專利名稱：一種基于NetFPGA的可編程虛擬路由器內部通信方法
技術領域：
本發(fā)明涉及通信及計算機技術領域，具體是一種基于NetFPGA的可編程虛擬路由器內部通信方法。
背景技術：
未來互聯(lián)網體系結構、協(xié)議、算法與實現(xiàn)技術都需要大量的理論分析和仿真實驗， 更需要在實驗網絡系統(tǒng)中進行評估和驗證。為了提供驗證其算法和新協(xié)議的平臺，保證不破壞現(xiàn)有的網絡結構又能夠利用真實的網絡流量驗證算法和協(xié)議，研究者們提出了可編程虛擬化路由器技術。
可編程虛擬路由器包括轉發(fā)硬件和虛擬路由器兩部分轉發(fā)硬件的核心是 NetFPGA板卡(用于網絡的可編程門陣列，由斯坦福大學開發(fā))，完成數(shù)據包接收和發(fā)送；虛擬路由器運行于操作系統(tǒng)為CentOS的主機上，由虛擬化軟件OpenVZ(基于Linux內核和作業(yè)系統(tǒng)的操作系統(tǒng)級虛擬化技術)生成，完成路由計算和路由交換功能。轉發(fā)硬件和虛擬路由器之間通過主機操作系統(tǒng)通信。
然而，目前對可編程路由器的研究都還停留在原型構造階段，只是對路由器的整體架構進行了描述，沒有涉及到內部的實現(xiàn)細節(jié)，即使是一些已經做出原型系統(tǒng)的設計，其著眼點也放在硬件的設計與開發(fā)上，對整體的通信過程也僅僅是作出一個概括性的描述， 而沒有給出一個具體可行的方案。發(fā)明內容
本發(fā)明解決的問題是在Linux內核支持數(shù)據包轉發(fā)的基礎上，提供一種虛擬可 編程路由器的內部通信方法，使得虛擬路由器與網絡上其他路由器、虛擬路由器與底層硬件之間正確的交換數(shù)據包。
本發(fā)明采用了以下技術方案一種基于NetFPGA的可編程虛擬路由器內部通信方法，包括以下步驟捕獲進入Linux 內核的NetFPGA數(shù)據包，將該數(shù)據包封裝后發(fā)送到虛擬路由器；經所述虛擬路由器處理后的數(shù)據包通過主機操作系統(tǒng)轉發(fā)出去，并將路由信息部署到NetFPGA中。
A、初始化建立以下模塊數(shù)據包入口設備檢查模塊；產生虛擬網卡nf的網卡虛擬模塊，nf的MAC稱為vMAC ;數(shù)據封裝模塊，在數(shù)據包封裝模塊存放vMAC_VR映射表(虛擬網卡-虛擬路由器映射表，包含nf網卡MAC地址vMAC，虛擬路由器標識符VRID，虛擬路由器網卡veth的MAC地址veMAC和IP地址velP), nfc信息表(NetFPGA板載網卡nfc的配置信息，包括網卡名稱interface，MAC地址，IP地址)；數(shù)據分發(fā)模塊，信息接收模塊。
B、在Linux內核網絡協(xié)議棧入口處設置數(shù)據包入口設備檢查模塊，檢查每一個流 Λ Linux內核的數(shù)據包的入口設備名稱。
C、如果入口設備名稱為nfc則觸發(fā)數(shù)據封裝模塊，并將該流入Linux內核的數(shù)據包緩沖區(qū)skb (數(shù)據包在Linux內核中的表現(xiàn)形式)和入口設備名稱nfc傳送到數(shù)據封裝模塊，由數(shù)據封裝模塊將skb封裝到一個新的IPv4數(shù)據包，然后該新的數(shù)據包通過Linux 內核發(fā)送到虛擬路由器；由NetFPGA板卡發(fā)送給主機的數(shù)據包包括三類a.路由信息包， b.需要進行路由計算的普通數(shù)據包，c.出錯數(shù)據包，a、b、c三類統(tǒng)稱為P1。
D、如果入口設備名稱不為nfc，則不作任何處理。
在步驟C之后還包括如下步驟Cl、在數(shù)據包封裝模塊接到觸發(fā)通知后，獲取skb中的協(xié)議數(shù)據區(qū)skb->head中的MAC 地址字段即dMAC，將dMAC與在vMAC-VR映射表中的表項vMAC比較，查找對應的VR( Virtual Router)信息的IP地址velP (虛擬路由器IP地址)和MAC地址veMAC (虛擬路由器MAC地址)。
C2、如果在vMAC-VR映射表中找到對應此MAC地址的VR信息，則查找nfc信息表， 查到入口設備的MAC地址nfcMAC和入口設備的IP地址nfcIP，將該skb中包含的協(xié)議數(shù)據區(qū)skb_>head封裝到一個新的IPv4數(shù)據包newHead中，對于步驟C中所述的三種數(shù)據包封裝方法相同；否則將數(shù)據包丟棄。
C3、將步驟C中所述數(shù)據包Pl中的skb_>head替換為skb_>newHead，替換后的數(shù)據包稱為P2,替換步驟為釋放skb_>head,并將skb_>head賦值為NULL ;將skb_>head指向 newHead,即skb_>head=newHead ;重新對P2作CRC校驗,然后將P2送回內核網絡協(xié)議棧處理隊列，數(shù)據包P2會由Linux內核自動轉發(fā)到指定虛擬路由器。
C4、數(shù)據分發(fā)模塊會將虛擬路由器網卡veth設置為混雜模式，采用Iibpcap庫 (Packet Capture library,即數(shù)據包捕獲函數(shù)庫)抓取veth上的數(shù)據包,將抓取到的數(shù)據包P2去掉協(xié)議頭后，得到與Pl數(shù)據相同 的P3，將P3解包后得到獲取目的MAC地址即dMAC， 然后將dMAC與虛擬路由器的網卡nf的MAC地址比較。
C5、如果比較結果相同，則將此數(shù)據包送往此虛擬網卡η。
C6、如果比較結果不同，則將此數(shù)據包丟棄。
所述步驟C5之后還包括C7、送往網卡nf的數(shù)據包P3由上層路由軟件(如XORP或者Qugga等)讀取，對于C3中所述數(shù)據包Pl的a、c兩類，路由軟件處理后沒有任何輸出，對于數(shù)據包Pl的b類，經處理后得到與Pl結構相同的P4，將P4封裝成以太網數(shù)據包P5 (如圖6)后從網卡veth發(fā)送出去。
CS、在虛擬路由器之外，即主機操作系統(tǒng)內，位于主機操作系統(tǒng)的用戶空間路由信息接收模塊通過監(jiān)控網關venet,捕獲每一個從veth發(fā)送出去的數(shù)據包(ARP廣播包),對其中抓取的數(shù)據包P5，去掉以太網首部后，得到P4，根據P4中的目的IP地址及目的MAC地址， 形成一條路由信息。通過調用NetFPGA的驅動程序API將路由信息部署到NetFPGA中；數(shù)據段通過Iibnet函數(shù)庫封裝成標準IPv4數(shù)據包P6由主機操作系統(tǒng)的網卡發(fā)送出去。
具體地，利用TUN/TAP模擬與所述NetFPGA所帶網卡數(shù)量相同的路由器虛擬網卡 veth，使虛擬路由器更加貼近真實環(huán)境。
具體地，通過Iibnet將經虛擬路由器處理后的數(shù)據包封裝成一個ARP廣播包，并通過路由器虛擬網卡veth發(fā)送出去。
信息接收模塊監(jiān)控網關venet，對每一個發(fā)送出去的ARP廣播包，解包后去掉以太網首部，分析數(shù)據段內容獲取路由信息，然后將數(shù)據段發(fā)送出去，通過調用NetFPGA的API將路由信息部署到NetFPGA中。
所述通過Iibnet將經虛擬路由器處理后的數(shù)據包封裝成一個ARP廣播包的步驟包括調用libnet_init_packet初始化一個數(shù)據包；調用libnet_build_ethernet封裝一個以太網數(shù)據包；libnet_open_raw_sock打開一個套接字；調用libnet_write_link_ layer發(fā)送一個鏈路層數(shù)據包。
具體地，所述獲取路由信息的步驟包括通過Iibpcap庫抓取網關venet上的數(shù)據包，去掉以太網首部，獲得數(shù)據段；申請一段新的緩沖區(qū)，將所述數(shù)據段的第7 12字節(jié)、31 35字節(jié)復制進去，然后調用ioctl命令將其部署到NetFPGA中；通過Iibnet將所述數(shù)據段發(fā)送出去。
本發(fā)明通過一種隧道方式將NetFPGA反饋給主機的數(shù)據包分發(fā)到相應的虛擬路由器，依托于內核網絡協(xié)議棧內的Netfilter框架，僅通過少量代碼就能夠實現(xiàn)傳輸目的， 加快了數(shù)據包在傳輸過程中的時延，減少了部署的難度；模擬了 NetFPGA的接口特性，使用戶在使用中更加貼近真實環(huán)境；可編程虛擬化路由器是未來網絡研究項目中重要的試驗平臺，本發(fā)明填補了其研究中虛擬路由器內部通信方法缺失的空白。


圖1為系統(tǒng)結構示意圖；圖2為NetFPGA原始數(shù)據包Pl格式；圖3為vMAC_VR映射表，VRID為虛擬路由器編號，vMAC是虛擬網卡nf的MAC地址， veMAC、velP為虛擬路由器網卡ve th的MAC地址和IP地址；圖4為nfc信息表，此表包含了 NetFPGA板載網卡的信息，包括MAC地址和IP地址； 圖5為封裝數(shù)據包newHead格式；圖6為封裝數(shù)據包P5格式；圖7為虛擬路由器接收數(shù)據包流程圖；圖8為數(shù)據包發(fā)送及路由信息部署流程圖。
具體實施方式
本發(fā)明基于NetFPGA的可編程虛擬路由器通信方法需要設置以下功能模塊數(shù)據包入口設備檢查模塊通過讀取每一個流入Linux內核的數(shù)據包緩沖區(qū)skb的input_dev結構,獲取輸入設備的名稱。
數(shù)據封裝模塊將從NetFPGA送往主機的原始數(shù)據包封裝到一個新的IPv4數(shù)據包內，并初始化vMAC_VR映射表和nf信息表；網卡虛擬模塊在OpenVZ虛擬機通過TUN/TAP虛擬出多個以太網虛擬網卡nf，TUN是操作系統(tǒng)內核中的虛擬網絡設備，向運行于操作系統(tǒng)上的軟件提供與硬件的網絡設備完全相同的功能，供虛擬路由器使用；網卡nf有如下特性操作系統(tǒng)通過TUN/TAP設備向綁定該設備的用戶空間的程序發(fā)送數(shù)據，反之，用戶空間的程序也可以像操作硬件網絡設備那樣，通過TUN/TAP設備發(fā)送數(shù)據。在后種情況下，TUN/TAP設備向操作系統(tǒng)的網絡棧投遞(或 “注入”)數(shù)據包，從而模擬從外部接受數(shù)據的過程；初始化虛擬路由器VR標識符VRID。
數(shù)據分發(fā)模塊捕捉虛擬路由器網卡veth上的數(shù)據包，并將其中的NetFPGA數(shù)據包寫入對應的網卡nf ；信息接收模塊通過偵聽網關venet，分析由網卡veth發(fā)送出去的數(shù)據包，獲取路由信息，并通過調用NetFPGA的驅動程序API將路由信息下發(fā)到NetFPGA中。
本發(fā)明包括以下步驟步驟一將所述數(shù)據包入口設備檢查模塊設置在Linux內核網絡協(xié)議棧入口處，即在內核協(xié)議棧入口函數(shù)netif_receive_skb出增加一個函數(shù),對進入內核的每一個數(shù)據包緩沖區(qū)skb,檢查緩沖區(qū)內成員in_device的值，即入口設備的名稱。
步驟二 如果入口設備的名稱不是nfcx(x為網卡編號)，則不做任何處理，將該數(shù)據包送回內核數(shù)據包處理隊列；如果入口設備的名稱為nfcx，則觸發(fā)數(shù)據封裝模塊，并將該數(shù)據包緩沖區(qū)skb和輸入設備名稱nfcx傳遞給該模塊；由NetFPGA板卡發(fā)送給主機的數(shù)據包包括三類a.路由信息包，b.需要進行路由計算的普通數(shù)據包，c.出錯數(shù)據包，對于這三類信息包，封裝方法相同，將其統(tǒng)稱為P1。
步驟三獲取步驟二中所述數(shù)據包Pl的協(xié)議數(shù)據區(qū)skb->head中7 12字節(jié)所包含的目的MAC地址dMAC，并根據此MAC地址與vMAC-VR映射表(如圖3 )中的表項vMAC比較，查找對應虛擬路由器VR自帶網卡veth的MAC地址veMAC及IP地址velP。
步驟四如果沒有在映射表中找到對應信息，則將此數(shù)據包丟棄；如果在映射表中查找到對應信息，再次根據網卡名稱nfcx查找nfc信息表(如圖4)，查找輸入設備nfcx 的MAC地址nfcMAC及IP地址nfcIP，根據這些信息封裝一個新的IPv4數(shù)據包newHead， 數(shù)據包格式如圖5，以太網首部中源MAC地址為nfcMAC，目的MAC地址為veMAC，類型字段 type為0x0800，IP首部中源IP地址為nfcIP，目的IP地址為velP，protocol為177，IP數(shù)據段包括VRID和傳遞進來的數(shù)據包協(xié)議數(shù)據區(qū)skb->head。
步驟五將步驟二中所述數(shù)據包Pl的協(xié)議數(shù)據區(qū)skb->head替換為新封裝的數(shù)據包skb->newHead，并重新作CRC校驗，此時數(shù)據包Pl變成數(shù)據包P2，最后將整個緩沖區(qū)skb 送回內核協(xié)議棧處理隊列，Linux內核會將數(shù)據包自動轉發(fā)到對應的虛擬路由器。
步驟六數(shù)據分發(fā)模塊將OpenVZ虛擬機自帶網卡veth設置為混雜模式，捕捉、分析到達網卡數(shù)據包，如果是一個IPv4數(shù)據包并且protocol字段是177，則這個數(shù)據包是 P2，去掉P2的以太網首部和IP首部，讀取VRID字段并與本路由器的VRID比較，如果不同， 則將數(shù)據包丟棄；如果VRID相同，去掉VRID段，得到結構、數(shù)據與Pl相同的數(shù)據包P3。
步驟七讀取P3的第7 12字節(jié)，獲取目的MAC地址，即dMAC，分別與由網卡虛擬模塊產生的各個虛擬網卡nfx (X為網卡編號)的MAC地址比較，如果MAC地址相同，則將 P3寫入該網卡。
步驟八寫入nfx的數(shù)據包P3，會由路由軟件，如X0RP、Qugga等讀取并處理，對于步驟三中所述數(shù)據包Pl中的a、c兩類，經過路由軟件處理后不會有任何輸出，Pl中的b類經過處理后會產生格式與P3相同的數(shù)據包P4，P3與P4內容上唯一不同的地方是P4的目的MAC被路由軟件修改成了下一跳的MAC地址。
步驟九通過Libnet將P4封裝成一個以太網數(shù)據包P5 (如圖6)，源MAC地址為 veth的MAC地址veMAC，目的MAC地址為廣播地址FF: FF: FF: FF: FF: FF, TYPE字段為OxCCFE， payload (負載)為P4,然后通過網卡veth直接發(fā)送出去；封裝的具體步驟包括1.調用libnet_init初始化一個數(shù)據包；2.根據步驟九中所述的信息，調用libnet_build_ ethernet將P4封裝成一個以太網數(shù)據包P5 ；3.調用libnet_write將數(shù)據包P5發(fā)送出去。
步驟十路由信息分析模塊監(jiān)控位于主機操作系統(tǒng)內的網關venet，抓取從veth 上面發(fā)送出去的數(shù)據包，分析這些數(shù)據包中以太網首部中的目的MAC地址和TYPE字段，如果目的MAC地址為FF:FF:FF:FF:FF:FF，TYPE字段為OxCCFE,那么這個數(shù)據包就是步驟九中所述的從網卡veth發(fā)送出去的數(shù)據包P5，去掉數(shù)據包P5的以太網首部區(qū)域，獲取經路由軟件處理后產生的數(shù)據包P4。
步驟^^一 分析P4,獲取目的MAC地址和目的IP地址,記錄成一條路由信息,通過 NetFPGA提供的參數(shù)，調用ioctl將信息存儲至NetFPGA中。
步驟十二 將P4通過主機自帶網卡ethx發(fā)送出去。具體步驟包括1.分析P4以太網首部，獲取源MAC地址、目的MAC地址、TYPE字段，IP首部的ihl (首部長度)、TOS (服務類型)、tot_len (總長度)、TTL (生存時 間)、protocol (協(xié)議)、源IP地址、目的IP地址， payload (負載)指針；2.調用libnet_init初始化一個數(shù)據包；3.根據步驟I中所述的11 條信息，調用libnet_build_ipv4創(chuàng)建一個標準IPv4數(shù)據包P6 ；4.調用libnet_write將數(shù)據包P6發(fā)送出去。
權利要求
1.一種基于NetFPGA的可編程虛擬路由器內部通信方法，其特征在于，包括以下步驟 捕獲進入Linux內核的NetFPGA數(shù)據包，將該數(shù)據包封裝后發(fā)送到虛擬路由器； 經所述虛擬路由器處理后的數(shù)據包通過主機操作系統(tǒng)轉發(fā)出去，并將路由信息部署到NetFPGA 中。
2.根據權利要求1所述一種基于NetFPGA的可編程虛擬路由器內部通信方法，其特征在于所述捕獲進入Linux內核的NetFPGA數(shù)據包，將該數(shù)據包封裝后發(fā)送到虛擬路由器的步驟包括 初始化建立數(shù)據封裝模塊，在數(shù)據封裝模塊中存放vMAC-VR映射表和nfc信息表； 在Linux內核網絡協(xié)議棧入口處設置數(shù)據包入口設備檢查模塊，檢查每一個流入Linux內核的數(shù)據包的入口設備名稱； 如果入口設備名稱為nfc則觸發(fā)數(shù)據封裝模塊，并將該流入Linux內核的數(shù)據包緩沖區(qū)skb和入口設備名稱nfc傳送到數(shù)據封裝模塊，由數(shù)據封裝模塊將skb封裝到一個新的IPv4數(shù)據包，然后該新的數(shù)據包通過Linux內核發(fā)送到虛擬路由器； 如果入口設備名稱不為nfc則不作任何處理。
3.根據權利要求2所述一種基于NetFPGA的可編程虛擬路由器內部通信方法，其特征在于所述數(shù)據封裝模塊將skb封裝到一個新的IPv4數(shù)據包的步驟包括 獲取skb中的協(xié)議數(shù)據區(qū)skb->head中的MAC地址字段，并在vMAC_VR映射表中查找VR信息的IP地址，即虛擬路由器IP地址veIP和虛擬路由器MAC地址veMAC ； 如果在vMAC-VR映射表中找到VR信息，則查找nfc信息表，查到入口設備的MAC地址nfcMAC和入口設備的IP地址nfcIP，將該skb中包含的協(xié)議數(shù)據區(qū)skb_>head封裝到一個新的IPv4數(shù)據包newHead中；否則將數(shù)據包丟棄。
4.根據權利要求1所述一種基于NetFPGA的可編程虛擬路由器內部通信方法，其特征在于利用TUN/TAP模擬與所述NetFPGA所帶網卡數(shù)量相同的路由器虛擬網卡veth。
5.根據權利要求1所述一種基于NetFPGA的可編程虛擬路由器內部通信方法，其特征在于所述經所述虛擬路由器處理后的數(shù)據包通過主機操作系統(tǒng)轉發(fā)出去，并將路由信息部署到NetFPGA中的步驟包括 通過I ibnet將經虛擬路由器處理后的數(shù)據包封裝成一個ARP廣播包，并通過路由器虛擬網卡veth發(fā)送出去； 信息接收模塊監(jiān)控網關venet，對每一個發(fā)送出去的ARP廣播包，解包后去掉以太網首部，分析數(shù)據段內容獲取路由信息，然后將數(shù)據段發(fā)送出去，通過調用NetFPGA的API將路由信息部署到NetFPGA中。
6.如權利要求5所述的一種基于NetFPGA的可編程虛擬路由器內部通信方法，其特征在于所述通過Iibnet將經虛擬路由器處理后的數(shù)據包封裝成一個ARP廣播包的步驟包括調用libnet_init_packet初始化一個數(shù)據包；調用libnet_build_ethernet封裝一個以太網數(shù)據包；libnet_open_raw_sock 打開一個套接字；調用 libnet_write_link_layer發(fā)送一個鏈路層數(shù)據包。
7.如權利要求5所述的一種基于NetFPGA的可編程虛擬路由器內部通信方法，其特征在于所述獲取路由信息的步驟包括通過Iibpcap庫抓取網關venet上的數(shù)據包，去掉以太網首部，獲得數(shù)據段； 申請一段新的緩沖區(qū)，將所述數(shù)據段的第7 12字節(jié)、31 35字節(jié)復制進去，然后調用ioctl命令將其部署到NetFPGA中； 通過Iibnet將所述數(shù)據段發(fā)送出去。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于NetFPGA的可編程虛擬路由器內部通信方法，其包括以下步驟通過檢查進入Linux內核的數(shù)據包的入口設備，將其中設備名稱為nfc的數(shù)據包封裝到一個新的IPv4數(shù)據包內，目的MAC地址和IP地址為虛擬路由器網卡veth的MAC地址和IP地址，發(fā)送到虛擬路由器，去掉封裝包的以太網首部和IP首部，分析其數(shù)據段并寫入對應網卡，由路由軟件處理后，將數(shù)據包通過主機操作系統(tǒng)發(fā)送出去，路由信息通過調用ioctl部署到NetFPGA中。加快了數(shù)據包在傳輸過程中的時延，減少了部署的難度。
文檔編號H04L12/741GK103001883SQ20121054686
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月17日 優(yōu)先權日2012年12月17日
發(fā)明者徐川, 趙磊, 唐紅, 趙國鋒 申請人:重慶郵電大學