基于某click自定义协议详情软件路由器地设计与实现

1、实用标准文案网络协议设计实验设计文档基于click自定义协议软件路由器的设计与实现二0一四年十二月目 录一、实验概要及实验设计 1（一）实验概要 1（二）实验目的 1（三）实验分析 11、协议分析 12、协议设计 2二、实验设计 4（一）实验流程 4（二）click 路由器总体设计 51 .路由器报文分类概要设计 52 .路由器报文转发概要设计 63 . Label标签信息库结构 94 .优先级调度概要设计 95 .基于优先级的限速功能的概要设计 10（三）click路由器转发流程设计 111. PSP路由转发流程详细设计 112. Label报文转发详细设计 12（四）主要组件设计 141.

2、 Fastpspsource 组件 142. LableRouteTable 153. LableLookup 154. RateLimit 16三、实验演示 17（一）PS嘴由转发测试 171 .实验拓扑图 172 .实验测试方法 173 .配置文件 174 .测试结果 185 .结果总结 20（二）基于Label的路由转发测试 211 .实验拓扑图 212 .配置文件 213 .测试结果 214 .结果总结 21（三）优先级队列调度功能测试 211 .实验拓扑图 212 .实验测试方法 213 .配置文件 224 .测试结果 235 .结果总结 24（四）标签流按优先级分别进行限速功能测试

3、 241 .实验拓扑图 242 .配置文件 253 .测试结果 264 .结果总结 27四、实验分工 27精彩文档实用标准文案一、实验概要及实验设计（一）实验概要本实验目的为基于已有的click开源软件实现一个自定义协议 的软件路由器完整转发流程，具体包含五个核心任务：报文分类处理； PSP艮文分组转发流程（包含PSP头检查、TTL减一、转发表）；定长 标签交换流程（包含标签头解封装、标签表、标签头封装）；标签流8个优先级队列调度；标签流按照优先级分别进行限速。（二）实验目的通过实验设计，深入理解软件路由器的基本原理、 组成和实现， 掌握计算机网络研究所需的基本设计技能， 包括系统设计能力、软

4、件 编程能力、整体表述能力和新思想的实验验证能力，为开展计算机网 络方向的深入研究奠定实际验证基础。（三）实验分析1、协议分析一个完整的路由协议需要完成的功能包含以下内容：制定指导数 据报文分组从一个网络到另一个网络的规定和标准；创建路由表，并维护网络拓扑结构；运行路由协议，执行路由选择和分组转发功能。 这对我们接下来的协议设计提出了基本的要求， 即对于网络中的每一 精彩文档实用标准文案层都需要定义报文的格式，然后对于报文在网络中的发送、接收和转 发都有稳定的拓扑结构。2、协议设计一个自定义的协议簇(ABC ,包括地址编址结构、网络互连与 路由转发等多个简单协议，对其进行详细说明如下：(1)地

5、址编制结构(64位)，其中前16位为网络标识，后48 为接口标识。实际操作中，接口标识为该接口的MACfe址， 与前16位拼接为64位地址。16位48位网络标识接口标识(2)链路层协议，规定了以太网的封装格式如下:目的地址源地址类型数据CRC66246-15004其中，IP报文类型定义为0x6000,标签(LABEL报文类 型定义为0x6001。(3) 2.5层标签交换协议，规定了标签交换头的封装格式，并 约定标签交换头后默认为PS聪式的报文。标签IDQoSTTL24位4位4位(4)网络层协议，定义了网络层报文头格式0347 815162431版本| TOS |标识符载荷长度|下一报头类型|跳

6、数限制源地址(8字节目的地址(8字节)其中TO勋0-15,表示报文的传输优先级；标识符标注报 文的序号；载荷长度为不包括报文头的报文内容长度；下 一报头类型为1时表示为ABC_ICMP、议，为2时表示为 ABC_UDP议；跳数限制最大为64,并且每经过一个路由 器，具值减1,其值为0时报文被丢弃；源地址和目的地 址分别记录发送方和目的方地址。(5)定义了 ABC_UDPAB坏可靠传输协议)报文头格式。16位源端口号16位口的端口号32位UDP载荷长度(6)基本实验拓扑如图所示，根据以太网报文头中包含的以太网的目的地址、源地址和报文类型，ABC协议就能实现一个简单的报文收发过程以太网目的地址 以

7、太网源地址 类型22.23.24.25.25.38 22.23.2425.26.36 0x6000报文接收方（7）包含转发过程的实验拓扑一个简单的转发过程包含以下的步骤：从发送方接收报文;更改报文的源地址以及目的地址；通过端口发出报文。示二、实验设计（一）实验流程1 .准备工作a）下载修改后的Click源代码；b）安装Fedora虚拟机，配置开发、测试环境；c）编译源码，运行Dem验；d）学习Click基础知识，查看源码，了解组件的设计方法和 组件的配置文件。2 .系统概要设计充分了解实验任务，进行初步的概要设计，设计包括组件的功能和组织。3 .编码4 .实验环境搭建5 .代码集成和测试首先各

8、个组件需要通过单元测试，最后集成起来进行系统测 试。6 .编写实验报告文档（二）click路由器总体设计1 .路由器报文分类概要设计报文主要分为四种类型： ARP Query报文、ARP Response报文、PSP®文、Label报文。从输入组件中获取数据包，发送到数据包分类器。概要图如下图所示：FromDevice1FromDevice2Classfier （数据包分类器）XIX1ARP QueryPSPLabel ARP Respose其中，根据以太网头部类型信息进行分类，如下所示:ARP Query PSP LabelARP Response类型码 0x08060x60000

9、x60010x08062.路由器报文转发概要设计路由器报文转发的概要设计图如下所示，其中包含两条主线：一 是基于PSPW议的路由转发，二是基于 Label标签的路由转发两条主线的公用组件的作用如下表所示：对于PSP®文的路由转发，其中的两个组件功能如下:组件/流程名称组件/流程作用Get Dest Address 获取PSP艮文的目的地址Lookup Router Table 查询路由表，得到要转发的端口对于Label报文的路由转发，其中的两个组件的功能如下：组件/流程名称组件/流程作用Lookup LIB根据标签号，查询标签信息库，得到新的标签号和转发端口。Modify Label

10、 for修改标签头部信息中的标签号为查表得到新next jump标签号(1)对于pspB文路由转发，首先根据 psp头部中的目的地址 查询路由表，得到转发端口；然后进行 TTL-1、修改Ether头 部中的目的Maq然后从查询到的转发端口进行发送。(2)对于急于标签的路由转发，首先根据 Label头部的标签号 查询标签信息库，得到新的标签号和转发端口，并修改 Label 头部的标签号为新的标签号。然后进行 TTL-1，修改Ether头 部中的目的Maq然后从查询到的转发端口进行发送。精彩文档FromDevicelFromDevice2Classifier （数据包分类器）ARP QueryPS

11、PLabelARP ResposeGet Dest AddressLookup LIB（标签信息库）Lookup RouterTableModify Label fornext jumpTTL-1ARPQuerierToDevice3 . Label标签信息库结构标签信息库维护基于标签交换的路由转发信息。当一个带有标签的报文进入路由器的时候，首先根据标签头部的 Label ID查找标签信息库，得到下一跳的 Label ID和转发端口。其 结构信息如下：4 .优先级调度概要设计对于标签交换，当输入组件获取数据包，经数据分类器 分类后，确定为Label报文，转发给优先级分类器。优先 级分类器根据L

12、abel头部中的QO算段进行优先级判定， 分别加入不同优先级的队列中。优先级调度组件根据优先 级调度算法进行调度，从不同优先级的队列中获取数据包， 发送到待发送数据队列。其中，调度算法是为了保证低优 先级的报文不至于饿死，采用时间片轮转的方式，即给高 优先的队列分配更多的时间。5.Queue基于优先级的限速功能的概要设计（三）1.click路由器转发流程设计PSP路由转发流程详细设计组件/流程功能描述FastPSPSource 组按照一定的速度产生PSP艮义，模拟发送件端FromDevice 组件从指定的端口认取数据包，转发到下一个组件Classifier 组件数据包分类器，根据以太网头部的类

13、型信 息进行分类，PSP报文的类型信息为0x6000Get Dest Address该步骤从pspB文头部获取目的地址，用来查询路由表，获取转发端口LookupRoutertable根据目的地址，查找路由表，获取转发端口TTL-1将报文TTL进行减一操作ARP QueryAR毡询，联取下一跳的目的 MacM址Modify EthernetHeader根据查询到的下一跳目的 Mac地址，修改报文以太网头部目的Mac字段Add to Queue添加到待发送数据包的队列中ToDevice 组件从Queue中获取数据包，从指定网口发送出去2. Label报文转发详细设计发送者生成PSP艮文，经过Add

14、LabelHeader组件添加标签 头，发送到路由器；Click路由器从网口接受数据，进过分类 器后，确定为基于标签交换的报文。然后查询标签信息库，并 修改下一条标签号，经过TTL-1,目的MACfe址修改，转发到 相应端口。接受者从网口获取数据包，丢掉 LabelHeader。组件/流程功能介绍AddLabelHeader在普通PS吸据包上添加标签头信息，让路 由器可以基于标签进行交换Lookup LIB查询标签信息库，获取卜一跳 Label ID和输出端口Modify Labelfor next jump修改标签头Label ID 字段，让下一跳路由可以转发Remove LabelHead

15、er移除Label Header ,得至U PSP艮文（四）主要组件设计1. Fastpspsource 组件组件名字Fastpspsource功能描述按照一定的速度生成PSP®文端口类型PORTS_0_1阶输入端口，一个输出端口处理方式PULL方式参数描述FASTPSPSOURCE(RATE,IMIT, LENGTH, SRCETHSRCIP, SPORT, DSTETH, DSTIP, DPORT)RATE发送速度；LIMIT:生成最大报文数量；LENGT H报文的长度SRCETH源Mac地址SRCIP源IP地址SPORT源端口号DSTETH目的Mac地址DSTIP:目的IP地址

16、DPORT目的端口号2. LableRouteTable主要功能：定义标签信息结构，维护标签信息库，可以向 里面添加、查询、删除标签信息。3. LableLookup组件名字LableLookup功能描述(1)静态配置标签信息库(2)实现基于标签的查找转发端口类型一个输入端口，多个输出端口处理方式pusW 式当一个带有标签的报文发送到LabelLookup组件，首先获取Label标签头部的标签号，查找标签信息库，以获取“ Out Label ” 和“Out Port ; 然后修改标签头部的标签号为“ Out Label ”，并 从“Out Port ”端口发送出去。流程图如下：4. RateL

17、imit组件名字RateLimit功能描述限制一个报文流的速度，即每秒发送多少报文端口类型PORTS_1_1件输入端口，1个输出端口处理方式PULL参数描述RateLimit (RATE)RATE报文流的最大速率，即最多每秒发送多少个报文实验演示（一）PSP路由转发测试1 .实验拓扑图RouteriEthiRouter22 .实验测试方法实验拓扑图如下所示：Client从Ethi网口发送数据到RouteriEthi , Routeri转发到 Router2 , Router2收到数据后再次转发给Client的Eth2, Client收到数据后打印消息内容。3 .配置文件i. Client发送报

18、文配置文件FastPSPSource(2,2000,i28,00:0C:29:0E:9F:0D,0x0i00000A,2345,00:0C:29:6i:C0:3E, 0x0200000A,2346) -> PSPPrint()->ToDevice(ethi);ii. Client接受报文配置文件FromDevice(eth2) -> PSPPrint() -> Discard;iii. Routeripsp : Print("Forward PSP Pkt")-> rt : PSPLookup(10.0.0.1.0.0.0.00,10.0.0.

19、2.0.0.0.00);c0 二 Classifier(12/0600,-);out0 : Queue(200) -> todevice0 二 ToDevice(eth1);FromDevice(eth1) -> c0;c00->psp;c01->Discard;rt0-> PSPMacap(00:0C:29:F4:DD:E6) -> Print(rt2)-> out0;iv. Router2psp : Print("Forward PSP Pkt")-> rt : PSPLookup(10.0.0.1.0.0.0.01,10

20、.0.0.2.0.0.0.01);c0 二 Classifier(12/0600,-);out0 : Queue(200) -> todevice0 二 ToDevice(eth2);FromDevice(eth1) -> c0;c00->psp;c01->Discard;rt0->Discard;rt1-> PSPMacap(00:0C:29:0E:9F:17) -> Print(rt2)-> out0;4.测试结果v.客户端发送报文user刨口cal host :/home/user/dick-2.0.1/conf/zxzconf/TestP

21、lRie Edit View Terminal Jabs HelproutlocalhO5t TestPlJ#level/click pspgen.clickgenerate psp packet seq 112&II seq 1 arc ib,o,0.iPe.eBe,o des n乱乱2,0,必必日 sreport 16565 ec 2»Be9fod eceeoei 99gg日5a ezBBOaeegenerate psp packet seq 212B seq 2 sre 10l©.O,L.CLH.凯白 des 1H.白-乱入白，由.0.日 sreport 16

22、565 6c 29ee9fGd 6604992 0000665a e2080a00generate psp packet seq 312B| seq 3 sre 19.0.0. l.fl.6.ea0 des 10.白.凯2。.。,机电 5report 16565 ec Z99e9fed eemess 0000005a ezeseaeegenerate psp packet seq 412&II seq 4 sre 10,0.0.iPe.eBe,e des n乱乱2.0.134刃 sreport xeses ec 29Be9f0d 66604004 0006605 92080a06deg

23、enerate psp packet seq 512B| seq 5 sre 1白.电力，LfiLH.B.Bi des 1H.白力.2电，机0.H sreport 16565 6c 29ee9fGd。配的白白5 000G65a e2080a00generate psp packet seq 612B| seq 6 sre Id,0.0.1.0.d.8 des 10.白队2。.机电 5report 10565 SC 29»e9f0d 66604996 0000665a 92SBSaeegenerate psp packet seq 7iz&ll seq 7 sre 10,0.0

24、.iPe.eBe,e des n乱乱工内内刀刃 sreport xeses ec 29Be9f0d 66604097 0006605 0208006desport desport desport 加sport desport desport 加sport1676110761167611676116761167611076100GC2961 C03C0OOO0C2961 cS3eO0000C2961 c03eO00OQC2961 C03S0OOO0C2961 cS3eO0000C2961 c03eO00OQC2961 C03S0OCrooit(3localtiG5t TestPl#vi. Rou

25、teri建立路由表以及转发userlocalliost:/homa/userclick-2.o.l/c&nf/zxzcorif/rastPLHie Edit yiew Terminal AM Helproot0lccalhcst TestPll# . J r J. ./userleveVclick psp_router.clickPSPROfteTable： configure the psp route table .configure theIp:16777226 configure the ip；33554442psp route table port”psprcutetable

26、 port 共rr.la.9.6.1.e.e,e,e ： ePSPLookup ： configureroute table .Foruard PSPPkt: 128|由白白七四61 c&3e000c 296e9ffid鲍触醐峪 白酒的日电电PSPLookup PUSH.sre 1B.Q.0.1,0.6des 13.a.a.2.0.0.0.6 I 的配2961 c03e00flc 29fle9f0d 66664661 00000653 62680300 00010000 白白白白的的 6662660。呢日日929 09239053 00030666 5国随 see 90ieidee s

27、ceooooo 2aoooe&a ncky here look entry Find a Route for a PSP Packetthe output port is 0rt2: 128 | e60c29f4 dde6000c 290e9f3d 06664661 0000005 132138丽3。Forward PSP Pkt: 128 | 13。0c961 c03e000c 29加9fd 06QO4QQ2 0000335a 盟080a的 PSPLoOkup PUSH.sre ie.6.e.l,0.e,8 des 10,0.0.2.9.0.6.6 | 600C2961 cQ3eO&

28、amp;0C 290e9fOd 6666400 2 0。典5a 6268000 eeeiQQQQ 0。的呢眄。典2日强® 00000929 Q92a095a 9眄。眄典 5加四 sea eaieidBB 5c00OO0O isoooeee ricky here look entry Find a Route for a psp Packetvii. Router2建立路由表以及转发u$erlocalho5t;/home/u5er/clkk-2»0.1/confzxzconf/TestPl邱e £dit iew Terminal Jabs jjelpraotloca

29、lhost TestPl#/userlevel/clickPSPRouteTable： configLre the psproutetable psp router.clickconfigure the ip：16777226 configure the ip:33554442psp route table part：1p占p rautetable port:l,ie,G.e,i.e,0.o,9.116>B.8.2.8.S.0.Sroute table PSPLookup ： configure the p5PForward psp Pkt： ize | 0O9c29f4 ddesoeo

30、coeeoei eoaeeosa azesoaeoPSPLookup PUSH.,src 16.0.0.1.0.0.9.6 des 16.0.6.2.6.0.6.0 | 0fl0c29f4 d加励。凯 290e9f9d 66064901 mseea azseeafle e»eisees emoBase Beezsees eesee929 e92aeesa Geoeeeee see ease9 91eld08 5c00的。白 2目白白。0Mricky here look entryFind a Route for a psp Packetthe output port is 1rt2:

31、 12g |eeeczgee sfiroeec zsoegfod 的照4眦 1 迪日眈5a ezeeoaeeForward PSP Pkt: 126 | 崎匚29f4 d加B加股 299e9f9d 96004662 眈腼硼5a 82g8附硼PSPLookup PUSH.src iD,0,o.i,G.e,9.e des ie,0.e,2.fi,0,o,e | 钝配29f4 ddeeeeec 29超9f配。6肺钝鸵eeaeeosa 睚肥的日日 aeeieeae eeeooaoe oeo?seeo 00000929 092aee5a eeoeeaae sce&aee 9 901eld0B 5

32、C6006O0 28眦。股。ricky here look entryFind a Route for a PSP PacketViii.Client接受到数据包并打印U5erlocafhost:/home/user/click-2kD.L/conf/zxzconf/TestPLHie £dit View Terminal abs Jjelproat(aiocalho5t TestPl# , V- V- Vuserlevel/click printpsp.click128| 5eq 1 src 10.0.0.1.0.6.6.6 des 10.0.0.2.9.0.9.0 srcport

33、 1 | O00c29Oe 9f 17BQ0C 290e9fQd 66034061 96069053 626860128| 5eq 2 src 1日，日4.1.0 4工des 10.3. 3.2.T G. 3 srcport1 | O00C29Ge 9f17000c 290e&fQd 66034062 36069D5a 62086d60128 I 5eq 3 src IQ,0.9.1 .G Le Le.e des 19.9.9.2.0.9.9.9 SrtpOrt1 | O0C29Oe 9H7SQ0C 299e9f9d 66094963 9696905a 6268660128| seq

34、4 src iQ.s.s.i.e.e.e.e des 10.0.0.2.0.0.0.0 sreport1 I eseezgoe efiTSoec66694964 seaeoesa ezeaeaeo1281 seq 5 src is.s.fl.l.e.e.e.e des 19.0.0.2.0.0.9.9 sreport1 I O0ec29Oe 9f17SO0C 290C9f0d 66094065 96969053 6286360128| seq 6 src is.e.B.l.e.e.e.e d” 10.q.0.2.0.0.9.0 5report1 I essc290e 9fl70O0c 290e

35、9f&d 66e04ae& 蝇钝的5自 626863001281 seq 7 src 10.0.0.1.0.0.0.6 des 13.3.0.2.0.0.0.0 sreport1 I 600c290e 9H70O0C 299e9f0d 66604967 06000656 626866010505105051050510505105051050510565desportdesportdesportdesportdesportd&sportdesport1076107610761976107&107&1D7&5.结果总结实验采用通过模拟两台路由器之间

36、的路由转发来测试，从实验结果来看，Client从Eth1网口发送出去的数据包，进过Routeri和Router2的路由转发后，能成功到达目的端。该实 验结果说明，基于PSP艮文的路由转发功能完整实现。（二）基于Label的路由转发测试1 .实验拓扑图2 .配置文件3 .测试结果4 .结果总结（三）优先级队列调度功能测试1.实验拓扑图2.实验测试方法Client发送优先级不同的数据包到 Routeri。Routeri在接收到数据包后，根据数据包优先级不同，放置到相应的优先级队列 中。由于采用包限流调度算法，越高的优先级队列能在一秒内通过更多的数据包，越低的优先级队列通过的数据包个数越少。因此，低

37、优先级的数据包会被缓存在队列中，高优先级的数据包能 尽快地从队列中被读出，使得从优先级队列中读出数据包的顺序 和Client发送数据包的顺序会有差异。通过对比读出数据包和发 送数据包的顺序，我们就可以验证优先级队列调度的功能是否正 常、合理。Client发送数据包顺序如下：依次分别发送 5个优先级为n 的数据包，其中n从8变化到1,并循环往复。即发送5个优先 级为8的数据包，再发送5个优先级为7的数据包，并循环往复。其中我们设定数据包 QoS位的范围为1-8。其中1代表 最高优先级，8代表最低优先级。3 .配置文件1) Routeri接收端部分配置文件如下所示：c 二 Classifier(1

38、4/41, 14/42, 14/43, 14/44, 14/45, 14/46, 14/47, 14/48,-);ps 二 PrioSched;queue1 二 Queue(100);queue2 二 Queue(100);queue3 二 Queue(100);queue4 二 Queue(100);queue5 二 Queue(100);queue6 二 Queue(100);queue7 二 Queue(100);queue8 二 Queue(100);queue9 二 Queue(100);FromDevice(eth1) -> c;c0-> queue1 -> Sh

39、aper(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-> queue7 -> Shaper-> 6ps;c7-> queue8 -> Shaper-> 7ps; c8-

40、> queue9 -> Shaper(10) -> 8ps; ps -> Discard;根据数据包QoS勺不同，定义一个输出端口数为9的分类器。优先级调度组件PrioSched采用时间片调度方式。同时，定义了9个大小为100的队列，最后一个队列处理其他的数据包。4 .测试结果1) Client数据包发送顺序如下图所示:2) Router1从优先级队列中读出数据包的顺序如下图所示:对比以上数据包顺序，可以发现，产生数据包的优先级是从 大变化到小，而通过优先级队列的调度，从队列中读出的数据包 的优先级从小变化到大。由于对每秒读出各队列的数据包数量进行了限制，因此不会有产生

41、低优先级被饿死的现象5.结果总结（四）标签流按优先级分别进行限速功能测试1 .实验拓扑图报文接收方1）实验测试方法针对不同的优先级，设置RateLimit组件不同的参数以达到限速的目的，报文由发送方产生并在一秒钟之内发送200个报文给接收方，接收方接收时进行基于优先级的限速，并将结果进行打 印。2 .配置文件a)报文发送端FastPSPSource(200,200, 128,00:0c:29:34:3e:ad,0x800a000a,2345,00:0C:29:eb:05:0f,0x810a000a,2346) -> ToDevice(ethl);b)报文接收端二 Classifier(1

42、3/0041, 13/0042, 13/0043, 13/0044, 13/0045, 13/0046, 13/0047, 13/0048,-);queue1 二 Queue(100);queue2 二 Queue(100);queue3 二 Queue(100);queue4 二 Queue(100);queue5 二 Queue(100);queue6 二 Queue(100);queue7 二 Queue(100);queue8 二 Queue(100);queue9 二 Queue(100);ps 二 PrioSched;FromDevice(eth1) -> c;c0->

43、 queue1 ->Print("enter 0")->RateLimit(5)-> ps;c1-> queue2 ->Print("enter 1")-> RateLimit(4) -> 1ps;c2-> queue3 -> RateLimit(3) ->Print("enter 2")-> 2ps;c3-> queue4 -> RateLimit(2) ->Print("enter 3")-> 3ps;c4-> qu

44、eue5 -> RateLimit(1) ->Print("enter 4")-> 4ps;c5-> queue6 -> RateLimit(1) ->Print("enter 5")-> 5ps;c6-> queue7 -> RateLimit(1) ->Print("enter 6")-> 6ps;c7-> queue8 -> RateLimit(1) ->Print("enter 7")-> 7ps;c8-> qu

45、eue9 -> RateLimit(0) ->Print("enter 8")-> 8ps;ps -> Discard;3 .测试结果a）将所有优先级速率设为1（即一秒钟接收一个报文）的情况时,结果如下:uxr 序白 “I hosth'home/u 54J 口猛 topjtliM-工O.Llj5mI«v3I*Jternmaigs出h«fiwr技H |必喻:西电b加“兔烟1郭4眄射d w»w5aSZBPMeenter112B |日郭砧统29343e«deC4945bBweeesaB3BBBse4snr&#

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