基于click自定義協(xié)議軟件路由器的 設(shè)計與實現(xiàn)

1、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計實驗設(shè)計文檔基于click自定義協(xié)議軟件路由器的設(shè)計與實現(xiàn)二一四年十二月目 錄一、實驗概要及實驗設(shè)計1（一）實驗概要1（二）實驗?zāi)康?（三）實驗分析11、協(xié)議分析12、協(xié)議設(shè)計2二、實驗設(shè)計4（一）實驗流程4（二）click路由器總體設(shè)計51.路由器報文分類概要設(shè)計52.路由器報文轉(zhuǎn)發(fā)概要設(shè)計63.Label標(biāo)簽信息庫結(jié)構(gòu)94.優(yōu)先級調(diào)度概要設(shè)計95.基于優(yōu)先級的限速功能的概要設(shè)計10（三）click路由器轉(zhuǎn)發(fā)流程設(shè)計111.PSP路由轉(zhuǎn)發(fā)流程詳細設(shè)計112.Label報文轉(zhuǎn)發(fā)詳細設(shè)計12（四）主要組件設(shè)計141.Fastpspsource組件142.LableRouteTable

2、153.LableLookup154.RateLimit16三、實驗演示17（一）PSP路由轉(zhuǎn)發(fā)測試171.實驗拓撲圖172.實驗測試方法173.配置文件174.測試結(jié)果185.結(jié)果總結(jié)20（二）基于Label的路由轉(zhuǎn)發(fā)測試211.實驗拓撲圖212.配置文件213.測試結(jié)果214.結(jié)果總結(jié)21（三）優(yōu)先級隊列調(diào)度功能測試211.實驗拓撲圖212.實驗測試方法213.配置文件224.測試結(jié)果235.結(jié)果總結(jié)24（四）標(biāo)簽流按優(yōu)先級分別進行限速功能測試241.實驗拓撲圖242.配置文件253.測試結(jié)果264.結(jié)果總結(jié)27四、實驗分工2727一、實驗概要及實驗設(shè)計（一）實驗概要 本實驗?zāi)康臑榛谝延?/p>

3、的click開源軟件實現(xiàn)一個自定義協(xié)議的軟件路由器完整轉(zhuǎn)發(fā)流程，具體包含五個核心任務(wù)：報文分類處理；PSP報文分組轉(zhuǎn)發(fā)流程（包含PSP頭檢查、TTL減一、轉(zhuǎn)發(fā)表）；定長標(biāo)簽交換流程（包含標(biāo)簽頭解封裝、標(biāo)簽表、標(biāo)簽頭封裝）；標(biāo)簽流8個優(yōu)先級隊列調(diào)度；標(biāo)簽流按照優(yōu)先級分別進行限速。（二）實驗?zāi)康耐ㄟ^實驗設(shè)計，深入理解軟件路由器的基本原理、組成和實現(xiàn)，掌握計算機網(wǎng)絡(luò)研究所需的基本設(shè)計技能，包括系統(tǒng)設(shè)計能力、軟件編程能力、整體表述能力和新思想的實驗驗證能力，為開展計算機網(wǎng)絡(luò)方向的深入研究奠定實際驗證基礎(chǔ)。（三）實驗分析1、協(xié)議分析一個完整的路由協(xié)議需要完成的功能包含以下內(nèi)容：制定指導(dǎo)數(shù)據(jù)報文分組從一個

4、網(wǎng)絡(luò)到另一個網(wǎng)絡(luò)的規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)；創(chuàng)建路由表，并維護網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)；運行路由協(xié)議，執(zhí)行路由選擇和分組轉(zhuǎn)發(fā)功能。這對我們接下來的協(xié)議設(shè)計提出了基本的要求，即對于網(wǎng)絡(luò)中的每一層都需要定義報文的格式，然后對于報文在網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)送、接收和轉(zhuǎn)發(fā)都有穩(wěn)定的拓撲結(jié)構(gòu)。2、協(xié)議設(shè)計一個自定義的協(xié)議簇（ABC），包括地址編址結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)互連與路由轉(zhuǎn)發(fā)等多個簡單協(xié)議，對其進行詳細說明如下：（1） 地址編制結(jié)構(gòu)（64位），其中前16位為網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識，后48為接口標(biāo)識。實際操作中，接口標(biāo)識為該接口的MAC地址，與前16位拼接為64位地址。（2） 鏈路層協(xié)議，規(guī)定了以太網(wǎng)的封裝格式如下：其中，IP報文類型定義為0x6000，標(biāo)簽（L

5、ABEL）報文類型定義為0x6001。（3） 2.5層標(biāo)簽交換協(xié)議，規(guī)定了標(biāo)簽交換頭的封裝格式，并約定標(biāo)簽交換頭后默認為PSP格式的報文。（4） 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，定義了網(wǎng)絡(luò)層報文頭格式。其中TOS為0-15，表示報文的傳輸優(yōu)先級；標(biāo)識符標(biāo)注報文的序號；載荷長度為不包括報文頭的報文內(nèi)容長度；下一報頭類型為1時表示為ABC_ICMP協(xié)議，為2時表示為ABC_UDP協(xié)議；跳數(shù)限制最大為64，并且每經(jīng)過一個路由器，其值減1，其值為0時報文被丟棄；源地址和目的地址分別記錄發(fā)送方和目的方地址。（5） 定義了ABC_UDP（ABC不可靠傳輸協(xié)議）報文頭格式。（6） 基本實驗拓撲如圖所示，根據(jù)以太網(wǎng)報文頭中包含的

6、以太網(wǎng)的目的地址、源地址和報文類型， ABC協(xié)議就能實現(xiàn)一個簡單的報文收發(fā)過程。（7） 包含轉(zhuǎn)發(fā)過程的實驗拓撲一個簡單的轉(zhuǎn)發(fā)過程包含以下的步驟：從發(fā)送方接收報文；更改報文的源地址以及目的地址；通過端口發(fā)出報文。示意圖如下：二、實驗設(shè)計（一）實驗流程 1. 準(zhǔn)備工作a) 下載修改后的Click源代碼；b) 安裝Fedora虛擬機，配置開發(fā)、測試環(huán)境；c) 編譯源碼，運行Demo實驗；d) 學(xué)習(xí)Click基礎(chǔ)知識，查看源碼，了解組件的設(shè)計方法和組件的配置文件。2. 系統(tǒng)概要設(shè)計充分了解實驗任務(wù)，進行初步的概要設(shè)計，設(shè)計包括組件的功能和組織。3. 編碼4. 實驗環(huán)境搭建5. 代碼集成和測試首先各個組

7、件需要通過單元測試，最后集成起來進行系統(tǒng)測試。6. 編寫實驗報告文檔（二）click路由器總體設(shè)計1. 路由器報文分類概要設(shè)計報文主要分為四種類型：ARP Query報文、ARP Response報文、PSP報文、Label報文。從輸入組件中獲取數(shù)據(jù)包，發(fā)送到數(shù)據(jù)包分類器。概要圖如下圖所示：其中，根據(jù)以太網(wǎng)頭部類型信息進行分類，如下所示：ARP QueryPSPLabelARP Response類型碼0x08060x60000x60010x08062. 路由器報文轉(zhuǎn)發(fā)概要設(shè)計路由器報文轉(zhuǎn)發(fā)的概要設(shè)計圖如下所示，其中包含兩條主線：一是基于PSP協(xié)議的路由轉(zhuǎn)發(fā)，二是基于Label標(biāo)簽的路由轉(zhuǎn)發(fā)。兩

8、條主線的公用組件的作用如下表所示：組件/流程名稱組件/流程作用FromDevice從指定端口獲取數(shù)據(jù)包，轉(zhuǎn)發(fā)給下一個組件Classifier數(shù)據(jù)包類型分類器，根據(jù)以太網(wǎng)頭部類型信息把數(shù)據(jù)分為四類：ARP Query 、ARP Response 、PSP 報文、Label 報文TTL - 1將報文的TTL 進行減一操作，當(dāng)TTL為時，不再轉(zhuǎn)發(fā)報文ARP Query查詢目的IP對應(yīng)的Mac地址Modify Ether Header修改以太網(wǎng)頭部ToDevice將數(shù)據(jù)包發(fā)送到指定端口對于PSP報文的路由轉(zhuǎn)發(fā)，其中的兩個組件功能如下：組件/流程名稱組件/流程作用Get Dest Address獲取PS

9、P報文的目的地址Lookup Router Table查詢路由表，得到要轉(zhuǎn)發(fā)的端口對于Label報文的路由轉(zhuǎn)發(fā)，其中的兩個組件的功能如下：組件/流程名稱組件/流程作用Lookup LIB根據(jù)標(biāo)簽號，查詢標(biāo)簽信息庫，得到新的標(biāo)簽號和轉(zhuǎn)發(fā)端口。Modify Label for next jump修改標(biāo)簽頭部信息中的標(biāo)簽號為查表得到新標(biāo)簽號（1） 對于PSP報文路由轉(zhuǎn)發(fā)，首先根據(jù)PSP頭部中的目的地址查詢路由表，得到轉(zhuǎn)發(fā)端口；然后進行TTL-1、修改Ether頭部中的目的Mac，然后從查詢到的轉(zhuǎn)發(fā)端口進行發(fā)送。（2） 對于急于標(biāo)簽的路由轉(zhuǎn)發(fā)，首先根據(jù)Label頭部的標(biāo)簽號查詢標(biāo)簽信息庫，得到新的標(biāo)簽

10、號和轉(zhuǎn)發(fā)端口，并修改Label頭部的標(biāo)簽號為新的標(biāo)簽號。然后進行TTL-1，修改Ether頭部中的目的Mac，然后從查詢到的轉(zhuǎn)發(fā)端口進行發(fā)送。3. Label標(biāo)簽信息庫結(jié)構(gòu)標(biāo)簽信息庫維護基于標(biāo)簽交換的路由轉(zhuǎn)發(fā)信息。當(dāng)一個帶有標(biāo)簽的報文進入路由器的時候，首先根據(jù)標(biāo)簽頭部的Label ID查找標(biāo)簽信息庫，得到下一跳的Label ID和轉(zhuǎn)發(fā)端口。其結(jié)構(gòu)信息如下： 4. 優(yōu)先級調(diào)度概要設(shè)計對于標(biāo)簽交換，當(dāng)輸入組件獲取數(shù)據(jù)包，經(jīng)數(shù)據(jù)分類器分類后，確定為Label報文，轉(zhuǎn)發(fā)給優(yōu)先級分類器。優(yōu)先級分類器根據(jù)Label頭部中的QOS字段進行優(yōu)先級判定，分別加入不同優(yōu)先級的隊列中。優(yōu)先級調(diào)度組件根據(jù)優(yōu)先級調(diào)度算

11、法進行調(diào)度，從不同優(yōu)先級的隊列中獲取數(shù)據(jù)包，發(fā)送到待發(fā)送數(shù)據(jù)隊列。其中，調(diào)度算法是為了保證低優(yōu)先級的報文不至于餓死，采用時間片輪轉(zhuǎn)的方式，即給高優(yōu)先的隊列分配更多的時間。5. 基于優(yōu)先級的限速功能的概要設(shè)計（三）click路由器轉(zhuǎn)發(fā)流程設(shè)計1. PSP路由轉(zhuǎn)發(fā)流程詳細設(shè)計組件/流程功能描述FastPSPSource組件按照一定的速度產(chǎn)生PSP報文，模擬發(fā)送端FromDevice組件從指定的端口獲取數(shù)據(jù)包，轉(zhuǎn)發(fā)到下一個組件Classifier組件數(shù)據(jù)包分類器，根據(jù)以太網(wǎng)頭部的類型信息進行分類，PSP報文的類型信息為0x6000Get Dest Address該步驟從PSP報文頭部獲取目的地址，用

12、來查詢路由表，獲取轉(zhuǎn)發(fā)端口Lookup Router table根據(jù)目的地址，查找路由表，獲取轉(zhuǎn)發(fā)端口TTL-1將報文TTL進行減一操作ARP QueryARP查詢，獲取下一跳的目的Mac地址Modify Ethernet Header根據(jù)查詢到的下一跳目的Mac地址，修改報文以太網(wǎng)頭部目的Mac字段Add to Queue添加到待發(fā)送數(shù)據(jù)包的隊列中ToDevice組件從Queue中獲取數(shù)據(jù)包，從指定網(wǎng)口發(fā)送出去2. Label報文轉(zhuǎn)發(fā)詳細設(shè)計發(fā)送者生成PSP報文，經(jīng)過AddLabelHeader組件添加標(biāo)簽頭，發(fā)送到路由器；Click 路由器從網(wǎng)口接受數(shù)據(jù)，進過分類器后，確定為基于標(biāo)簽交換的

13、報文。然后查詢標(biāo)簽信息庫，并修改下一條標(biāo)簽號，經(jīng)過TTL-1，目的MAC地址修改，轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)端口。接受者從網(wǎng)口獲取數(shù)據(jù)包，丟掉LabelHeader。組件/流程功能介紹AddLabelHeader在普通PSP數(shù)據(jù)包上添加標(biāo)簽頭信息，讓路由器可以基于標(biāo)簽進行交換Lookup LIB查詢標(biāo)簽信息庫，獲取下一跳Label ID和輸出端口Modify Label for next jump修改標(biāo)簽頭 Label ID字段，讓下一跳路由可以轉(zhuǎn)發(fā)Remove Label Header移除Label Header，得到PSP報文（四）主要組件設(shè)計 1. Fastpspsource組件組件名字Fastpsps

14、ource功能描述按照一定的速度生成PSP報文端口類型PORTS_0_1 0個輸入端口，一個輸出端口處理方式PULL方式參數(shù)描述FASTPSPSOURCE(RATE, LIMIT, LENGTH, SRCETH, SRCIP, SPORT, DSTETH, DSTIP, DPORT)RATE：發(fā)送速度；LIMIT：生成最大報文數(shù)量；LENGTH：報文的長度SRCETH：源Mac地址SRCIP：源IP地址SPORT：源端口號DSTETH：目的Mac地址DSTIP：目的IP地址DPORT：目的端口號2. LableRouteTable主要功能：定義標(biāo)簽信息結(jié)構(gòu)，維護標(biāo)簽信息庫，可以向里面添加、查詢

15、、刪除標(biāo)簽信息。3. LableLookup組件名字LableLookup功能描述（1） 靜態(tài)配置標(biāo)簽信息庫（2） 實現(xiàn)基于標(biāo)簽的查找轉(zhuǎn)發(fā)端口類型一個輸入端口，多個輸出端口處理方式PUSH方式當(dāng)一個帶有標(biāo)簽的報文發(fā)送到LabelLookup組件，首先獲取Label標(biāo)簽頭部的標(biāo)簽號，查找標(biāo)簽信息庫，以獲取“Out Label”和“Out Port”，然后修改標(biāo)簽頭部的標(biāo)簽號為“Out Label”，并從“Out Port”端口發(fā)送出去。流程圖如下：4. RateLimit組件名字RateLimit功能描述限制一個報文流的速度，即每秒發(fā)送多少報文端口類型PORTS_1_1 1個輸入端口，1個輸出端

16、口處理方式PULL參數(shù)描述RateLimit (RATE)RATE：報文流的最大速率，即最多每秒發(fā)送多少個報文三、實驗演示（一）PSP路由轉(zhuǎn)發(fā)測試1. 實驗拓撲圖2. 實驗測試方法實驗拓撲圖如下所示：Client 從Eth1網(wǎng)口發(fā)送數(shù)據(jù)到Router1 Eth1，Router1轉(zhuǎn)發(fā)到Router2，Router2收到數(shù)據(jù)后再次轉(zhuǎn)發(fā)給Client 的Eth2，Client收到數(shù)據(jù)后打印消息內(nèi)容。3. 配置文件i. Client 發(fā)送報文配置文件FastPSPSource(2,2000,128,00:0C:29:0E:9F:0D,0x0100000A,2345, 00:0C:29:61:C0:3E

17、 , 0x0200000A,2346) -> PSPPrint() -> ToDevice(eth1);ii. Client 接受報文配置文件FromDevice(eth2) -> PSPPrint() -> Discard;iii. Router1 轉(zhuǎn)發(fā)報文配置文件psp : Print("Forward PSP Pkt") -> rt : PSPLookup( 10.0.0.1.0.0.0.0 0, 10.0.0.2.0.0.0.0 0) ;c0 : Classifier(12/0600, -);out0 : Queue(200) ->

18、; todevice0 : ToDevice(eth1);FromDevice(eth1) -> c0;c00->psp;c01->Discard;rt0-> PSPMacap(00:0C:29:F4:DD:E6) -> Print(rt2) -> out0;iv. Router2 轉(zhuǎn)發(fā)報文配置文件psp : Print("Forward PSP Pkt") -> rt : PSPLookup( 10.0.0.1.0.0.0.0 1, 10.0.0.2.0.0.0.0 1) ;c0 : Classifier(12/0600, -);

19、out0 : Queue(200) -> todevice0 : ToDevice(eth2);FromDevice(eth1) -> c0;c00->psp;c01->Discard;rt0->Discard;rt1-> PSPMacap(00:0C:29:0E:9F:17) -> Print(rt2) -> out0;4. 測試結(jié)果v. 客戶端發(fā)送報文vi. Router1 建立路由表以及轉(zhuǎn)發(fā)vii. Router2 建立路由表以及轉(zhuǎn)發(fā)viii. Client 接受到數(shù)據(jù)包并打印5. 結(jié)果總結(jié)實驗采用通過模擬兩臺路由器之間的路由轉(zhuǎn)發(fā)來測試，從

20、實驗結(jié)果來看，Client 從Eth1網(wǎng)口發(fā)送出去的數(shù)據(jù)包，進過Router1和Router2的路由轉(zhuǎn)發(fā)后，能成功到達目的端。該實驗結(jié)果說明，基于PSP報文的路由轉(zhuǎn)發(fā)功能完整實現(xiàn)。（二）基于Label的路由轉(zhuǎn)發(fā)測試1. 實驗拓撲圖2. 配置文件3. 測試結(jié)果4. 結(jié)果總結(jié)（三）優(yōu)先級隊列調(diào)度功能測試1. 實驗拓撲圖2. 實驗測試方法Client發(fā)送優(yōu)先級不同的數(shù)據(jù)包到Router1。Router1在接收到數(shù)據(jù)包后，根據(jù)數(shù)據(jù)包優(yōu)先級不同，放置到相應(yīng)的優(yōu)先級隊列中。由于采用包限流調(diào)度算法，越高的優(yōu)先級隊列能在一秒內(nèi)通過更多的數(shù)據(jù)包，越低的優(yōu)先級隊列通過的數(shù)據(jù)包個數(shù)越少。因此，低優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包會被緩

21、存在隊列中，高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包能盡快地從隊列中被讀出，使得從優(yōu)先級隊列中讀出數(shù)據(jù)包的順序和Client發(fā)送數(shù)據(jù)包的順序會有差異。通過對比讀出數(shù)據(jù)包和發(fā)送數(shù)據(jù)包的順序，我們就可以驗證優(yōu)先級隊列調(diào)度的功能是否正常、合理。Client發(fā)送數(shù)據(jù)包順序如下：依次分別發(fā)送5個優(yōu)先級為n的數(shù)據(jù)包，其中n從8變化到1，并循環(huán)往復(fù)。即發(fā)送5個優(yōu)先級為8的數(shù)據(jù)包，再發(fā)送5個優(yōu)先級為7的數(shù)據(jù)包······，并循環(huán)往復(fù)。其中我們設(shè)定數(shù)據(jù)包QoS位的范圍為1-8。其中1代表最高優(yōu)先級，8代表最低優(yōu)先級。3. 配置文件1) Router1接收端部分配置文件如下所示

22、：c : Classifier(14/41, 14/42, 14/43, 14/44, 14/45, 14/46, 14/47, 14/48, -);ps : PrioSched;queue1 : Queue(100);queue2 : Queue(100);queue3 : Queue(100);queue4 : Queue(100);queue5 : Queue(100);queue6 : Queue(100);queue7 : Queue(100);queue8 : Queue(100);queue9 : Queue(100);FromDevice(eth1) -> c;c0-&g

23、t; queue1 -> Shaper(6) -> ps;c1-> queue2 -> Shaper(6) -> 1ps;c2-> queue3 -> Shaper(3) -> 2ps;c3-> queue4 -> Shaper(3) -> 3ps;c4-> queue5 -> Shaper(2) -> 4ps;c5-> queue6 -> Shaper(2) -> 5ps;c6-> queue7 -> Shaper(1) -> 6ps;c7-> queue8 ->

24、; Shaper(1) -> 7ps;c8-> queue9 -> Shaper(10) -> 8ps;ps -> Discard;根據(jù)數(shù)據(jù)包QoS的不同，定義一個輸出端口數(shù)為9的分類器。優(yōu)先級調(diào)度組件PrioSched采用時間片調(diào)度方式。同時，定義了9個大小為100的隊列，最后一個隊列處理其他的數(shù)據(jù)包。4. 測試結(jié)果1) Client數(shù)據(jù)包發(fā)送順序如下圖所示：2) Router1從優(yōu)先級隊列中讀出數(shù)據(jù)包的順序如下圖所示：對比以上數(shù)據(jù)包順序，可以發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級是從大變化到小，而通過優(yōu)先級隊列的調(diào)度，從隊列中讀出的數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級從小變化到大。由于對每秒讀出

25、各隊列的數(shù)據(jù)包數(shù)量進行了限制，因此不會有產(chǎn)生低優(yōu)先級被餓死的現(xiàn)象。5. 結(jié)果總結(jié)（四）標(biāo)簽流按優(yōu)先級分別進行限速功能測試1. 實驗拓撲圖1) 實驗測試方法針對不同的優(yōu)先級，設(shè)置RateLimit組件不同的參數(shù)以達到限速的目的，報文由發(fā)送方產(chǎn)生并在一秒鐘之內(nèi)發(fā)送200個報文給接收方，接收方接收時進行基于優(yōu)先級的限速，并將結(jié)果進行打印。2. 配置文件a) 報文發(fā)送端FastPSPSource(200,200, 128, 00:0c:29:34:3e:ad, 0x800a000a, 2345,00:0C:29:eb:05:0f,0x810a000a,2346) -> ToDevice(eth1

26、);b) 報文接收端: Classifier(13/0041, 13/0042, 13/0043, 13/0044, 13/0045, 13/0046, 13/0047, 13/0048, -);queue1 : Queue(100);queue2 : Queue(100);queue3 : Queue(100);queue4 : Queue(100);queue5 : Queue(100);queue6 : Queue(100);queue7 : Queue(100);queue8 : Queue(100);queue9 : Queue(100);ps : PrioSched;FromDevice(eth1) -> c;c0-> queue1 ->P