FAST：基于FPGA的SDN交換機(jī)開源項(xiàng)目（一）

自1983年自由軟件運(yùn)動(dòng)領(lǐng)袖Richard Stallman提出了GNU計(jì)劃以來，開源為軟件開發(fā)帶來了創(chuàng)造性的革命和商業(yè)成功。SDN如今的快速發(fā)展也離不開開源社區(qū)的力量，比如NOX、Floodlight、OpenContrail、ONOS等開源項(xiàng)目極大的推動(dòng)了SDN產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。但SDN的開源大多都局限在控制器或軟件交換機(jī)的領(lǐng)域，數(shù)據(jù)平面的硬件開源項(xiàng)目始終沒有迎來一個(gè)百花齊放的春天，同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)研究領(lǐng)域，也沒有形成一個(gè)有序、規(guī)范、有創(chuàng)造力的生態(tài)圈，F(xiàn)AST的誕生或許可以提供一個(gè)嶄新的思路。

他山之石：NetFPGA的啟示
NetFPGA是斯坦福大學(xué)基于Linux開發(fā)的開放性試驗(yàn)平臺(tái)，能夠支持模塊化設(shè)計(jì)，可以使研究人員方便的在其上搭建Gb級(jí)的高性能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型。斯坦福大學(xué)剛開始研究OpenFlow項(xiàng)目的時(shí)候，就是基于NetFPGA實(shí)現(xiàn)了硬件加速的線速OpenFlow交換機(jī)。

自2009年開始，NetFPGA團(tuán)隊(duì)陸續(xù)將代碼和設(shè)計(jì)文檔在GitHub上公開，為四種規(guī)格的NetFPGA平臺(tái)分別建立wiki頁面和軟硬件開發(fā)指南，我們注意到開源給NetFPGA帶來了不少“紅利”：

（1）加速項(xiàng)目的版本迭代。由于開源能有效的共享資源，所以可以避免不必要的重復(fù)勞動(dòng)，以NetFPGA 1G為例，18個(gè)月間就更新了8個(gè)版本，大幅度節(jié)約了成本和時(shí)間。

（2）使項(xiàng)目設(shè)計(jì)和開發(fā)變得更加規(guī)范可靠。NetFPGA的設(shè)計(jì)文檔在開放平等的基礎(chǔ)上供公眾審查，200多份的設(shè)計(jì)文檔就有90余人的貢獻(xiàn)，足以說明在相互借鑒和比較的基礎(chǔ)上，能使硬件單元的設(shè)計(jì)能夠變得有序和規(guī)范。

（3）鼓勵(lì)創(chuàng)新項(xiàng)目的研究。由于源碼的開放，越來越多的研究人員開始關(guān)注到NetFPGA，并參與建立了許多基于NetFPGA的項(xiàng)目，比如開源網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀（OSNT），OpenFlow交換機(jī)等，可以研究下一代網(wǎng)絡(luò)提供有益的嘗試。

但是由于NetFPGA硬件平臺(tái)自身的局限性和對(duì)SDN交換機(jī)的關(guān)注度還不夠，所以，我們決定在GitHub上建立FAST開源項(xiàng)目，專注于SDN硬件交換機(jī)的設(shè)計(jì)和重構(gòu)，為SDN數(shù)據(jù)平面的研究提供真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境和案例，為高校網(wǎng)絡(luò)研究教學(xué)的發(fā)展添磚加瓦。

FAST的前世今生
FAST的基礎(chǔ)硬件應(yīng)用平臺(tái)是國內(nèi)自主研發(fā)的NetMagic[1]，與NetFPGA中板卡與主機(jī)緊耦合的方式不同，NetMagic采用控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面分離的方式，用戶使用自己的電腦，通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程管理配置NetMagic硬件，更具便攜性和可擴(kuò)展性。

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FAST（FPGA bAsed SDN swiThing）是國防科技大學(xué)師生提出的一種基于FPGA的可重構(gòu)交換架構(gòu)——將報(bào)文處理流程拆解成多個(gè)獨(dú)立報(bào)文處理階段，并為每個(gè)階段建立其相應(yīng)的模塊庫，開發(fā)者根據(jù)需要自由地選擇功能模塊來快速重構(gòu)報(bào)文處理流水線。這種“離線重構(gòu)”的方式能夠滿足多樣化的網(wǎng)絡(luò)需求，大幅度降低網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)開發(fā)的難度和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的開發(fā)周期。

如何增強(qiáng)轉(zhuǎn)發(fā)平面的靈活性和可擴(kuò)展性，關(guān)鍵在于對(duì)功能庫中模塊的自由選擇，而按照標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)建模塊庫，正是建立開源社區(qū)的意義所在。在FAST的開源過程中，不僅僅是公開代碼和設(shè)計(jì)文檔，而是既能將現(xiàn)有工作進(jìn)行整合復(fù)用，也能給開源數(shù)據(jù)平面設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持，推而廣之，F(xiàn)AST實(shí)際代表了一種規(guī)范化的FPGA交換機(jī)的開發(fā)模式。

硬件：將可重構(gòu)進(jìn)行到底
硬件部分的源代碼需要燒寫至FPGA上實(shí)現(xiàn)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)的功能，主要由以下三部分組成：

第一部分是FAST流水線模塊庫的代碼，這是實(shí)現(xiàn)不同報(bào)文處理邏輯的關(guān)鍵，不涉及用什么具體電路元件來實(shí)現(xiàn)，是通用且可編程的功能模塊，模塊使用FAST推薦的標(biāo)準(zhǔn)接口與其他模塊相連。用戶可根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的改變而重新選擇或改良流水線模塊的內(nèi)容，編譯出不同的案例，達(dá)到可編程網(wǎng)絡(luò)的需求。

第二部分是與開發(fā)平臺(tái)相關(guān)的邏輯代碼，比如在對(duì)數(shù)據(jù)通路和控制信息的處理上，NetMagic08采用以太網(wǎng)口通過NMAC協(xié)議來傳遞控制命令，而NetMagicPro和NetFPGA是通過PCIE讀寫寄存器來獲取控制信息。我們希望能廣泛支持各類FPGA硬件平臺(tái)。

第三部分是工程配置文件，用于指定所用硬件平臺(tái)和流水線模塊，便于不熟悉硬件開發(fā)的研究人員快速編譯運(yùn)行，可以根據(jù)實(shí)際需求來自行編寫配置文件。

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軟件：轉(zhuǎn)發(fā)平面的智囊團(tuán)
該軟件代碼實(shí)際上是交換機(jī)的管理軟件，與硬件代碼一起作為SDN的轉(zhuǎn)發(fā)平面，向上通過南向接口與控制器交互，實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下的手動(dòng)、自動(dòng)配置以及管理維護(hù)。分為以下四個(gè)部分：

第一部分是與平臺(tái)相關(guān)的適配通信庫，用戶態(tài)代碼實(shí)現(xiàn)可以用PC通過NMAC協(xié)議與NetMagic08通信，也可以將軟件部分放在帶有CPU的NetMagicPro平臺(tái)上通過DMA方式配置硬件流表，實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)發(fā)，具有高度的靈活性和適配性。

第二部分是核心管理軟件，表管理軟件用于TTP定義的流表管理維護(hù)，配置信息等，與硬件中的信息保持同步；算法相關(guān)軟件用于實(shí)現(xiàn)硬件查表，驗(yàn)證算法的性能和正確性；統(tǒng)計(jì)管理軟件主要對(duì)硬件轉(zhuǎn)發(fā)行為進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總，可在本地管理界面顯示，也可以通過南向接口協(xié)議傳輸?shù)娇刂破鲌?bào)告實(shí)時(shí)狀態(tài)。

第三部分是配置管理軟件，直接與SDN控制器交互，傳輸和展示本地配置流表信息，支持OpenFlow協(xié)議，未來也可以擴(kuò)展其他南向接口協(xié)議的開發(fā)與驗(yàn)證。

第四部分屬于轉(zhuǎn)發(fā)平面功能的延伸，是為了解決很多課題實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中需要借鑒SDN思想，但缺乏可定制化擴(kuò)展功能的問題。用戶只需要在擴(kuò)展模塊中添加適應(yīng)于自己的轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)，而無需關(guān)心南向接口與平臺(tái)適配的問題。

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FAST的征途：SDN科研創(chuàng)新與高校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)
目前，我們?cè)贜etMagic08上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)SDN交換機(jī)SDTS（Software-Defined Tunnel Switch），以LISP隧道封裝和基于端口轉(zhuǎn)發(fā)的模式，驗(yàn)證了BV算法對(duì)硬件匹配性能效果的提升，配合開源控制器Floodlight搭建了一個(gè)低成本、可重構(gòu)、易部署的SDN實(shí)驗(yàn)環(huán)境，后續(xù)能夠讓研究人員進(jìn)行SDN相關(guān)技術(shù)的實(shí)踐和驗(yàn)證。

FAST具有良好的可重構(gòu)特性，雖然目前采用的開發(fā)模式是從功能模塊庫中篩選與重組的方式，但在下一步的工作中，實(shí)現(xiàn)硬件資源的形式化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)軟件代碼重編譯為硬件代碼（例如Xilinx Vivado HLS，Altera Open CL），軟件開發(fā)者就可以單獨(dú)完成其底層功能模的設(shè)計(jì)與更新，能夠完美的支持P4的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

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SDTS演示現(xiàn)場(chǎng)

高校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)科研的需求是長期存在的，學(xué)生們?cè)谶M(jìn)行課程實(shí)驗(yàn)使需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)行為、協(xié)議的運(yùn)行原理進(jìn)行剖析，老師們也要需要進(jìn)行更精確的數(shù)據(jù)建模和算法驗(yàn)證。我們基于NetMagic08開發(fā)了一套教學(xué)案例NetlabSwitch，能夠支持協(xié)議觀測(cè)分析、令牌桶和輸出調(diào)度原理、SDN交換實(shí)現(xiàn)的原理等技術(shù)的研究，為網(wǎng)絡(luò)教學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了一個(gè)頗具代表性的示范。

FAST的目標(biāo)是為基于FPGA實(shí)現(xiàn)SDN交換機(jī)研究提供一個(gè)開源生態(tài)圈，在這個(gè)軟硬件皆可編程的開放架構(gòu)下，進(jìn)一步推動(dòng) SDN 交換技術(shù)的發(fā)展，營造和提升中國高校的開源文化氛圍。下一步國防科技大學(xué)、北京郵電大學(xué)、東南大學(xué)和湖南新實(shí)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究人員將共同組織規(guī)范的制定和編寫，制作典型案例demo，運(yùn)作開源社區(qū)。

如何使用FAST的源代碼，敬請(qǐng)關(guān)注SDNLAB后續(xù)的連載。