开题报告_成都理工大学

类号密级UDC编号成都理工大学硕士学位论文开题报告题目和副题目:基于树莓派的SDN智能接入网控制系统设计开题报告人:李天敏指导教师姓名及职称:陈金鹰教授申请学位级别:工学硕士专业名称:电子与通信工程研究方向:嵌入式系统设计开题报告提交日期:2016年6月14日目录1选题科学依据 (1)1.1课题研究背景与现状 (1)1.2课题研究目的与意义 (2)1.3课题研究内容 (2)1.4预期成果 (4)2课题关键技术及理论研究 (4)2.1PM2.5传感技术的分析 (4)2.2GPS定位技术的研究 (5)2.3气压传感技术的研究 (8)2.4SD卡存储技术的研究 (8)2.5液晶屏显示技术的研究 (9)2.6开发工具的选取 (10)3空气质量监测方案设计 (10)3.1空气质量监测器的需求分析 (10)3.2空气质量监测器的整体设计 (11)3.3空气质量监测器的具体模块设计 (12)3.3空气质量监测器的完成情况 (14)4工作计划 (14)5开题条件 (16)6参考文献 (17)1选题科学依据1.1课题研究背景与现状SDN诞生于2006年（中国教育网络编辑组，2013）。

2006年，在Martin Casado带领下，他的团队开始了一个名为Ehtane的关于网络安全与管理的项目的研究，该项目可以看作是SDN网络的前身。

Nick McKeown等在Martin Casado领导的Ehtane项目研究的基础上继续研究，时隔一年，文章OpenFlow:Enabling Innovation in Campus Networks（McKeown et al.，2008）首次提出了SDN框架的实例OpenFlow技术。

2011年3月，致力于SDN的发展和标准化的开放网络基金会(Open Network Foundation，ONF)成立。

2012年7月VMware以12.6亿美元收购软件定义网络的领军公司Nicira，在业界造成了很大的轰动。

SDN框架的提出，引起了国内外广泛的关注，随着SDN影响力的不断扩大，国内外研究机构、厂商、高校都在关注这个革新性的技术。

目前全球许多互联网公司、网络运营商、交换机厂商都致力于SDN网络的设计，Google公司设计研发的数据中心网络Google B4是目前最知名且影响最广泛的SDN商用案例，它的网络架构充分利用了SDN的核心思想，引入OpenFlow交换机，采用分布式的Controller架构，而且应用在流量密集、环境复杂的数据中心，最终将链路利用率提高到了90%以上。

推动SDN发展的机构主要是ONF机构，它是一个用户主导的组织，成立于2011年，也是最早的SDN组织，其中的组织成员多为互联网公司。

ONF旨在推动SDN的标准化，制定并发布OpenFlow技术标准（左青云等，2013）。

2015年，ONF与EANTC合作，EANTC是全球最大、最著名的承载网设备技术互通中心，其技术力量雄厚，具有很强的权威性与号召力，每年参加其互通测试的业界知名通信厂商厂家多达数十个。

这是一次国际认可并且对于推动SDN技术发展非常有帮助的一次合作。

成立于2013年的ODL公司，其成员主要为网络设备厂商，其研发的OpenDayLight项目具有非常重要的意义，ODL主要为了打造一个开源的SDN平台框架。

另外还有ONRC、IETF、NFV、OCP等组织都在致力于SDN的研究，建立各自的标准，国外的SDN已经逐步商业化和产业化。

在国内，2012年成立的中国SDN与开放网络专业委员会标志着我国也正式跨入SDN架构的研究，加入SDN发展的潮流。

国内的各大商家也加入了SDN 相关的组织，目前的863项目《未来网络体系结构创新环境》、973项目《软件定义的云数据中心网络基础理论与关键技术》都体现了我国对于SDN也给予的高度重视。

对于OpenFlow技术的实现有很多方式，目前国内外很多文献都对OpenFlow 的实现进行了研究，Ibáñez G et al.（2010）对OpenFlow在Linux平台的实现以及FPGA平台的实现进行了对比，Naous et al.（2008）对FPGA平台的OpenFlow 网络承载性进行了研究，Dieg et al.（2010）对嵌入式Linux平台的OpenFlow实现进行了研究。

通过对比文献中在不同平台的OpenFlow技术的实现，以及Liu （2014）对不同性能FPGA芯片实现OpenFlow的数据速率和可编程性进行了统计研究，从可编程性和效率的综合考虑，在本设计中采用FPGA平台用以实现OpenFlow技术中的数据转发功能，PC上位机中完成控制器功能。

SDN框架的目标之一就是为网络开发通用的硬件，而设计中基于FPGA实现的OpenFlow技术具有可编程接口，从而完成在多运营商之间建立标准硬件。

1.2课题研究目的与意义伴随着云计算及其相关业务的发展，服务器的应用需求产生了爆炸性的增长（饶少阳等，2014）；随着社交网络、移动互联网、物联网等业务领域的快速发展，大数据正日益成为焦点，这需要网络能够处理海量的数据，这些发展导致传统网络支撑的结构变得日渐繁杂、运行越来越缓慢，传统的网络难以满足云计算、大数据，以及相关业务提出的灵活的资源需求（Feamster et al.，2014），在这一背景下新的网络工作架构软件定义网络（Software Defined Networks，SDN）产生了。

传统网络框架是静止和不可编程的，并且控制层和转发层的耦合度高（张卫峰，2014），数据流控制策略直接编程到硬件设备中，一旦定义了数据的流控制策略，那么改变流控制策略的唯一方式只有重新配置硬件，这给网络操作员带来更多的困扰，增加了企业管理网络的成本。

另外传统网络架构的带宽无法按需进行分配，无法对全网、全部链路做出实时流控（雷葆华等，2013）9。

通过对SDN架构的研究，结合赵慧玲（2012），王茜(2013），Sezer（2013），戴彬（2014）的文章总结出SDN从两个方面去解决了传统网络架构的缺陷：首先SDN架构将传统网络的控制层面和物理转发层面剥离开来，分成了两个独立的部分，由此SDN网络就能摆脱传统交换机、路由器造成的限制，用户能够方便地修改SDN 网络的架构。

同时SDN网络能够与传统网络兼容，底层设备若为传统的交换机、路由器，数据转发方式亦可按照传统网络中的方式进行转发，这样能够降低网络改造的成本；其次SDN将传统网络中的各个网络层次、各种网络设备虚拟为可统一管理的资源，任何应用、设备都必须经由这个控制器才能使用这些资源，这样SDN就将应用和网络资源紧密地联系在了一起。

在SDN中，用户在控制器上输入流表，下发转发规则至SDN交换机，经过SDN交换机的数据包就根据这些流表规则转发（邓书华等，2014）。

这种新的网络架构通过开放接口进行通信，给予软件所有控制权，并让硬件尽可能地高性能。

SDN网络架构的让网络相关业务的更新换代变得更加迅速，因此SDN硬件解决方案的上市时间比以往更加重要。

硬件系统平台是系统设计、板级设计。

机械设计与SoC选择或设计的组合体，需要采取专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）、网络处理器（network process units，NPU）或现场可编程门阵列（Field－Programmable Gate Array，FPGA）途径得以实现。

使用定制的ASIC大约需要三年的时间才能完成网络硬件的设计、构架和实现。

NPU是一种专门为网络应用而设计可编程商用芯片，但是它们需要专有的编程模型使得技术人员难以对其进行更改，并且它带宽有限。

FPGA平台具有高灵活性、高性能，并且在FPGA平台上能够及时修改寄存器转换级电路（Register Transfer Level，RTL），能够在进行设计的同时方便地针对性能和规模进行优化。

此外，FPGA拥有丰富的知识产权核（Intellectual Property Core，IP核），优化的存储器和卓越的输入/输出端口（input/output，I/O）模块等性能，使得FPGA更适合运用于SDN网络。

Corsa公司采用赛灵思Virtex-x器件，用六个月时间开发了一种解决方案，以满足SDN上市时间的需求（Kumar，2015）。

本课题在Ubuntu操作系统中，利用Mininet和Floodlight从软件角度搭建并模拟了SDN通信网络，测试SDN网络的组网功能、性能及工作流程，为硬件平台搭建基础SDN网络系统提供参考。

此外，通过研究FPGA硬件架构以及FPGA 编程语言超高速集成电路硬件描述语言（Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language，VHDL）的工作原理等，结合SDN可编程性和灵活性的目标，利用FPGA的丰富的IP核、存储器、I/O和可重复编程性，提出了基于FPGA的SDN转发器系统的设计，包括上位机控制器软件、主机通信软件、FPGA转发器的设计，该系统利用了FPGA的可编程特性，完成SDN框架的通用可编程接口目标；利用FPGA优化的存储器，完成数据包的交换。

1.3课题研究内容本课题针对目前提出的SDN网络构架，分析研究了其网络构架及核心技术。

在Ubuntu操作系统中，利用Mininet和Floodlight从软件角度搭建并模拟了SDN通信网络，测试SDN网络功能；提出使用PC机作为SDN控制器，FPGA 作为SDN硬体层面转发器，设计具有基本SDN转发功能的SDN转发器，实现ping通信。

另外，上位机控制软件控制转发器的流表项，从而更改转发路径。

流表项格式采用OpenFlow流表格式存储，实现各协议的数据均能与流表项中的项进行对比，从而实现控制器与转发器相分离的数据转发功能。

主要研究工作体现在如下几方面：（1）SDN网络相关理论知识的分析研究SDN网络的基本架构，研究传统交换机的核心技术，分析OpenFlow 交换机的基本原理、工作核心、关键技术。

（2）基于Mininet和Floodlight的SDN网络的设计及搭建分析对比目前常用的SDN组网软件及SDN控制器，在软件环境下搭建SDN 网络，测试其组网功能、性能以及工作流程，分析网络拓扑，操作SDN通信系统。

（3）控制软件的设计PC机中的控制软件具备更改转发其流表项功能，控制软件将新的转发路径经由串行数据线传送至转发器，从而更改转发路径。

此外，控制器软件还能够实时监听网络拓扑中的消息。

（4）用户通信软件的设计用户电脑中的通信软件具备与其他用户通信的功能，能够测试与指定IP用户的连通性，并能够收发来自其他设备的消息。