一種基于虛擬地址空間的可編程網(wǎng)絡設備管理控制方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明是針對基于FPGA實現(xiàn)的可編程網(wǎng)絡設備的數(shù)據(jù)平臺管理控制所提出的一種方法。
【背景技術】
[0002]隨著互聯(lián)網(wǎng)社會中的普及，網(wǎng)絡性能的要求越來越高，現(xiàn)階段網(wǎng)絡體系的發(fā)展遇到了漸進式和Clean Slate革命性的兩條路，而目前網(wǎng)絡的構架難以滿足可擴展性，開放性，靈活性，服務質(zhì)量等各個方面的需求，各個國家、組織機構積極進行網(wǎng)絡創(chuàng)新的研究?？删幊叹W(wǎng)絡設備是支持網(wǎng)絡實驗、網(wǎng)絡創(chuàng)新研究的重要手段，利用可編程網(wǎng)絡設備硬件可重構，上層軟件可編程的靈活、開放等特點，可以彌補現(xiàn)有實驗網(wǎng)絡規(guī)模龐大，技術復雜等不足。主流可編程網(wǎng)絡設備分為基于FPGA的可編程網(wǎng)絡設備和基于NP的軟件可編程網(wǎng)絡設備，相比之下，F(xiàn)PGA具有硬件可重構性，基于FPGA的硬件平臺更加靈活，適合特定的實驗進行軟硬件協(xié)同的開發(fā)。可編程網(wǎng)絡設備可控制的硬件資源主要包括配置寄存器CR，狀態(tài)寄存器SR，計數(shù)器CNT，控制表格CT等，利用這些可重構硬件資源可實現(xiàn)網(wǎng)絡設備的各種功倉泛。
[0003]基于FPGA的可編程網(wǎng)絡需要管理控制的數(shù)據(jù)平面主要包括，參考圖1:
配置寄存器CR:為了使數(shù)據(jù)平面的功能符合實驗意圖需要配置的寄存器，例如網(wǎng)絡設備工作模式，選擇寄存器等，可編程網(wǎng)絡設備通過軟件配置的CR進行設備初始化。
[0004]狀態(tài)寄存器SR:可編程網(wǎng)絡設備根據(jù)設備狀態(tài)信息對SR進行讀寫操作，控制端軟件通過讀取SR寄存器了解轉(zhuǎn)發(fā)設備端狀態(tài)、工作情況，寄存器反應數(shù)據(jù)平臺的狀態(tài)端口UP/D0WN 等。
[0005]計數(shù)器CNT:可編程網(wǎng)絡設備端硬件向CNT寫入轉(zhuǎn)發(fā)報文數(shù)，錯誤報文數(shù)等統(tǒng)計數(shù)據(jù)，控制端通讀取CNT，以做出決策。
[0006]控制表格CT:存儲轉(zhuǎn)發(fā)策略的各種控制表格，由軟件硬件協(xié)同商定轉(zhuǎn)發(fā)策略的長度以及表達方式，支持靈活可變長，例如轉(zhuǎn)發(fā)平臺生成的MAC轉(zhuǎn)發(fā)表，軟件配置生成的IP轉(zhuǎn)發(fā)表等。
[0007]在FPGA中實現(xiàn)訪問控制代理，根據(jù)寄存器，存儲器等資源在虛擬地址空間的映射關系，將軟件Read，Write命令轉(zhuǎn)換為FPGA中對上述資源的訪問。
[0008]現(xiàn)有的主流網(wǎng)絡設備控制協(xié)議有作為SDN的一種南向管理協(xié)議的OpenFlow協(xié)議和已提出多項RFC標準的ForCES協(xié)議。這兩種協(xié)議作為固定標準，無法支撐可編程網(wǎng)絡中軟件與硬件協(xié)商開發(fā)與修改，且實現(xiàn)復雜和靈活性不足，加大了對新協(xié)議的開發(fā)部署和添加網(wǎng)絡功能的困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明是一種在可編程網(wǎng)絡中對可編程網(wǎng)絡設備管理控制的方法，該方法充分的利用了可編程網(wǎng)絡設備管理的重要特點:硬件可重構性，軟件可編程性，軟件與硬件的邏輯可以協(xié)同設計。與ForCES和OpenFlow等協(xié)議軟件硬件獨立開發(fā)模式不同的是，本方法是軟件和硬件開發(fā)人員可共同協(xié)商的一種硬件資源抽象方法，提供可軟件訪問控制代理，將硬件可編程資源如寄存器，存儲器等以虛擬地址空間形式給軟件開發(fā)者訪問，使得控制端根據(jù)虛擬地址空間與可編程硬件進行交互，控制管理網(wǎng)絡資源。
[0010]本文以國防科學技術大學NetMagic設備為例,硬件使用可重構的FPGA作為轉(zhuǎn)發(fā)資源，而控制平面通過NMAC協(xié)議下發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)策略給轉(zhuǎn)發(fā)平面。
[0011]一、虛擬地址空間
本專利在可編程網(wǎng)絡構架上設計出一種新的抽象硬件資源方法OpenVAS (OpenVirtual Address Space),通過軟件硬件聯(lián)合設計,把硬件平臺中所有需要合理控制的寄存器，存儲器，計數(shù)器等硬件資源統(tǒng)一映射到一個地址空間，成為“虛擬地址空間”，類似于計算機內(nèi)存抽象出的虛擬地址對于CPU控制訪問MMU (Virtual Memory Management)虛擬內(nèi)存管理。
[0012]在OpenVAS構架方法下，軟件與硬件協(xié)同設計虛擬地址空間，包括虛擬地址編址大小，每條虛擬地址映射的硬件資源地址表，軟件硬件交互通信方式，控制管理命令類型等規(guī)則。軟件通過開放的虛擬地址空間對硬件如寄存器，存儲器，計數(shù)器等資源進行管理配置。
[0013]二、OpenVAS構架以及模塊組成
為了達到控制端軟件管理FPGA網(wǎng)絡設備，其模塊設計需要以下主要功能模塊參考圖1包括以下模塊。
[0014]軟件模塊:
(I)可編程網(wǎng)絡設備應用管理模塊:降低網(wǎng)絡應用開發(fā)的難度，提供網(wǎng)絡應用開發(fā)人員API接口，函數(shù)注冊，實現(xiàn)管理多線程資源，對報文進行管理調(diào)度等上層應用功能。
[0015](2)設備虛擬地址訪問代理模塊:虛擬地址空間映射控制端軟件，對虛擬地址空間進行申請、釋放等，防止地址重用，提高對虛擬地址空間的使用效率，與應用管理模塊協(xié)調(diào)合理操作虛擬地址空間。
[0016](3)設備控制通信代理模塊:控制端軟件直接與可編程網(wǎng)絡設備交互的接口，軟件開發(fā)者調(diào)用設備控制代理模塊，與可編程網(wǎng)絡設備進行通信，屏蔽了與底層硬件交互，降低開發(fā)難度，同時進行報文解析，區(qū)分控制報文和數(shù)報文，報文差錯和報文序號檢驗、報文緩存等邏輯功能?？墒褂肔ibpcap/Libnet庫或標準Socket通行來構架設備控制通信代理。
[0017]硬件模塊:
(I)訪問控制執(zhí)行單元模塊:硬件可編程網(wǎng)絡設備將虛擬地址空間映射實際物理空間模塊，尋址實際地址空間對硬件資源進行讀寫配置，可編程網(wǎng)絡設備硬件邏輯通過此模塊與軟件進行交互。
[0018]通過OpenVAS這種網(wǎng)絡構架，轉(zhuǎn)發(fā)設備將CR、SR、CNT、CT等映射到同一個虛擬地址空間中，對于控制端可見的是這些虛擬地址空間，控制器通過這些虛擬地址空間的Read，Write命令或函數(shù)就可以訪問到所有被管理的資源，對可編程網(wǎng)絡設備進行管理控制，硬件將控制端傳送的虛擬地址進行映射實際可編程資源的地址，提取出映射內(nèi)容，對實際硬件資源進行讀寫操作，其虛擬地址空間表達方式可參考圖1內(nèi)虛擬地址空間，其控制端的虛擬地址空間需要與可編程網(wǎng)絡設備內(nèi)的虛擬地址空間保持一致性。
[0019]為了方便軟件開發(fā)者開發(fā)網(wǎng)絡應用，控制端構架分成三層，組成如圖1控制端模塊所示。底層為設備控制通行代理，作為與可編程網(wǎng)絡設備通信的驅(qū)動；中間層為設備虛擬地址訪問代理，是整個控制端系統(tǒng)最為重要的邏輯功能模塊，起到承上啟下的作用，不僅要屏蔽硬件通信復雜流程，為上層應用開發(fā)提供各種API，還要實現(xiàn)軟件資源調(diào)度如多線程調(diào)度、虛擬地址空間控制管理等核心功能。最上層是可編程設備管理應用，軟件開發(fā)者調(diào)用設備虛擬地址訪問代理提供的API，實現(xiàn)復雜的網(wǎng)絡應用邏輯功能。
[0020]這樣的三層構架可加速網(wǎng)絡設備可提高對網(wǎng)絡應用開發(fā)的效率，降低開發(fā)難度，同時提高控制端性能穩(wěn)定性和健壯性。
[0021 ] 三、控制端應用訪問虛擬地址空間
控制端通過某種中間協(xié)議對虛擬地址空間進行讀寫操作，及對可編程轉(zhuǎn)發(fā)設備進行管理控制，以NMAC協(xié)議為例，訪問流程如圖2所示。
[0022]步驟1:上層注冊可編程網(wǎng)絡設備應用管理模塊，調(diào)用API，以目標設備ID號作為目的地址，調(diào)用虛擬地址訪問代理，對目標設備請求建立連接。
[0023]步驟2:應用調(diào)用初始化API后對設備虛擬地址訪問代理申請?zhí)摂M地址空間，虛擬地址空間得到配置寄存器CR的空間地址，和步驟I提供的目標設備ID號封裝成初始化連接報文寫入設備控制通信代理。
[0024]步驟3:設備控制通信代理發(fā)送連接報文到可編程網(wǎng)絡設備，等待連接響應報文。
[0025]步驟4:設備控制通信代理收到響應報文后表示初始化成功，通告上層應用，上層網(wǎng)絡應用即可對可編程網(wǎng)絡設備進行管理控制。
[0026]步驟5:可編程網(wǎng)絡設備向設備虛擬地址訪問代理申請CT，下發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)策略如MAC地址表和IP地址表，將轉(zhuǎn)發(fā)策略內(nèi)容發(fā)送給設備虛擬地址訪問代理。
[0027]步驟6:設備虛擬地址訪問代理，將目標設備ID作為目標地址，將步驟5下發(fā)的轉(zhuǎn)發(fā)策略和申請到的CT的虛擬地址空間封裝報文發(fā)送給設備控制通信代理，封裝同時可選擇隨即數(shù)添加到報文內(nèi)，以確定報文的唯一性。
[0028]步驟7:如果訪問控制代理收到響應報文，且收到報文內(nèi)的隨機數(shù)與步驟6發(fā)送的隨機數(shù)一樣，則一次控制端訪問某虛擬地址空間成功，且下發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)策略成功；如果在規(guī)定時間內(nèi)沒有收到，則響應超時，可重復步驟6。
[0029]四、可編程網(wǎng)絡設備端實現(xiàn)方法
可編程網(wǎng)絡設備端可通過FPGA來實現(xiàn)硬件可重構，與軟件協(xié)同開發(fā)，實現(xiàn)流程參考圖3,步驟如下:
步驟1:可編程網(wǎng)絡設備初始化，訪問控制代理模塊等待控制端下發(fā)的初始化報文。
[0030]步驟2:當控制代理模塊接收到連接請求報文，提取報文的源地址、序號等內(nèi)容，解析報文類型。