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1. 研究目的与意义（文献综述）
软件定义网络（SoftwareDefinedNetwork，SDN）是由美国斯坦福大学CLeanState课题研究组提 出的一种新型网络创新架构，是网络虚拟化的一种实现方式。其核心技术OpenFlow通过将网络设备的控制面与数据面分离开来，从而实现了网络流量的灵活控制，使网络作为管道变得更加智能，为核心网络及应用的创新提供了良好的平台。SDN的整体架构由下到上（或称由南到北）分为数据平面、控制平面和应用平面。数据平面与控制平面之间利用SDN控制数据平面接口（control-data-plane interface，简称CDPI）进行通信，CDPI具有统一的通信标准，目前主要采用OpenFlow协议，控制平面和应用平面之间由SDN北向接口（northbound interface，简称NBI）负责通信，NBI允许用户按实际需求定制开发。而在经典SDN架构中加入可编程数据平面之后，就形成了一种全面可编程网络，它对网络的控制实现了完整的软件定义。可编程数据平面技术在最近几年得到广泛关注，它被认为是SDN2.0时代的代表技术，由于其进一步开放了网络的控制能力，使得我们能够对数据平面中处理数据包的方式进行更深度的掌控，同时它解耦了物理网络中转发逻辑与转发芯片之间的关系，让转发行为变得更加灵活可定制，更适合于与各种新技术进行整合。因此，随着网络专用设备向软件加“白盒”模式的过渡，对于提高运营商服务能力而言，融合SDN，数据平面可编程技术和网络虚拟化技术是一种充满前景的解决方案。这也正是本次论文的研究目的。对可编程数据平面的虚构网络技术的研究具有很大的意义，几乎所有的网络领域参与者都将从中获益。对于网络用户和网络服务供应商，通用可编程数据平面使得他们可以快速地开发新网络功能及部署新网络服务。网络用户可以从软件产业过去几十年已发展成熟的软件编程理论、软件工程实践和工具中受益。计算机软件工程师也能够很容易对网络数据平面设备进行编程、测试和调试，以一个完全可编程的方式来管理整个网络。对于网络芯片供应商，通用可编程数据平面使他们能专注于设计及改进那些可重用的数据包处理架构和基本模块，而不是纠缠特定协议里错综复杂的细节和异常行为。而且，一旦证明这些架构和基本模块可行，供应商就可以在多代交换芯片的设计中重复使用它们，不必为客户不断产生的新需求而反复修改。对于网络研究人员，通用可编程数据平面为他们验证新想法提供了新的契机。OpenFlow数据平面设备早期被广泛用于网络科研领域这一事实也证明了这一点。网络研究人员基于通用可编程数据平面可以快速搭建满足新实验需求的网络系统，不需要等待设备厂商的产品升级。并且相比传统网络数据平面，通用可编程数据平面让网络用户可以自定义数据包的完整处理流程，实现理想的协议无关网络数据处理。而当下的OpenFlow模型还无法成为一种完全的通用可编程数据转发模型，还无法实现协议无关的转发。只有实现了真正的通用可编程数据平面，才会真正释放网络的可编程能力，从而逐步实现网络的软件化和程序化。国内外有许多学者甚至企业都参与到了这一方面的研究当中。早在上世纪90年代，DAPRA就提出了主动网络这一新型网络体系架构，首次提出了面向定制化服务的可编程网络基础设施的想法，然而由于需求不明确，协议兼容性差等问题，主动网络并未得到实际部署。而在2006年，斯坦福大学的Martin Casado博士和他的导师Nick McKeown教授领导了一个关于网络安全和管理的项目Ethane，该项目通过一个集中式的控制器，使管理员能够方便的定义基于网络流的安全控制策略，并将其下发到网络设备中，从而实现高效的网络安全控制。在这之后，他们于2008年更进一步的提出了OpenFlow的概念，OpenFlow将控制平面与数据平面分离，为网络管理提供统一的编程模型，但OpenFlow的研究工作也主要是围绕在控制平面的可编程能力上，对数据平面的关注较少。而在2014年，Nick McKeown等人提出了可编程协议无关报文处理语言P4，其解决了OpenFlow自身设计所带来的可扩展性差的问题，并提出了相应的转发模型。借助 P4 带来的数据平面编程能力，管理员不仅可以实现诸如网桥、路由器、防火墙等已有的网络设备功能与网络协议，而且还可以很容易地支持包括 VxLAN、RCP在内的新协议。并且， 诸如带状态负载均衡、大流检测、分布式计算等工作现在也可以通过 P4 在数据平面上实现，从而大幅升性能。在2019年1月，清华大学计算机科学与技术系的林耘森萧，毕军等人发表了《基于P4的可编程数据平面研究及其应用》一文，文中详细介绍了P4的研究背景，语言架构，总结了P4存在的问题，并介绍了P4最新的研究进展等。除此之外，P4编程数据平面的研究也引起了学术界与工业界的广泛关注，近几年各大顶级会议和期刊上 P4 相关的学术论文大量涌现，包括谷歌、ATT、阿里巴巴、腾讯在内的超过 100 家世界知名大型公司加入P4语言联盟。
2. 研究的基本内容与方案
本文主要的研究内容与目标如下：
(1)软件定义网络和数据平面可编程的基本概念、技术特点，以及上述技术与网络虚拟化应用结合的国内外研究现状、技术发展趋势。
(2）可编程数据平面技术对数据平面中数据包处理方式的改变，物理网络中转发逻辑与转发芯片之间的关系，以及与各种新技术的整合现状。
3. 研究计划与安排
第1-3周：收集论文相关资料，学习相关背景知识，完成开题报告。
第4-5周：阅读参考文献，了解经典sdn架构，学习可编程平面知识和p4语言。
第6-7周：在虚拟机上使用ubuntu系统和python搭建p4环境
4. 参考文献（12篇以上）
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