FAST：基于FPGA的SDN交換機(jī)開源項(xiàng)目（二）

FAST的目標(biāo)是面向SDN的教學(xué)與科研，基于開源方式開發(fā)出一套以FPGA為核心的SDN交換機(jī)實(shí)現(xiàn)代碼，包括FPGA硬件源碼以及交換機(jī)中CPU上運(yùn)行的相關(guān)軟件源碼。

參與SDN科研與教學(xué)的研究人員、教師和學(xué)生不但能夠直接利用這些源碼，在FAST支持的FPGA交換平臺(tái)上生成可運(yùn)行的SDN交換機(jī)，并與通用SDN控制器，如floodligjt，ODL等，互連組建自己的SDN網(wǎng)絡(luò)；而且能夠直接參與到FAST交換機(jī)的開發(fā)中，編寫并提交自己的FPGA功能模塊或軟件程序，擴(kuò)充現(xiàn)有FAST交換機(jī)的功能。

一、FAST的代碼組成

FAST項(xiàng)目代碼主要有三個(gè)來(lái)源。一是2011-2015年期間，國(guó)防科大計(jì)算機(jī)學(xué)院研究生參加《路由器原理與設(shè)計(jì)》實(shí)驗(yàn)課中基于NetMagic08平臺(tái)的課程設(shè)計(jì)成果；二是2012年以來(lái)，國(guó)防科大、香港理工大學(xué)、北京郵電大學(xué)、東南大學(xué)、中科院計(jì)算所等單位基于NetMagic08和NetMagic Pro平臺(tái)進(jìn)行的互聯(lián)網(wǎng)測(cè)量、SDN交換和軟件定義的實(shí)驗(yàn)床等相關(guān)開發(fā)成果；三是湖南新實(shí)網(wǎng)絡(luò)科技有限公司基于NetMagic08開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)案例NetEXP的設(shè)計(jì)代碼。

這些來(lái)自多個(gè)FPGA交換項(xiàng)目的代碼包括FPGA硬件設(shè)計(jì)代碼（Verilog程序），交換機(jī)上CPU運(yùn)行的控制軟件代碼，以及組成相關(guān)demo需要的其他代碼（如基于RESTAPI編寫的APP代碼），詳細(xì)組成如下表所示。

硬件代碼

IPv4/IPv6/LISP協(xié)議報(bào)文的分析代碼；?
精確匹配查表算法實(shí)現(xiàn)代碼；?
支持掩碼的查表匹配算法（Stride BV算法）實(shí)現(xiàn)代碼；?
靜態(tài)/動(dòng)態(tài)緩沖區(qū)管理代碼；?
基于令牌桶的流量控制代碼；?
優(yōu)先級(jí)調(diào)度代碼；?
分組分片和重組代碼；?
LISP隧道實(shí)現(xiàn)代碼；?
Netmagic訪問控制協(xié)議（NMAC）硬件實(shí)現(xiàn)代碼；?
可靠傳輸協(xié)議（OpenVAS）硬件實(shí)現(xiàn)代碼；

軟件代碼

交換機(jī)側(cè)的openflow通道代碼；?
交換機(jī)側(cè)的流表管理代碼；?
BV算法的規(guī)則變換代碼；?
令牌桶控制器代碼；?
本地配置界面代碼；?
計(jì)數(shù)器顯式代碼；?
虛擬網(wǎng)絡(luò)接口代碼；?
NMAC控制端代碼；?
可靠傳輸協(xié)議（OpenVAS）控制端代碼；

實(shí)現(xiàn)的典型交換機(jī)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

自學(xué)習(xí)L2交換機(jī)?
支持Openflow1.0的SDN交換機(jī)?
支持openflow1.3的SDN交換機(jī)?
IPv4路由器?
LISP XTR路由器?
軟件定義隧道交換機(jī)（用于軟件定義實(shí)驗(yàn)床構(gòu)建）?
支持NETEXP網(wǎng)絡(luò)教學(xué)案例的NetLabs平臺(tái)

雖然目前這些代碼只在NetMagic08和NetMagic Pro平臺(tái)上，但實(shí)際上大多數(shù)代碼都是與平臺(tái)無(wú)關(guān)的。因此FAST軟硬件架構(gòu)中都顯式區(qū)分了平臺(tái)的相關(guān)代碼和平臺(tái)無(wú)關(guān)的代碼，便于SDN交換機(jī)的軟硬件實(shí)現(xiàn)代碼的跨平臺(tái)移植。

二、FAST代碼樹結(jié)構(gòu)

FAST項(xiàng)目在github（ https://github.com/FAST-Switch/fast ）上的代碼樹結(jié)構(gòu)如下，在頂級(jí)目錄中，主要包含lib、Project、docs三個(gè)子目錄和按照github要求提供的README和LICENSE文件。

Lib目錄中包含所有平臺(tái)相關(guān)及與平臺(tái)無(wú)關(guān)的軟硬件代碼，其分類組成如代碼樹各目錄后面的注釋所示。所有FPGA設(shè)計(jì)代碼被分為pipeline和platform兩類。pipeline是平臺(tái)無(wú)關(guān)的代碼，對(duì)應(yīng)openflow轉(zhuǎn)發(fā)流水線的實(shí)現(xiàn)邏輯，包括轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)作action、buffer、keygen、match、parser和other幾個(gè)目錄，分別放入相應(yīng)額代碼。例如Stride BV算法實(shí)現(xiàn)放在match目錄中，IPv6協(xié)議分析放在Parser目錄中，令牌桶實(shí)現(xiàn)放在action中。平臺(tái)相關(guān)代碼包括網(wǎng)絡(luò)接口分組收發(fā)代碼，接口CRC校驗(yàn)實(shí)現(xiàn)代碼，F(xiàn)PGA與CPU通信代碼，F(xiàn)PGA訪問外圍存儲(chǔ)器，如DDR、TCAM等的控制器代碼等。在NetMagic08和Pro平臺(tái)中，用戶模塊（UM）之外的代碼都是平臺(tái)相關(guān)代碼。

Lib目錄中software子目錄包含交換機(jī)CPU上執(zhí)行的軟件代碼，同樣分為平臺(tái)無(wú)關(guān)代碼和平臺(tái)相關(guān)代碼。平臺(tái)無(wú)關(guān)代碼包括openflow控制通道實(shí)現(xiàn)代碼，表管理代碼，算法相關(guān)代碼，數(shù)據(jù)平面服務(wù)擴(kuò)展（如實(shí)現(xiàn)的有狀態(tài)防火墻）代碼等；平臺(tái)相關(guān)代碼包括NetMagic08控制終端Cpu上運(yùn)行的NMAC協(xié)議軟件，NetMagic Pro自帶Cpu上運(yùn)行的PCIe驅(qū)動(dòng)軟件，多接口虛擬驅(qū)動(dòng)軟件等。平臺(tái)相關(guān)軟件對(duì)上層應(yīng)用采用相同的API接口，使用虛擬地址空間的思想對(duì)軟件可訪問的硬件資源進(jìn)行抽象和標(biāo)識(shí)。虛擬地址空間是FAST實(shí)現(xiàn)的重要概念，在后續(xù)文章中會(huì)有詳細(xì)介紹。

Project中包含了目前實(shí)現(xiàn)的各種FPGA交換機(jī)的實(shí)例，包括L2交換機(jī)，軟件定義的隧道交換機(jī)（用于軟件定義實(shí)驗(yàn)床構(gòu)建），各類SDN交換機(jī)等。Doc目錄包含F(xiàn)AST代碼相關(guān)的各種文檔資料等。

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圖1 FAST代碼結(jié)構(gòu)

需要注意的是，在Project的每個(gè)實(shí)例目錄中，并不包含相關(guān)的源代碼，而是包含了硬件FPGA的工程配置文件（如altera FPGA平臺(tái)對(duì)應(yīng)的.qsf文件）和軟件編譯需要的makefile文件。在這兩個(gè)文件中，分別通過相對(duì)路徑包含了本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)需要的所有硬件源文件和軟件源文件。因此用戶通過這兩個(gè)文件可以索引到本項(xiàng)目所有的源文件，通過FPGA開發(fā)環(huán)境（如Quartus II）對(duì)工程配置文件直接編譯和映射即可生成FPGA配置文件，通過編譯makefile文件即可獲得軟件的執(zhí)行映像。

如何獲取和使用github上的FAST代碼將在后續(xù)的文章中詳細(xì)介紹。

三、FAST代碼的優(yōu)化與整合

目前FAST已經(jīng)在github上初步建立了代碼樹結(jié)構(gòu)，各類FPGA交換機(jī)設(shè)計(jì)代碼和文檔正在陸續(xù)上傳。在這些代碼和文檔上傳結(jié)束后，還有大量的代碼優(yōu)化與整合工作要做，主要包括兩方面。

一方面是代碼的清理與測(cè)試驗(yàn)證。當(dāng)前FAST代碼主要來(lái)自研究生，質(zhì)量層次不齊，風(fēng)格五花八門,因此需要?jiǎng)h除或重寫嚴(yán)重不符合質(zhì)量要求的代碼，同時(shí)對(duì)代碼的功能進(jìn)行重新測(cè)試，發(fā)現(xiàn)bug及時(shí)進(jìn)行修復(fù)和更新。在初步的代碼清理和測(cè)試驗(yàn)證后，F(xiàn)AST可基本達(dá)到類似于NetFPGA項(xiàng)目的開源效果，即實(shí)現(xiàn)代碼倉(cāng)庫(kù)功能。用戶可通過查找相應(yīng)的project目錄，更加方便地獲取相應(yīng)的軟硬件設(shè)計(jì)代碼，在自己的FPGA平臺(tái)上運(yùn)行和測(cè)試，利用github進(jìn)行bug報(bào)告提交，促使源文件的不斷完善和更新。

另一方面，與NetFPGA項(xiàng)目不同，F(xiàn)AST希望做到與平臺(tái)無(wú)關(guān)，因此需要將軟硬件代碼分別分成與平臺(tái)無(wú)關(guān)和與平臺(tái)相關(guān)的兩部分，對(duì)不同工程中大量重復(fù)的與平臺(tái)無(wú)關(guān)的代碼，如令牌桶控制代碼和轉(zhuǎn)發(fā)查表代碼等，需要最大程度采用參數(shù)傳遞的方式進(jìn)行重新實(shí)現(xiàn)，以減少相同功能模塊實(shí)現(xiàn)副本的數(shù)量，簡(jiǎn)化后續(xù)版本管理的壓力。

希望通過上述工作，能夠?qū)?dāng)前FAST項(xiàng)目中多套完全獨(dú)立的代碼逐漸發(fā)展成為一套功能齊全，質(zhì)量較高的代碼，同時(shí)吸引更加廣泛的科研人員加入到FAST的開發(fā)中，使FAST真正成為支持SDN科研和教學(xué)的平臺(tái)。