAN实验教学设计*

交换机的虚拟局域网技术在计算机专业实验教学中属于重点和难点,尤其是VLAN划分后的交换机端口转发规则更是学生理解掌握的瓶颈。对跨交换机的VLAN实验传统方案进行改进设计,强化交换机端口在转发帧的过程中依据的规则,弥补关于交换机端口转发规则的实验教学空白,能使学生更深刻更全面地掌握交换机技术。实验方案改进设计在教学改革、教学方法和教学效果三方面都取得良好效果。     

MPSSF:一种低失序的缓存转发移动切换方案

全IP无线移动网络的微移动协议在无线接入网采用快速切换技术降低移动切换时延,同时采用了数据包缓存转发技术来解决切换过程中的丢包。多流转发方案存在较多的失序,使上层的TCP协议不适当地启动拥塞控制机制而降低吞吐量。单流转发方案虽然没有失序,但是会占用较多的网络资源并增加数据包的时延。提出一种多径单流转发方案MPSSF,较好地解决了移动切换过程中数据包的丢失与失序问题,同时网络资源消耗以及数据包时延也比单流转发方案显著减小。网络模拟实验表明,MPSSF在移动切换时避免了数据包失序,保持了TCP的拥塞窗口,对TCP性能的改善效果优于多流转发方案及单流转发方案。     

数据流特征感知的交换机流表智能更新方法

针对软件定义网络（SDN）中交换机流表匹配率低的问题,提出了数据流特征感知的交换机流表智能更新方法。首先,论述流表项的生存超时时间timeout对数据包匹配的影响,并且分析比较基于先进先出（FIFO）、近期最少使用（LRU）等一般方法存在的不足;其次,根据流表项的生存时间和数据流的特征密切相关的思想,利用基于隐马尔可夫模型（HMM）的深度流检测（DFI）技术对数据流进行分类;最后,根据流表资源和控制器计算资源状况,实现对不同类型数据流流表项的智能更新。采用校园数据中心网络行为数据的模拟实验表明,与流表更新的一般方法相比,智能方法能使流表匹配率提高5%以上,对SDN交换机的管理有实际意义。     

跨域BGP／MPLSVPN在高性能路由器中的实现

提出在高性能路由器中跨域边界网关协议（BGP）／多协议标签交换（MPLS）虚拟专用网（VPN）的高效实现方法。结合协议规范,将转发与控制分离,主控负责对标记的分发与管理,转发引擎实现对MPLS分组的封装与转发。通过在控制层面对标记信息进行预处理,避免VPN业务分组在转发过程中的递归查找问题,使硬件转发数据包仅需一次查表,实现数据包的线速转发。     

面向SD-DCN的OpenFlow分组转发能效联合优化模型

在软件定义网络(software-defined networking, SDN)中,OpenFlow交换机通常采用三态内容可寻址存储器(ternary content addressable memory, TCAM)存储流表,以支持快速通配查找.然而,TCAM采用并行查找方式,查找能耗高,因此有必要为OpenFlow交换机选择合适的TCAM容量,以平衡分组转发时延和能耗.针对软件定义数据中心网络(software-defined data center network, SD-DCN)这一典型应用场景,利用多优先级M/G/1排队模型刻画OpenFlow交换机的分组处理过程,进而建立OpenFlow分组转发时延模型.同时,基于网络流分布特性,建立TCAM流表命中率模型,以求解OpenFlow分组转发时延与TCAM容量的关系式.在此基础上,结合TCAM查找能耗,建立OpenFlow分组转发能效联合优化模型,并设计优化算法求解TCAM最优容量.实验结果表明：所提时延模型比现有模型更能准确刻画OpenFlow分组转发时延.同时,利用优化算法求解不同参数配置下的TCAM最优容量,为SD-DC...     

基于最优转发策略的无线传感器网络随机路由协议

提出一种基于地理信息的随机路由协议,该协议以优化参数选择候选路由节点.为确定候选路由节点数据转发的优先级,引入数据包传递期望值EPA.EPA综合考虑了链路质量以及数据包传递的距离,确定离目的节点越近的候选节点数据转发的优先级越高.经过理论分析,该转发策略能够使EPA取得最大值,是一种局部最优策略.仿真实验结果表明,该协议在数据传输延迟和数据吞吐率等方面明显优于地理路由协议.     

一种面向FPGA异构计算的高效能KV加速器

网络功能虚拟化等新兴应用的蓬勃发展对Key-Value查询的能效提出了更高要求。传统的解决方法要么采用基于软件Hash表,要么采用专用的三态内容可寻址存储器(TCAM)芯片进行加速。其中,软件方法实现成本低,但是在数据冲突较高时会导致查表性能急速下降;硬件TCAM方法具有优良的时间特性,但其价格昂贵、耗能巨大。目前,随着基于现场可编程门阵列FPGA的异构计算技术的高速发展,利用系统已经提供的FPGA资源对基于软件实现的Hash表结构进行加速成为一种性价比更佳的解决方案。探讨如何利用FPGA上的RAM资源来实现一种具有高扩展性和高能效比的TCAM逻辑。与传统的TCAM结构不同,提出的架构支持查表范围的动态缩放,从而可以有效减少查表功耗。为了验证方案的有效性,利用Virtex-7系列FPGA对本文方案进行实现和评估,并与软件查表的性能进行详细比较。实验表明,本文方案吞吐量可达到234 Mpps,查表延迟为25.56ns。相比软件的方法,吞吐量提高780倍,延迟降低240倍。     

基于差分演化算法的大规模包匹配研究

在差分演化算法与传统包匹配算法基础上,提出一种改进包匹配算法。该算法包匹配的时间性能与规则数目存在弱相关性,可处理多维和大规模规则库的包匹配问题。数值分析与实验结果表明,与基于Trie类算法相比,该算法能使数据包有效地进行线速转发,改善包匹配性能。     

一种高效的网络安全设备IP数据包转发机制

通过对IP数据包转发机制研究,针对网络安全设备对数据包转发的特殊需求,提出了一种基于(IFPLUT TCAM)的IP数据包转发机制。该机制将查找表根据输出端口分割为若干个小查找表,并允许查找引擎对每个小查找表进行并行处理,有效地将寻找“最长前缀匹配”的复杂问题简化为“第一前缀匹配”问题。     

POF缓存加速方案的优化方法

在软件定义网络领域,协议无关转发(POF)可编程数据平面能够快速地对新型网络协议进行支持,具有较高的实用价值。目前POF数据平面主要基于软件平台实现,性能较差。为了提高POF数据平面的性能,提出了基于缓存加速的方法。目前的缓存加速方案主要集中研究于快速转发路径的设计与性能优化,忽略了缓存失配路径上的额外开销。因此POF数据平面通过这些缓存加速方案要获得显著的转发加速效果,需要较高的缓存命中率。针对上述问题,本文基于最新的POF缓存加速方案提出了针对缓存失配路径的优化方法,通过改进缓存模块中的数据结构并将其传输到缓存失配路径,消除额外的字段提取开销,从而优化缓存方案整体的转发加速性能。本文在实际的POF可编程数据平面上实现了该方法并进行了对比分析。实验结果表明,本文方法在不影响原快速转发路径性能的同时,较好地提升了数据平面在现网流量中的转发性能。与原缓存方案相比,本文方法使数据平面获得显著转发加速效果,所需的缓存命中率降低了28.64%,同等缓存大小下吞吐最大提升了39.08%。     

软件定义网络中交换机处理时延的仿真

针对目前的网络仿真工具在对软件定义网络(SDN)的仿真过程中,未考虑交换机的处理时延的问题,提出一种处理时延的仿真方法,目的是为了使仿真结果更加真实和准确。该方法首先将交换机的转发处理过程分解为对流表的查询操作和执行不同的动作;然后,利用交换机的处理器频率和访存周期,将查询流表和执行动作转换为处理时间。实验中测量了真实环境中不同配置的交换机处理时延,并与利用该方法仿真出的处理时延进行对比。实验结果表明,利用该方法仿真出的处理时延和真实交换机的处理时延基本一致,该方法能够较准确地仿真交换机处理时延。     

交换机的选购策略探析

随着经济的发展和计算机网络技术的不断更新,越来越多的企事业单位准备组建自己的局域网,已提高其经济效益和办公效率,交换机作为重要的网络设备,其选购至关重要。因此在选购交换机时,我们应做到以下几个方面:1、了解转发方式数据包的转发方式主要分为"直通式转发"(现为准直通式转发)和"存储式转发"。由于不同的方式适应于不同的网络环境,因此,我们应当根据需要做出相应的选择。由于"直通式转发"指检查数据包的包头,不需要存储,所以切入方式具有延迟小,交换速度快的优点。存储转发方式在数据处理时延时大,但它可以对进入交换机的数据包进行错误检测,并且能支持不同速率的输入/输出     

基于双优先级的IPv4单播查表解决方法

针对大规模接入汇聚路由器IPv4单播报文的多表查找问题,结合对TCAM＋SRAM查表技术特点的分析,提出了一种基于双优先级的IPv4单播查表解决方法,并对其中的最长匹配表项快速更新需求设计了一种预留表项空间的改进型选择移动算法。测试结果表明该方法能有效地解决IPv4单播报文的多表查找难题,提高表项的更新速度,节省FPGA资源,提高转发引擎的效率。