课程学期论文之一种新型IPv6路由器33276.docx

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1、淮阴工学院课程学期论文课程名称：通信设备（自学）选题名称： 一种种新型IPvv6路由器 系系（院）： 计算机工程系 专 业： 通信工程 班 级： 通 信10051 姓 名： 张 姆姆 敏 学 号: 105513021133 指导教师： 于 永 彦 学年学期： 2008 20099 学年 第 1 学期期2008年 122月 19 日摘要：传统路由器通常常基于单个通通用CPU，采用实时操操作系统，CCPU既要完完成报文的转转发还要运行行路由协议和和其他控制和和管理协议。这这种将控制和和转发集成在在一起的紧耦耦合结构导致致对控制层面面和转发层面面的任何改动动都会牵一发发而动全身，致致使路由器的的扩展

2、性和软软件的移植性性较差。转发与控制分离离体系结构将将路由器严格格划分为控制制和转发两个个层面，具有有开发成本低低、系统可扩扩展性强、可可靠性高等优优点。文章介介绍了一种基基于转发与控控制分离设计计思想的互联联网协议第六六版（Intternett Prottocal Versiion 6 ,IPv66）路由器，给给出了控制平平面软件模块块设计，包括括路由子系统统、内核协议议栈、用户空空间的应用级级进程(OpenRRouterr Mastter)、用户空间间的代理级进程（OpenRRouterr Agennt）等模块。关键词：IPvv6 路由器器；控制与转转发分离；体体系结构目 录1 论文综述1

3、2 OPENRROUTERR 总体框架架12.1 系统体体系结构12.2 软件总总体视图13 路由子系统统设计与实现现24 基于虚拟路路由器模型的的协议栈34.1 虚拟驱驱动程序34.2 内核协协议栈与用户户进程的通信信35 OPENRROUTERR MASTTER46 OPENRROUTERR AGENNT4总 结5参 考 文 献献6通信设备(自学)课程学期论文1 论文综述转发与控制分离离体系结构(forwaardingg and contrrol ellementt separratingg， ForCCES)的关键思想想是打破控制制和转发紧耦耦合的集成方方式，将路由由器严格地划划分为控制

4、和和转发两个层层面。控制层层面使用通用用CPU负责路路由的控制和和计算，转发发层面的每块块转发板使用用专用CPUU(例如网络络处理器)负责报文的的转发，转发发与控制各司司其职，在提提供高性能报报文转发的同同时保证了路路由控制和计计算的高可靠靠性。本文介绍一种基基于ForCCES思想的的IPv6路由由器通用路由由体系结构OOpenRoouter模模型的设计与与实现，着重重介绍ForrCES体系系结构下OppenRouuter IIPv6路由器控制制平面的设计计与实现。2 OpenRRouterr 总体框架架2.1 系统体体系结构OpenRouuter IIPv6路由由器是国防科科大计算机学学院在

5、自行研研制的传统IIPv4路由由器结构基础础上，开发研研制的一款支支持IPv66、采用转发发与控制分离离设计理念的的新型路由器器原型系统。系系统继承了传传统IPv44路由器的硬硬件与微码系系统，修改微微码，使其能能够支持IPPv6报文转转发。所有有有关IPv66的路由协议议和控制报文文的计算与处处理不再由路路由器内部的的CPU完成，而而是使用外接接通用计算机机处理，称之之为路由服务务器。整个OOpenRoouter IPv6路路由器由路由由服务器和传传统路由器设设备组成。作为转发平面的的传统路由器器设备功能包包括：IPvv6报文硬件件转发；重定定向目的报文文到路由服务务器；接收和和响应来自路路

6、由服务器的的控制报文，并并转化为对被被控路由器的的操作执行；路由分离控控制协议；主主动向路由服服务器报告异异步事件。作为控制平面的的路由服务器器基于开源路路由软件（GUI zzebra），完成下列列功能：IPPv6控制协协议(如路由协议议、IPv66协议栈、邻邻居发现等)；通用路由由器抽象模型型及控制接口口；路由器分离控制制协议；路由由器用户界面面。2.2 软件总总体视图所有和IPv66路由协议相相关的处理，全全部由外置的的路由服务器器IPv6系统统完成，IPPv6转发表表同样由外部部IPv6系统统生成之后发发送给设备的的主控。在外外置路由服务务器和路由器器的主控之间间遵循标准的的协议和接口口

7、。OpenRouuter 路由器控制制软件划分为为以下子系统统：路由子系系统；协议栈栈及路由设备备抽象；OppenRouuter MMasterr；OpenRRouterr Agennt和控制微码扩扩展；IPvv6微码功能能支持。3 路由子系统统设计与实现现如图2-1所示示，OpennRouteer路由器的的路由子系统统在外置路由由服务器上实实现，系统采采用开源的zzebra 软件为原型型。有关IPPv6协议栈栈功能借助了了Linuxx操作系统现现有的协议栈栈。Zebrra是一个路路由器的软件件实现，如何何实现软件控控制、硬件转转发，是OppenRouuter 路路由器必须要要解决的关键键问题

8、，也是是集中体现转转发与控制分分离设计理念念的地方。为为实现路由器器硬件转发，外外置路由服务务器系统必须须为路由器设设备提供：(1)接口地地址添加、删删除等更新信信息；(2)转发表添加加、删除等更更新信息；(3)邻居表表添加、删除除等更新信息息。图2-1 OppenRouuter 路由子系统统软件结构整个外置路由控控制系统与硬硬件路由器设设备的通信都都是通过OppenRouuter通信信协议完成的的。OpennRouteer通信协议议由外置主控控方的OpeenRoutter Maaster和和硬件路由器器设备方的OOpenRoouter Agentt共同组成：二者之间分分别建立数据据通路和控制

9、制通路。数据据通路用于重重定向数据信信息；控制通通路用于重定定向转发表、邻邻居表操作等等控制信息。在zebra路路由软件中，有有关接口地址址操作和转发发表操作是在在zebraa进程中实现现的。为把相相关信息重定定向到路由器器硬件设备上上，建立与OOpenRoouter Masteer的通信连连接，并由OOpenRoouter Masteer把信息转转发到硬件设设备上。有关关邻居表的维维护是在Liinux 操作系统统内核完成的的。为获得邻邻居表的实时时状态信息，笔笔者定时查询询邻居表，监监测其状态变变化，并把邻邻居表的添加加、删除、更更新等信息通通过OperrnRoutter Maaster重重

10、定向到路由由器硬件设备备上。4 基于虚拟路路由器模型的的协议栈内核协议栈需实实现的功能包包括：慢速路路径的转发平平面 (TCCP/IP协协议栈)；通用路由由器的实现表表示(如虚拟驱动动程序)；内核消息息通信(内核与OpeenRoutter的接口口规范)。4.1 虚拟驱驱动程序外接的路由服务务器负责IPPv6路由协协议和控制报报文的处理，位位于一台独立立的PC 上并通通过以太网同同路由器硬件件平台连接。由由于外接的控控制服务器系系统的协议栈栈之下没有具具体的硬件设设备，因此协协议栈必须建建立在一个虚虚拟的通用路路由器设备之之上。图3-1给出内内核协议栈和和虚拟通用路路由器设备层层次示意图。通通过

11、虚拟的通通用路由器模模型，可以使使用户在外接接路由服务器器PC上的操作作“感觉”就像真实作作用在路由器器硬件设备上上一样。图3-1 内核核协议栈和虚虚拟通用路由由器设备虚拟通用路由器器设备的功能能：1)动态反映映真实路由器器硬件设备的的状态变化；2)把用户对对虚拟设备的的操作转化为为对真实硬件件设备的操作作；3)通过与协协议层和用户户空间OpeenRoutterMasster的交交互实现控制制信息和IPPv6报文的的转发。虚拟通用路由器器设备通过虚虚拟驱动程序序在内核中为为系统虚拟出出真实路由器器的硬件接口口，虚拟接口口通过内核消消息通信模块块与用户空间间的OpennRouteer Masst

12、er 交交互，获得真真实硬件接口口的状态以及及转发报文和和控制信息；通过与协议议层的交互，接接收控制信息息的转发报文文。本原型系系统设计了55种类型的虚虚拟驱动程序序，分别对应应百兆以太网网、千兆以太太网、1555兆POS、622兆POS 和2.5吉POS接口。每每种虚拟驱动动程序各有114个驱动程程序，编号为为114，分分别对应于路路由器硬件设设备相应槽口口号的相应类类型的网络接接口板。这样样通过动态加加载、卸载驱驱动程序模块块就可以满足足对设备热插插拔的要求。4.2 内核协协议栈与用户户进程的通信信路由服务器同路路由器硬件平平台之间的通通信是通过在在用户空间建建立的TCPP 连接来实实现的

13、。为了了实现协议栈栈报文到驱动动程序的重定定向就必须依依靠内核协议议栈和用户进进程的通信。在本原型系统中中，虚拟驱动动程序位于LLinux内内核空间，与与之交互的OOpenRoouter Masteer位于用户户空间。因此此为了完成控控制信息和IIPv6报文文的转发，就就必须解决好好内核空间与与用户空间的的通信问题。综综合考虑了多多种通信策略略，结合本系系统的实际情情况，采用为为内核增加一一套新的系统统调用的方式式来满足内核核与用户空间间通信的需要要。5 OpenRRouterr MastterOpenRouuter MMasterr负责实现基基本的控制报报文重定向、数数据报文重定定向、通用控

14、控制协议过程程实现、协议议报文的编码码、IPv66 控制配置置分发(路由表分发发，邻接表分分发)、路由器异异步事件报告告。在现有程程序设计中，OpenRouter Master 是zebra、neigh、OpenRouter Agent 以及协议栈内核的通信枢纽。它负责如下功能：(1)zebra模块与OpenRouter Agent control通路的双向数据通信；(2)邻居发现监测模块与OpenRouter Agent control通路的双向数据通信；(3)从协议栈内核读取数据，写向OpenRouter Agent Data通路，采用定时轮询方式读取协议栈内核数据；(4)从OpenRou

15、ter Agent Data通路读取数据，写给协议栈内核。采用select调用方式读取OpenRouter Agent Data通路的数据由于OpenRouter Master 在Linux 系统中负责协调调度来自3方(zebra 进程、Linux内核与OpenRouter Agent)的消息，在zebra 进程、Linux 内核同时与OpenRouter Master通信的过程中面临着访问阻塞的问题，并且考虑到方案实现的阶段性，系统采用双OpenRouter Master的结构。其中， OpenRouter Master A负责控制报文的转发，OpenRouterMaster B负责数据报文

16、的转发。6 OpenRRouterr AgenntOpenRouuter AAgent模模块负责：路路由器硬件系系统的初始化化；路由器能能力、功能配配置和拓扑结结构表示；通通用控制协议议过程实现；协议报文的的编码(OppenRouuter MMasterr与OpenRRouterrAgentt的接口规范范)；通用路由由器模型向路路由器硬件的的控制映射。服服务器方主要要处理控制单单元要求转发发单元完成的的各种操作及及操作结果汇汇报。OpeenRoutter Aggent及和和消息处理相相关的部分统统称为控制代代理。控制代代理通过扩展展NPAS和和网络处理器器进行。总 结传统路由器通常常基于单个通

17、通用CPU，采用实时操操作系统，CCPU既要完完成报文的转转发还要运行行路由协议和和其他控制和和管理协议。这这种将控制和和转发集成在在一起的紧耦耦合结构导致致对控制层面面和转发层面面的任何改动动都会牵一发发而动全身，致致使路由器的的扩展性和软软件的移植性性较差。转发与控制分离离体系结构(forwaardingg and contrrol ellementt separratingg， ForCCES)的关键思想想是打破控制制和转发紧耦耦合的集成方方式，将路由由器严格地划划分为控制和和转发两个层层面。控制层层面使用通用用CPU负责路路由的控制和和计算，转发发层面的每块块转发板使用用专用CPUU(

18、例如网络络处理器)负责报文的的转发，转发发与控制各司司其职，在提提供高性能报报文转发的同同时保证了路路由控制和计计算的高可靠靠性。典型的转发与控控制分离体系系结构研究包包括：网络数数据过滤结（the network processing forum ,NPF）；IETFForCES；开源路由平台（extensible open router platform ,XORP）等。与传统路由器体系结构相比，转发与控制分离的体系结构具有以下特点和优势：(1)较低的开发和应用成本；(2)软件开发可以独立于具体的硬件平台；(3)增强了系统的扩展性和可靠性。本文基于控制与与转发分离思思想设计实现现了一个IP

19、Pv6路由器器，重点介绍绍OpenRRouterr原型系统各各模块设计与与实现。OppenRouuter原型型系统目前可可在实际网络络中与Cissco等路由由器互联，构构成IPv66 网络。今今后将在此基基础上进一步步研究多个转转发单元、多多个控制单元元如何协同工工作，冗余备备份等问题。另另外，还将研研究基于控制制与转发分离离的路由器与与传统硬件路路由器、软件件路由器的性性能比较问题题。参 考 文 献献1周逊.IPvv6-下一一代互联网的的核心M.北京：电电子工业出版版,200662邬江兴.新一一代核心路由由交换器面临临的问题及发发展趋势JJ.电信科科学,20005,17(77):20223栗大超，宋光光德，靳世久久.嵌入式系统统的Inteernet互互连技术JJ.微计算算机信息, 2003,13(122）4周卫东，罗国国民，朱勇等.现代传输与与交换技术.国防工业出出版社，2003.105李驹光，聂雪雪媛等. AARM应用系系统开发详解解-基于S3C44510B的的系统设计M .北北京：清华大大学出版社, 20033 8