OpenFlow交换机模型及关键技术研究与实现

论文摘要

随着网络技术的不断成熟和发展,在现有的网络设备及协议基础之上,想要对已有网络进行创新性试验变得越来越困难。OpenFlow是近年来为支持网络创新研究而提出的基于流分类的新型网络试验技术。论文提出了一种新型的基于开放流表的交换机模型,深入研究了OpenFlow技术的核心部分即数据流分类算法,并对深度报文分类应用中TCAM分类引擎的多维流表管理与更新技术进行了分析。此外,限于访存速度提高较慢,传统的单引擎分类方法常常会导致过多的延时和高功耗。论文对开发多个TCAM器件的并行应用进行了研究,在此基础上,提出了芯片级的报文并行分类引擎方案。本文的主要工作和创新点包括:1.深入研究了OpenFlow技术,针对OpenFlow技术的组成结构特点和功能特性,提出了一种OpenFlow的交换机模型——CMS。2.针对基于TCAM的流分类算法以及深度报文分类的应用需求,提出了多维流表查找性能评价模型,以及对TCAM内多维流表的管理和更新4项关键技术。针对基于TCAM报文分类引擎查找速率和吞吐量的不足,提出了一种基于流水与并行查找的TCAM分类引擎设计方案,使用该方案可以有效提高查找速率,节省存储空间以及功耗需求。3.利用FPGA技术实现了Centralization Managment原型交换机CMS,应用于IPSec协议加速方案中。理论分析和仿真结果表明:应用该方案可以实现快速、高效的IPSec协议处理速度。综上所述,本文对TCAM报文分类引擎设计进行了一系列的研究,研究成果对于开发基于OpenFlow的新型网络协议试验技术具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 课题研究的内容
• 1.3 论文组织结构
• 1.4 课题研究的成果
• 第二章 相关研究
• 2.1 OPENFLOW 技术综述
• 2.1.1 可编程网络的需求和发展
• 2.1.2 OpenFlow 技术的实现
• 2.2 数据流分类算法
• 2.2.1 基于Trie 树的流分类算法
• 2.2.2 基于空间分割的算法
• 2.2.3 启发式算法
• 2.2.4 基于TCAM 实现的方法
• 2.2.5 数据流分类算法性能比较
• 2.3 流表管理实现方法
• 2.3.1 线性搜索算法
• 2.3.2 基于Trie 的搜索算法
• 2.3.3 基于HASH 的搜索算法
• 2.3.4 三种实现方法的比较
• 2.4 本章小结
• 第三章 一种OPENFLOW 交换机模型——CMS
• 3.1 CMS 交换机的组成
• 3.1.1 控制器
• 3.1.2 开放流表
• 3.1.3 安全通道
• 3.2 CMS 交换机数据流表
• 3.2.1 数据流表项
• 3.2.2 数据流处理流程
• 3.3 CENTRALIZATION MANAGMENT 协议
• 3.3.1 Centralization Managment 协议接口
• 3.3.2 Centralization Managment 协议状态交互
• 3.4 本章小结
• 第四章 CMS 交换机关键技术研究
• 4.1 基于TCAM 的多维流表组织技术
• 4.1.1 宽度可配置管理方案
• 4.1.2 TCAM 查找表分割技术
• 4.1.3 基于标记位的多维流表管理
• 4.2 TCAM 多维流表更新算法
• 4.3 基于TCAM 的流水与并行查找技术
• 4.4 多维流表查找性能分析
• 4.4.1 性能评价模型
• 4.4.2 性能分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 CMS 交换机实现及应用
• 5.1 CMS 交换机硬件系统的设计与实现
• 5.1.1 交换板结构
• 5.1.2 数据包硬件转发流程
• 5.2 CMS 交换机软件系统的设计与实现
• 5.2.1 系统支撑软件
• 5.2.2 网络控制软件
• 5.2.3 配置管理软件
• 5.3 IPSEC 技术在CMS 交换机上的应用
• 5.3.1 IPSec 协议简介
• 5.3.2 实现与分析
• 5.4 性能测试与分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果