基于click自定義協(xié)議軟件路由器的 設計與實現(xiàn)

1、網(wǎng)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標簽信息庫結構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。LableRouteTable

2、153.LableLookup154。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)先級分別進行限速功能測試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2727一、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

3、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)先級分別進行限速.（二）實驗目的通過實驗設計,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)絡研究所需的基本設計技能，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(wǎng)絡方向的深入研究奠定實際驗證基礎。（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容：制定指導數(shù)據(jù)報文分組從一個網(wǎng)

4、絡到另一個網(wǎng)絡的規(guī)定和標準；創(chuàng)建路由表，并維護網(wǎng)絡拓撲結構;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)議設計提出了基本的要求,即對于網(wǎng)絡中的每一層都需要定義報文的格式，然后對于報文在網(wǎng)絡中的發(fā)送、接收和轉發(fā)都有穩(wěn)定的拓撲結構.2、協(xié)議設計一個自定義的協(xié)議簇（ABC），包括地址編址結構、網(wǎng)絡互連與路由轉發(fā)等多個簡單協(xié)議，對其進行詳細說明如下:（1） 地址編制結構（64位），其中前16位為網(wǎng)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(wǎng)的封裝格式如下：其中，IP報文類型定義為0x6000,標簽（LA

5、BEL）報文類型定義為0x6001。（3） 2。5層標簽交換協(xié)議，規(guī)定了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(wǎng)絡層協(xié)議，定義了網(wǎng)絡層報文頭格式.其中TOS為015，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內容長度;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)報文頭中包含的以太

6、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基礎知識,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，進行初步的概要設計,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

7、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：類型碼0x08060x60000x60010x08062. 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

8、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(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(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

9、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發(fā)端口.Modify Label for next 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；然后進行TTL-1、修改Ether頭部中的目的Mac，然后從查詢到的轉發(fā)端口進行發(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。然后進行TTL1，修改Ether頭部中的目的Mac，然后從查詢到的轉發(fā)端口進行發(fā)送.3. Lab

10、el標簽信息庫結構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.其結構信息如下：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(jīng)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)先級調度組件根據(jù)優(yōu)先級調度算法進行調度,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

11、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(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TTL1將報文TTL進行減一操作ARP QueryAR

12、P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報文轉發(fā)詳細設計發(fā)送者生成PSP報文，經(jīng)過AddLabelHeader組件添加標簽頭,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(jīng)過TTL1,目的MAC地址修改，轉發(fā)到相應端口。接受者從網(wǎng)口獲取數(shù)據(jù)包，丟掉LabelHeader。組件/流程

13、功能介紹AddLabelHeader在普通PSP數(shù)據(jù)包上添加標簽頭信息，讓路由器可以基于標簽進行交換Lookup LIB查詢標簽信息庫，獲取下一跳Label ID和輸出端口Modify Label for next 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（RAT

14、E， 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:定義標簽信息結構，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

15、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，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.

16、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)后打印消息內容。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 ,0x0200000A，2346) - PSPPrint（） -> ToDevice(eth1）；ii. Client 接受報文配置文件FromD

17、evice(eth2） PSPPrint（） Discard；iii. Router1 轉發(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) - todevice0 : ToDevice（eth1)；FromDevice（eth1） c0；c00psp；c01Discard；rt0 PSPMacap（00：0C：29:F4：DD：E6） Print（

18、rt2) out0；iv. Router2 轉發(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， ）;out0 :： Queue（200） todevice0 ： ToDevice（eth2)；FromDevice（eth1） > c0；c00psp；c01Discard；rt0>Discard；rt1- PSPMacap（00:0C：29:0E：9F：17） Print(rt2） &

19、gt; 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 接受到數(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(wǎng)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. 實驗測試方法Client發(fā)送優(yōu)先

20、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)先級隊列能在一秒內通過更多的數(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)先級為8的數(shù)據(jù)包，再發(fā)送5個

21、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位的范圍為18.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：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

22、 :： 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 queue5 Shaper(2） - 4ps；c5-> queue6 > Shaper(2） - 5ps；c6-&

23、gt; 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)據(jù)包。4. 測試結果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)先級隊列的調度,從隊列中讀出的數(shù)據(jù)

24、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. 結果總結（四)標簽流按優(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）；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）;