基于SOC的SDN交换机软硬件接口设计

摘要

传统网络中，网络主要固件被各设备厂商锁定与控制，协议实现也与硬件绑定，各自只是针对某个问题工作，互相独立互不干扰。这与目前网络需求非常不符。人们需要能够对网络有更大的控制权，将控制与转发隔离。在此背景下 SDN技术提出并得到迅速发展。面对SDN技术的发展，各大厂商公司纷纷推出了自己的SDN交换机，但是现有的交换机处理器系统和FPGA相互独立，由不同的器件实现，再加上外围电路，使得交换机体积大，功耗高，这在教学演示和科研中非常不便。对此，本文提出利用具有高集成度,高性能和低功耗特点的SOC实现SDN交换机以满足教学和科研需求。
　　交换机的实现平台选用xilinx公司新推出的zynq-7000 SOC芯片。这款SOC不同以往的SOC，它的处理器与FPGA处于同一个架构上，所以性能大幅度提升。这有利于突破传统交换机处理器与 FPGA存在的数据传输传输瓶颈。在设计中，我们选用SOC的高速数据通道完成数据在可编程逻辑和可编程系统之间的传输。选择芯片上位于可编程逻辑部分的DMA负责数据的传输控制，因为相比于可编程处理器部分的DMA其性能更加优越。交换机的帧类型主要考虑控制帧，实现交换机与控制器的交互。
　　本文首先介绍与SDN交换机实现相关的技术，包括SDN架构、OpenFlow交换机组成和工作过程。在设计中，数据的传输完全依赖基于AXI协议的DMA，所以会介绍AXI协议和应用的AXI-DMA核的工作原理。然后给出测试所用的平台zynq-7000的组成和性能，结合关键性实验演示相关开发工具的使用。接着根据OpenFlow交换机的结构，设计利用SOC技术实现SDN交换机所适合的整体架构并规划具体的交换机各部分功能实现方式。按照从硬件到软件，底层到高层的顺序逐一介绍。最后，通过对各个功能进行测试，结果与预计的相符，完成了控制帧传输的目的。而且交换机与控制器可以顺利建立连接，完成几种控制帧的交互。关于AXI通道的性能，也是测试中比较重要的部分，不过因为方向较新，没有进行对比，但是测出的性能非常优秀，完全可以满足交换机控制帧的传输要求。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

缩略语表

第一章 引言

1.1 研究背景及意义

1.2 研究内容

1.3 论文主要工作与内容安排

第二章 背景技术介绍

2.1 SDN介绍

2.2 AXI协议

2.3 AXI-DMA核

2.4 本章小结

第三章 测试平台及工具软件使用

3.1 硬件平台zc702及架构

3.2 软件运行和开发环境

3.3 PS和PL开发的典型实验

3.4 本章小结

第四章 基于SOC的SDN交换机软硬件接口设计

4.1 SDN交换机整体架构

4.2 控制平面硬件接口设计

4.3 驱动模块的设计

4.4 交换机应用软件实现

4.5 应用与驱动接口设计

4.6 本章小结

第五章 开发环境与测试

5.1 系统的整体架构和测试环境

5.2 交叉编译环境的建立

5.3 系统引导与运行

5.4 独立应用PS测试

5.5 simple DMA测试

5.6 帧交互功能测试与性能分析

5.7 本章小结

第六章 结束语

6.1 本文所完成的工作

6.2 下一步的工作

致谢

参考文献