基于NetFPGA的硬件路由器的實(shí)現(xiàn)

摘 要：路由器是網(wǎng)絡(luò)架設(shè)中必不可少的構(gòu)建組件，在路由器構(gòu)成中重要的就是NetFPGA網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)。該硬件平臺(tái)具有可重構(gòu)性，并且模塊化程度較高，更是一種開放型平臺(tái)，用戶能夠根據(jù)所需構(gòu)建多種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。基于NetFPGA的硬件路由器就是在其平臺(tái)上利用模塊化思想完成路由器構(gòu)建的方法，并對(duì)路由器進(jìn)行了功能驗(yàn)證，證實(shí)其可行性和安全可靠性。

關(guān)鍵詞：NetFPGA平臺(tái)；模塊化路由器；可重構(gòu)性

中圖分類號(hào)：TP393.05

路由器從結(jié)構(gòu)角度劃分，可分為模塊化和非模塊化兩種。非模塊結(jié)構(gòu)路由的接口固定，功能不可重構(gòu)，通常只能用于小型網(wǎng)絡(luò)。而模塊化結(jié)構(gòu)的路由器的接口和功能擴(kuò)展都能根據(jù)用戶所需進(jìn)行配置和改變，能滿足不同應(yīng)用環(huán)境中用戶擴(kuò)容的需要和業(yè)務(wù)的拓展，更多的應(yīng)用到大型網(wǎng)絡(luò)中?，F(xiàn)在，模塊化結(jié)構(gòu)路由器的應(yīng)用設(shè)計(jì)更為廣泛。

1 路由器系統(tǒng)

1.1 NetFPGA系統(tǒng)概述

NetFPGA硬件平臺(tái)的兩大重要組成部分是：用戶控制層面及硬件轉(zhuǎn)發(fā)層面，其具體構(gòu)成如圖1所示。

由上圖可知，硬件轉(zhuǎn)發(fā)層面基于PCI板的組成電路。有兩個(gè)FPGA：其中一個(gè)實(shí)誠(chéng)頻率為125MHz，滿足用戶自主進(jìn)行編程的Vir-tex-II Pro50 FPGA；另外一個(gè)是被用來(lái)連接主機(jī)CPU的PCI接口，Xilinx Spartan控制邏輯的小型FPGA。還有四個(gè)FPGA的軟核千兆以太網(wǎng)控制器MAC。內(nèi)存有兩部分，一部分是2個(gè)同步于FPGA的125MHz頻率、字長(zhǎng)達(dá)36Byte的SRAM；另一部分是兩個(gè)異步于FPGA的時(shí)鐘頻率為200MHz、字長(zhǎng)達(dá)32Byte的DRAM。

而用戶控制層面也由兩大模塊構(gòu)成：功能實(shí)現(xiàn)模塊及架構(gòu)管理模塊。功能實(shí)現(xiàn)模塊的構(gòu)成：路由協(xié)議管理子模塊，例如OPSF軟件Scone；系統(tǒng)測(cè)試子模塊，例如監(jiān)聽端口計(jì)數(shù)器Cout-dump；簡(jiǎn)單的操作Java GUI的用戶管理界面。架構(gòu)管理模塊的構(gòu)成：仿真調(diào)試NetFPGA開放設(shè)計(jì)的CAD輔助設(shè)計(jì)工具ISE Modelsim；監(jiān)管工具M(jìn)onitor，對(duì)連接開發(fā)板和主機(jī)操作系統(tǒng)進(jìn)行管理，配置板卡、NetFPGA和主機(jī)的DMA傳送、映射片上存儲(chǔ)和DRAM及SRAM到內(nèi)存中，通過讀和寫控制NetFPGA的運(yùn)行形式。

1.2 設(shè)計(jì)思路

NetFPGA進(jìn)行硬件路由器設(shè)計(jì)的具體過程為：首先應(yīng)用置頂向下的過程，并逐層對(duì)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)和編寫，并層層調(diào)用。編寫完成后，用Modelsim仿真驗(yàn)證，并用ISE綜合，生成bit文件。通過PC機(jī)將bit文件下載到FPGA中編程，完成硬件設(shè)計(jì)。軟件由NetFPGA板卡的特定監(jiān)聽協(xié)議端口的數(shù)據(jù)包解析，再按照路由信息策略進(jìn)行相應(yīng)處理，保證成功運(yùn)行路由協(xié)議。在該設(shè)計(jì)中，更傾向于將硬件路由器設(shè)計(jì)成管道模型，不僅有ASIC的處理速度，還增強(qiáng)了其靈活性。圖2就是整個(gè)硬件路由器的管道模型圖：數(shù)據(jù)成流線型處理方式，數(shù)據(jù)總線及寄存器總線采用分時(shí)復(fù)用傳輸處理內(nèi)容。該模型只有一個(gè)push口，簡(jiǎn)單易行。

由上圖得知，模塊化硬件路由器主要有五個(gè)處理階段構(gòu)成：首先是進(jìn)行接收，對(duì)從以太網(wǎng)口收到的信號(hào)幀進(jìn)行重組，并增加輸入端口及數(shù)據(jù)包容量的控制信息；然后對(duì)信息進(jìn)行輸入判定，采用輪詢機(jī)制路對(duì)8路數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，決定選出進(jìn)入下階段的信息；之后查詢輸出端口狀態(tài)，處理數(shù)據(jù)包，按照訪問列表篩選數(shù)據(jù)包并按照目的IP對(duì)硬件轉(zhuǎn)發(fā)表查詢確定輸出端口，重點(diǎn)修改轉(zhuǎn)發(fā)包相關(guān)字段，避免出錯(cuò)；輸出信息隊(duì)列，根據(jù)控制頭的輸出字段將數(shù)據(jù)包送到相應(yīng)的輸出緩存中，依次輪詢，構(gòu)成發(fā)送隊(duì)列；進(jìn)行發(fā)送，去掉數(shù)據(jù)包控制頭改變數(shù)據(jù)包格式，完成幀重組輸送到網(wǎng)絡(luò)。

1.3 模塊功能

輸入判定模塊功能：將數(shù)據(jù)通道的8路信號(hào)并行輸送進(jìn)判定器，運(yùn)行round-robin機(jī)制，在1個(gè)時(shí)鐘周期中只選擇1路數(shù)據(jù)并送到下階段，其它信號(hào)暫存判決隊(duì)列中，等待查詢。

路由輸出端口查詢功能：首先預(yù)處理，分析數(shù)據(jù)包，標(biāo)記字段，將數(shù)據(jù)流并行送入之后處理模塊中。再進(jìn)入鏈路層分析，按照目的MAC是非本地主機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)包類型標(biāo)識(shí)并將標(biāo)識(shí)信息送到綜合處理塊。按照目的IP篩選，提取目的IP查詢TCAM列表，決定接收、轉(zhuǎn)發(fā)還是丟棄。進(jìn)入IP首部修正，數(shù)據(jù)包被1次轉(zhuǎn)發(fā)后，生存時(shí)間TTL減1修正，送到綜合處理塊。進(jìn)入IP首部檢測(cè)，讀取控制頭輸入端口字，奇數(shù)為轉(zhuǎn)發(fā)包，偶數(shù)為本地主機(jī)數(shù)據(jù)包。進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)查詢，根據(jù)最長(zhǎng)前綴匹配機(jī)制，獲取下一跳IP及輸出端口號(hào)。進(jìn)入ARP查詢，按照獲得的路由選項(xiàng)查詢ARP的緩存硬件映射表，獲取輸出端口MAC，輸出到綜合處理塊。最后進(jìn)入綜合處理，綜合以上提供的所有標(biāo)識(shí)信息及修正字段，重新生成一個(gè)數(shù)據(jù)包IP頭部，更新輸出端口字，將信息輸出隊(duì)列塊。

輸出隊(duì)列模塊功能：將輸出端查詢模塊送來(lái)的數(shù)據(jù)包存到SRAM中，再執(zhí)行round-robin輪詢，在系列子模塊中處理。存儲(chǔ)子塊將數(shù)據(jù)包存進(jìn)SRAM，并將新的存儲(chǔ)地址送給寄存器。頭部判斷塊分析進(jìn)入數(shù)據(jù)包，獲取控制頭的輸出端口字，標(biāo)識(shí)輸出到移除塊中。移除塊輪詢讀取輸出隊(duì)列數(shù)據(jù)包，刪除控制頭，送到發(fā)送端口隊(duì)列。

2 路由器功能驗(yàn)證

為證明該硬件路由的可行性需要對(duì)其中OSPF動(dòng)態(tài)路由協(xié)議及轉(zhuǎn)發(fā)功能的運(yùn)行情況進(jìn)行分析觀察。應(yīng)用終端HA向HC持續(xù)發(fā)送ICMP包的測(cè)試方式，并應(yīng)用Wireshark觀測(cè)SB網(wǎng)絡(luò)端口，監(jiān)測(cè)OSPF的運(yùn)行狀態(tài)。檔網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渫暾麜r(shí)，HA能夠不管pingHC。HA和HC的互通是通過HC終端用tracetoute進(jìn)行路由器選路的查看，發(fā)現(xiàn)這時(shí)候路徑為：HA→SA→SC→HC。然后斷開SC和SA間的直接連線。之后HA和HC間的通信就會(huì)因?yàn)镺SPF的路徑重新選擇中斷2s，之后才能恢復(fù)兩者之間的通信，此時(shí)查看路由器的路徑選擇，結(jié)果變?yōu)椋篐A→SA→SB→SC→HC。有以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)過合理分析得知：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí)，OSPF協(xié)議開始運(yùn)行并且完成交互更新數(shù)據(jù)包，完成路由更新，證明NetFPGA轉(zhuǎn)發(fā)功能的正確性機(jī)及OSPF動(dòng)態(tài)路由協(xié)議運(yùn)行得正常性，證明NetFPGA硬件路由器可行性的實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于NetFPGA的硬件路由器的設(shè)計(jì)就是在NetFPGA的平臺(tái)上進(jìn)行管道模型式的模塊化硬件路由器的設(shè)計(jì)，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了路由器功能的驗(yàn)證。結(jié)果證明，NetFPGA平臺(tái)的性能良好，能進(jìn)行動(dòng)態(tài)路由協(xié)議和其他功能的實(shí)現(xiàn)。綜合分析該路由器性能較為穩(wěn)定可靠，在以后市場(chǎng)中會(huì)占有更大的份額，應(yīng)用前景看好。

參考文獻(xiàn)：

[1]洪毅清，秦雅娟，周華春.基于NetFPGA的模塊化硬件路由器實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2011（28）：28-35.

[2]羅臘勇，賀鵬，關(guān)洪濤.可編程虛擬路由器關(guān)鍵技術(shù)與原型系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2013（33）：108-112.

作者單位：遼寧省交通高等?？茖W(xué)校，沈陽(yáng) 110122