基于click自定義協(xié)議軟件路由器的設計及實現(xiàn)

1、-網絡協(xié)議設計實驗設計文檔基于click自定義協(xié)議軟件路由器的設計與實現(xiàn)二一四年十二月目 錄一、實驗概要及實驗設計1一實驗概要1二實驗目的1三實驗分析11、協(xié)議分析12、協(xié)議設計2二、實驗設計4一實驗流程4二click路由器總體設計51.路由器報文分類概要設計52.路由器報文轉發(fā)概要設計63.Label標簽信息庫構造94.優(yōu)先級調度概要設計95.基于優(yōu)先級的限速功能的概要設計10三click路由器轉發(fā)流程設計111.PSP路由轉發(fā)流程詳細設計112.Label報文轉發(fā)詳細設計12四主要組件設計141.Fastpspsource組件142.LableRouteTable153.LableLook

2、up154.RateLimit16三、實驗演示17一PSP路由轉發(fā)測試171.實驗拓撲圖172.實驗測試方法173.配置文件174.測試結果185.結果總結20二基于Label的路由轉發(fā)測試211.實驗拓撲圖212.配置文件213.測試結果214.結果總結21三優(yōu)先級隊列調度功能測試211.實驗拓撲圖212.實驗測試方法213.配置文件224.測試結果235.結果總結24四標簽流按優(yōu)先級分別進展限速功能測試241.實驗拓撲圖242.配置文件253.測試結果264.結果總結27四、實驗分工27. z-一、實驗概要及實驗設計一實驗概要本實驗目的為基于已有的click開源軟件實現(xiàn)一個自定義協(xié)議的軟件

3、路由器完整轉發(fā)流程，具體包含五個核心任務：報文分類處理；PSP報文分組轉發(fā)流程包含PSP頭檢查、TTL減一、轉發(fā)表；定長標簽交換流程包含標簽頭解封裝、標簽表、標簽頭封裝；標簽流8個優(yōu)先級隊列調度；標簽流按照優(yōu)先級分別進展限速。二實驗目的通過實驗設計，深入理解軟件路由器的根本原理、組成和實現(xiàn)，掌握計算機網絡研究所需的根本設計技能，包括系統(tǒng)設計能力、軟件編程能力、整體表述能力和新思想的實驗驗證能力，為開展計算機網絡方向的深入研究奠定實際驗證根底。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容：制定指導數(shù)據(jù)報文分組從一個網絡到另一個網絡的規(guī)定和標準；創(chuàng)立路由表，并維護網絡拓撲構造；

4、運行路由協(xié)議，執(zhí)行路由選擇和分組轉發(fā)功能。這對我們接下來的協(xié)議設計提出了根本的要求，即對于網絡中的每一層都需要定義報文的格式，然后對于報文在網絡中的發(fā)送、接收和轉發(fā)都有穩(wěn)定的拓撲構造。2、協(xié)議設計一個自定義的協(xié)議簇ABC，包括地址編址構造、網絡互連與路由轉發(fā)等多個簡單協(xié)議，對其進展詳細說明如下：（1） 地址編制構造64位，其中前16位為網絡標識，后48為接口標識。實際操作中，接口標識為該接口的MAC地址，與前16位拼接為64位地址。（2） 鏈路層協(xié)議，規(guī)定了以太網的封裝格式如下：其中，IP報文類型定義為0*6000，標簽LABEL報文類型定義為0*6001。（3） 2.5層標簽交換協(xié)議，規(guī)定了

5、標簽交換頭的封裝格式，并約定標簽交換頭后默認為PSP格式的報文。（4） 網絡層協(xié)議，定義了網絡層報文頭格式。其中TOS為0-15，表示報文的傳輸優(yōu)先級；標識符標注報文的序號；載荷長度為不包括報文頭的報文容長度；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_UDPABC不可靠傳輸協(xié)議報文頭格式。（6） 根本實驗拓撲如下圖，根據(jù)以太網報文頭中包含的以太網的目的地址、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。（

6、7） 包含轉發(fā)過程的實驗拓撲一個簡單的轉發(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、實驗設計一實驗流程1. 準備工作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) 學習Click根底知識，查看源碼，了解組件的設計方法和組件的配置文件。2. 系統(tǒng)概要設計充分了解實驗任務，進展初步的概要設計，設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件需要通過單元測試，最后集成起來進展系統(tǒng)測試。6. 編寫實驗報告文檔二click路由器總

7、體設計1. 路由器報文分類概要設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。概要圖如下列圖所示：其中，根據(jù)以太網頭部類型信息進展分類，如下所示：類型碼0*08060*60000*60010*08062. 路由器報文轉發(fā)概要設計路由器報文轉發(fā)的概要設計圖如下所示，其中包含兩條主線：一是基于PSP協(xié)議的路由轉發(fā)，二是基于Label標簽的路由轉發(fā)。兩條主線的公用組件的作用如下表所示：FromDevice從指定端口獲取數(shù)據(jù)包，轉發(fā)給下一個組件Classifier數(shù)據(jù)包類型分類器，根據(jù)以太網頭部類型

8、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 進展減一操作，當TTL為時，不再轉發(fā)報文ARP Query查詢目的IP對應的Mac地址Modify Ether Header修改以太網頭部ToDevice將數(shù)據(jù)包發(fā)送到指定端口對于PSP報文的路由轉發(fā)，其中的兩個組件功能如下：Get Dest Address獲取PSP報文的目的地址Lookup Router Table查詢路由表，得到要轉發(fā)的端口對于Label報文的路由轉發(fā)，其中的兩個組件的功能如下：Lookup LIB根據(jù)標簽號，查詢標簽信息庫，得到新的標簽號和轉

9、發(fā)端口。Modify Label for ne*t jump修改標簽頭部信息中的標簽號為查表得到新標簽號（1） 對于PSP報文路由轉發(fā)，首先根據(jù)PSP頭部中的目的地址查詢路由表，得到轉發(fā)端口；然后進展TTL-1、修改Ether頭部中的目的Mac，然后從查詢到的轉發(fā)端口進展發(fā)送。（2） 對于急于標簽的路由轉發(fā)，首先根據(jù)Label頭部的標簽號查詢標簽信息庫，得到新的標簽號和轉發(fā)端口，并修改Label頭部的標簽號為新的標簽號。然后進展TTL-1，修改Ether頭部中的目的Mac，然后從查詢到的轉發(fā)端口進展發(fā)送。3. Label標簽信息庫構造標簽信息庫維護基于標簽交換的路由轉發(fā)信息。當一個帶有標簽的報

10、文進入路由器的時候，首先根據(jù)標簽頭部的Label ID查找標簽信息庫，得到下一跳的Label ID和轉發(fā)端口。其構造信息如下：4. 優(yōu)先級調度概要設計對于標簽交換，當輸入組件獲取數(shù)據(jù)包，經數(shù)據(jù)分類器分類后，確定為Label報文，轉發(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字段進展優(yōu)先級判定，分別參加不同優(yōu)先級的隊列中。優(yōu)先級調度組件根據(jù)優(yōu)先級調度算法進展調度，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計三click路由器轉發(fā)流程設

11、計1. PSP路由轉發(fā)流程詳細設計組件/流程功能描述FastPSPSource組件按照一定的速度產生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)以太網頭部的類型信息進展分類，PSP報文的類型信息為0*6000Get Dest Address該步驟從PSP報文頭部獲取目的地址，用來查詢路由表，獲取轉發(fā)端口Lookup Router table根據(jù)目的地址，查找路由表，獲取轉發(fā)端口TTL-1將報文TTL進展減一操作ARP QueryARP查詢，獲取下一跳的目的Mac地址Modify Ethernet Header根

12、據(jù)查詢到的下一跳目的Mac地址，修改報文以太網頭部目的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，從指定網口發(fā)送出去2. Label報文轉發(fā)詳細設計發(fā)送者生成PSP報文，經過AddLabelHeader組件添加標簽頭，發(fā)送到路由器；Click 路由器從網口承受數(shù)據(jù)，進過分類器后，確定為基于標簽交換的報文。然后查詢標簽信息庫，并修改下一條標簽號，經過TTL-1，目的MAC地址修改，轉發(fā)到相應端口。承受者從網口獲取數(shù)據(jù)包，丟掉LabelHeader。組件/流程功能介紹AddLabelHeader在普通PSP數(shù)據(jù)包上添加標簽頭信息，讓路由

13、器可以基于標簽進展交換Lookup LIB查詢標簽信息庫，獲取下一跳Label ID和輸出端口Modify Label for ne*t jump修改標簽頭 Label ID字段，讓下一跳路由可以轉發(fā)Remove Label Header移除Label Header，得到PSP報文四主要組件設計1. Fastpspsource組件組件名字Fastpspsource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, D

14、STETH, 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：定義標簽信息構造，維護標簽信息庫，可以向里面添加、查詢、刪除標簽信息。3. LableLookup組件名字LableLookup功能描述（1） 靜態(tài)配置標簽信息庫（2） 實現(xiàn)基于標簽的查找轉發(fā)端口類型一個輸入端口，多個輸出端口處理方式PUSH方式當一個帶有標簽的報文發(fā)送到LabelLookup組件

15、，首先獲取Label標簽頭部的標簽號，查找標簽信息庫，以獲取“Out Label和“Out Port，然后修改標簽頭部的標簽號為“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網口發(fā)送數(shù)據(jù)到Router1 E

16、th1，Router1轉發(fā)到Router2，Router2收到數(shù)據(jù)后再次轉發(fā)給Client 的Eth2，Client收到數(shù)據(jù)后打印消息容。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,0*0100000A,2345,00:0C:29:61:C0:3E ,0*0200000A,2346) -> PSPPrint() -> ToDevice(eth1);ii. Client 承受報文配置文件FromDevice(eth2) -> PSPPrint() -> Discard;iii. R

17、outer1 轉發(fā)報文配置文件psp : Print("Forward PSP Pkt") -> rt : PSPLookup(.1.0.0.0.0 0,.2.0.0.0.0 0) ;c0 : Classifier(12/0600, -);out0 : Queue(200) -> todevice0 : ToDevice(eth1);FromDevice(eth1) -> c0;c00->psp;c01->Discard;rt0-> PSPMacap(00:0C:29:F4:DD:E6) -> Print(rt2) -> ou

18、t0;iv. Router2 轉發(fā)報文配置文件psp : Print("Forward PSP Pkt") -> rt : PSPLookup(.1.0.0.0.0 1,.2.0.0.0.0 1) ;c0 : Classifier(12/0600, -);out0 : Queue(200) -> todevice0 : ToDevice(eth2);FromDevice(eth1) -> c0;c00->psp;c01->Discard;rt0->Discard;rt1-> PSPMacap(00:0C:29:0E:9F:17) -

19、> Print(rt2) -> out0;4. 測試結果v. 客戶端發(fā)送報文vi. Router1 建立路由表以及轉發(fā)vii. Router2 建立路由表以及轉發(fā)viii. Client 承受到數(shù)據(jù)包并打印5. 結果總結實驗采用通過模擬兩臺路由器之間的路由轉發(fā)來測試，從實驗結果來看，Client 從Eth1網口發(fā)送出去的數(shù)據(jù)包，進過Router1和Router2的路由轉發(fā)后，能成功到達目的端。該實驗結果說明，基于PSP報文的路由轉發(fā)功能完整實現(xiàn)。二基于Label的路由轉發(fā)測試1. 實驗拓撲圖2. 配置文件3. 測試結果4. 結果總結三優(yōu)先級隊列調度功能測試1. 實驗拓撲圖2. 實驗

20、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，放置到相應的優(yōu)先級隊列中。由于采用包限流調度算法，越高的優(yōu)先級隊列能在一秒通過更多的數(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。通過比照讀出數(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。即發(fā)送5個優(yōu)先

21、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。其中我們設定數(shù)據(jù)包QoS位的圍為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接收端局部配置文件如下所示：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(

22、100);queue5 : Queue(100);queue6 : Queue(100);queue7 : Queue(100);queue8 : Queue(100);queue9 : Queue(100);FromDevice(eth1) -> c;c0-> queue1 -> Shaper(6) -> ps;c1-> queue2 -> Shaper(6) -> 1ps;c2-> queue3 -> Shaper(3) -> 2ps;c3-> queue4 -> Shaper(3) -> 3ps;c4->

23、 queue5 -> Shaper(2) -> 4ps;c5-> queue6 -> Shaper(2) -> 5ps;c6-> queue7 -> Shaper(1) -> 6ps;c7-> queue8 -> 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)先級調度組件PrioSched采用時間片調度方式。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)

24、據(jù)包。4. 測試結果1) Client數(shù)據(jù)包發(fā)送順序如下列圖所示：2) Router1從優(yōu)先級隊列中讀出數(shù)據(jù)包的順序如下列圖所示：比照以上數(shù)據(jù)包順序，可以發(fā)現(xiàn)，產生數(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。由于對每秒讀出各隊列的數(shù)據(jù)包數(shù)量進展了限制，因此不會有產生低優(yōu)先級被餓死的現(xiàn)象。5. 結果總結四標簽流按優(yōu)先級分別進展限速功能測試1. 實驗拓撲圖1) 實驗測試方法針對不同的優(yōu)先級，設置RateLimit組件不同的參數(shù)以到達限速的目的，報文由發(fā)送方產生并在一秒鐘之發(fā)送200個報文給接收方，接收方接收時進展基于優(yōu)先級的限速，并將結果進展打印

25、。2. 配置文件a) 報文發(fā)送端FastPSPSource(200,200, 128, 00:0c:29:34:3e:ad, 0*800a000a, 2345,00:0C:29:eb:05:0f,0*810a000a,2346) -> ToDevice(eth1);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 ->Print