基于NetFPGA 10G平台的网络编码技术在软件定义PON中的设计与实现

摘要

随着信息产业的飞速发展，用户对网络带宽的需求也日益增长。接入网是连接骨干网络与用户之间的桥梁，在网络发展进程中起着举足轻重的作用。无源光网络(Passive Optical Network，PON)以其成本低、维护简单、组网灵活等特点成为了用户及各大运营商最青睐的宽带接入技术之一。随着PON技术的不断演进和发展，PON系统的带宽容量得到了巨大提升。如何更加高效、灵活地经营拥有巨大带宽容量的PON网络成为了运营商对未来接入网的又一个重要诉求。软件定义网络(Software Defined Network，SDN)作为一种全新的网络架构，主张将原有网络中的控制功能从基础设施中分离出来，从而为集中化、精准化地控制网络提供了可能。SDN技术在PON网络中的应用备受关注，软件定义无源光网络(SoftwareDefined Passive Optical Network，SD-PON)应时而生。然而，随着人们对更高性能网络的需求，以及在能源危机、气候变暖等全球性问题逐渐加剧的情况下，电信行业对节能技术的研究更加关键，尤其是对在电信行业中占较大能源消耗比重的接入网中节能技术的研究。网络编码(Network Coding，NC)作为信息论中的重要突破之一，能有效降低发射机的发送能耗、减小网络时延、提高网络吞吐量等，因此将其加入到SD-PON中可进一步提高该网络的传输性能，从而满足人们对节能减排及高性能网络的需求。NetFPGA系列板卡是由斯坦福大学研发的，以其低成本、高性能、模块化、开源性等优点而备受开发者关注。综合NC能有效提高网络性能的特点以及NetFPGA10G开发平台的优越性，本文提出了一种基于NetFPGA10G平台的NC技术在SD-PON中的设计实现方案。
　　本研究主要内容包括：⑴分析了研究背景和研究意义，从而有力论证了其必要性和重要性。对与本课题相关的PON、SDN、SD-PON、NC-PON及NetFPGA的国内外研究现状进行了深入调研。⑵结合以太网无源光网络(Ethernet Passive Optical Network，EPON)及SDN的优点对新型的SD-PON进行了详细的分析，创新性地提出了将NC技术应用于SD-PON中，不仅简化了传统EPON中繁琐的信息交互，也为进一步降低接入网的能耗，提高网络传输性能提供了可能。⑶在NetFPGA10G开发平台上对本文中所提出的基于NC的SD-PON从光网络单元(Optical Network Unit，ONU)、光线路终端(Optical Line Terminal，OLT)和OpenFlow控制器三方面给出了详细的设计方案。⑷用Verilog及Python语言对本方案进行编程实现，通过Isim仿真工具对本文中所设计的基于NC的SD-PON系统中的主要逻辑代码进行仿真验证与分析。结合NetFPGA开发平台、无源光分路器、集线器以及光纤收发器等硬件设备搭建出具有NC功能的SD-PON系统，对所搭建的系统进行了测试验证与结果分析，并通过OPNET仿真证实了加入NC技术可有效提高SD-PON的网络性能。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 PON研究现状

1．2．2 SDN研究现状

1．2．3 SD-PON研究现状

1．2．4 NC-PON研究现状

1．2．5 NetFPGA研究现状

1．3 研究内容

1．4 本章小结

第2章 基于NC技术的SD-PON系统

2．1 EPON技术

2．1．1 EPON系统结构

2．1．2 EPON工作原理

2．2 SDN技术

2．2．1 SDN网络架构

2．2．2 OpenFlow技术

2．3 SD-PON

2．3．1 SD-PON系统结构

2．3．2 SD-PON工作原理

2．4 基于NC的SD-PON

2．4．1 工作原理

2．4．2 应用NC技术的优势

2．5 本章小结

第3章 基于NetFPGA平台的NC技术在SD-PON中的设计

3．1 NetFPGA 10G开发平台

3．1．1 NetFPGA 10G开发平台硬件部分

3．1．2 NetFPGA 10G开发平台软件系统

3．2 ONU设计方案

3．2．1 ONU内部结构

3．2．2 OpenFlow PCORE模块

3．2．3 NetFPGA Data Path模块

3．2．4 decoding_processor模块

3．3 OLT设计方案

3．3．1 OLT内部结构

3．3．2 encoding_processor模块

3．4 OpenFlow控制器

3．4．1 POX

3．4．2 带宽分配模块

3．4．3 流表读写

3．5 本章小结

第4章 仿真验证与系统测试

4．1 仿真验证及分析

4．1．1 仿真参数设置

4．1．2 仿真结果分析

4．2 系统测试

4．2．1 系统硬件搭建

4．2．2 系统参数设置

4．2．3 系统配置过程

4．2．4 Packet Generator工程实现过程

4．2．5 测试结果分析

4．3 性能仿真

4．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

作者简介

攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果