协议无关网络编程方法研究及其环境研制

摘要

在软件定义网络（Software-Defined Networking，SDN）中，用户使用编程的方式管理网络的转发行为。SDN控制层的编程环境为用户提供编程语言来编写网络的控制策略，并将这些控制策略解释为底层SDN转发设备能够理解的消息格式，SDN转发设备根据这些消息安装转发规则从而对网络中的数据包进行处理。因此，编程环境的设计直接影响到用户对整个网络的控制，功能全面、简单易用的编程环境能够简化用户的编程复杂度，提高网络资源的管理效率。
　　现有的SDN编程环境大多基于OpenFlow技术，但是该技术只支持固定的协议类型，因此不能对任意协议进行编程控制，这不仅限制了SDN网络对不同协议的支持能力，也极大的限制了用户编程的能力。为了解决这一问题，华为提出协议无感知转发技术(Protocol-Oblivious Forwarding，POF)，通过元组的字段表达形式和协议无关指令集来实现数据平面的协议无关。
　　为了解放SDN的网络编程能力，本文针对现有编程环境的问题，提出并研制了一种面向协议无关网络的SDN编程环境PNPL。PNPL将用户编写的协议规范和网络策略自动转化为底层的多表流水线，一方面，PNPL动态的处理变长变序协议，自动为数据包生成解析图实例，并将协议规范映射为底层的多表流水线框架;另一方面，PNPL使用踪迹和扩展踪迹树记录网络策略对数据包、metadata以及多表的操作，自动为多表流水线添加和维护转发规则。本文的贡献主要包括两点:首先，从解析图、踪迹、扩展踪迹树等关键技术出发，提出了一种包含流水线设计和多角度编程的协议无关网络编程方法，从而优化数据平面的多表流水线，提高用户对网络的编程控制能力，解决POF带来的编程复杂度问题;其次，本文实现了上述方法，研制出一套完整的SDN编程环境PNPL，并将其部署在实际网络中。最后通过防火墙策略、源路由等功能测试和吞吐量、流水线质量等性能测试说明了方案的可行性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1．SDN架构

1．1．2．南向接口OpenFlow

1．1．3．对OpenFlow的改进

1．2 国内外研究现状

1．2．2．现有的编程环境

1．3 研究内容

1．4 本文的组织结构

第2章 背景技术和问题

2．1 POF协议字段

2．2 metadata

2．3 协议无关的指令集

2．4 POF和P4的比较

2．5 现有编程存在的问题

2．5．1．不支持metadata

2．5．2．多表流水线的设计难题

2．5．3．变长变序协议问题

2．6 本章小结

第3章 PNPL编程方法概述

3．1 PNPL架构

3．2 PNPL的集成开发界面

3．3 协议描述语言

3．4 APls和网络策略

3．5 本章小结

第4章 PNPL编程环境的关键技术

4．1 协议解析

4．1．1．解析图和解析图实例

4．1．2．解析变长变序协议

4．2 踪迹

4．3 扩展踪迹树

4．4 多表流水线

4．4．1．多表流水线的框架

4．4．2．生成多表流水线

4．4．3．变长变序协议的转发规则

4．5 PNPL编程环境的优化

4．6 本章小结

第5章 PNPL编程环境的部署和测试

5．1 PNPL编程环境部署

5．2 PNPL编程环境的功能测试

5．2．1．防火墙策略

5．2．2．源路由协议

5．3 PNPL编程环境的性能测试

5．3．1．吞吐量和延迟测试

5．3．2．多表流水线质量测试

5．3．3．和P4的对比测试

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 本文总结

6．2 未来展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果