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题目和副题目: :基于基于树莓派树莓派的的 SDNSDN 智能接入网控制系统设计智能接入网控制系统设计开题报告人开题报告人: :李天敏李天敏指导教师姓名及职称指导教师姓名及职称: :陈金鹰教授陈金鹰教授申请学位级别申请学位级别: : 工工学学硕士硕士专业名称专业名称: : 电子电子与通信工程与通信工程研究方向研究方向: :嵌入式系统设计嵌入式系统设计开题报告提交日期开题报告提交日期: :2012016 6 年年 6 6 月月 1 14 4 日日成都理工大学信息与技术学院开题报告I目目录录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成都理工大学信息与技术学院开题报告11 1选题科学依据选题科学依据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 框架的成都理工大学信息与技术学院开题报告2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（FieldProgrammable 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 更适合成都理工大学信息与技术学院开题报告3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。