FAST的目標是面向SDN的教學與科研，基于開源方式開發(fā)出一套以FPGA為核心的SDN交換機實現(xiàn)代碼，包括FPGA硬件源碼以及交換機中CPU上運行的相關(guān)軟件源碼。

參與SDN科研與教學的研究人員、教師和學生不但能夠直接利用這些源碼，在FAST支持的FPGA交換平臺上生成可運行的SDN交換機，并與通用SDN控制器，如floodligjt，ODL等，互連組建自己的SDN網(wǎng)絡；而且能夠直接參與到FAST交換機的開發(fā)中，編寫并提交自己的FPGA功能模塊或軟件程序，擴充現(xiàn)有FAST交換機的功能。

一、FAST的代碼組成

FAST項目代碼主要有三個來源。一是2011-2015年期間，國防科大計算機學院研究生參加《路由器原理與設計》實驗課中基于NetMagic08平臺的課程設計成果；二是2012年以來，國防科大、香港理工大學、北京郵電大學、東南大學、中科院計算所等單位基于NetMagic08和NetMagic Pro平臺進行的互聯(lián)網(wǎng)測量、SDN交換和軟件定義的實驗床等相關(guān)開發(fā)成果；三是湖南新實網(wǎng)絡科技有限公司基于NetMagic08開發(fā)的網(wǎng)絡教學案例NetEXP的設計代碼。

這些來自多個FPGA交換項目的代碼包括FPGA硬件設計代碼（Verilog程序），交換機上CPU運行的控制軟件代碼，以及組成相關(guān)demo需要的其他代碼（如基于RESTAPI編寫的APP代碼），詳細組成如下表所示。

硬件代碼

IPv4/IPv6/LISP協(xié)議報文的分析代碼；?
精確匹配查表算法實現(xiàn)代碼；?
支持掩碼的查表匹配算法（Stride BV算法）實現(xiàn)代碼；?
靜態(tài)/動態(tài)緩沖區(qū)管理代碼；?
基于令牌桶的流量控制代碼；?
優(yōu)先級調(diào)度代碼；?
分組分片和重組代碼；?
LISP隧道實現(xiàn)代碼；?
Netmagic訪問控制協(xié)議（NMAC）硬件實現(xiàn)代碼；?
可靠傳輸協(xié)議（OpenVAS）硬件實現(xiàn)代碼；

軟件代碼

交換機側(cè)的openflow通道代碼；?
交換機側(cè)的流表管理代碼；?
BV算法的規(guī)則變換代碼；?
令牌桶控制器代碼；?
本地配置界面代碼；?
計數(shù)器顯式代碼；?
虛擬網(wǎng)絡接口代碼；?
NMAC控制端代碼；?
可靠傳輸協(xié)議（OpenVAS）控制端代碼；

實現(xiàn)的典型交換機和網(wǎng)絡設備

自學習L2交換機?
支持Openflow1.0的SDN交換機?
支持openflow1.3的SDN交換機?
IPv4路由器?
LISP XTR路由器?
軟件定義隧道交換機（用于軟件定義實驗床構(gòu)建）?
支持NETEXP網(wǎng)絡教學案例的NetLabs平臺

雖然目前這些代碼只在NetMagic08和NetMagic Pro平臺上，但實際上大多數(shù)代碼都是與平臺無關(guān)的。因此FAST軟硬件架構(gòu)中都顯式區(qū)分了平臺的相關(guān)代碼和平臺無關(guān)的代碼，便于SDN交換機的軟硬件實現(xiàn)代碼的跨平臺移植。

二、FAST代碼樹結(jié)構(gòu)

FAST項目在github（ https://github.com/FAST-Switch/fast ）上的代碼樹結(jié)構(gòu)如下，在頂級目錄中，主要包含lib、Project、docs三個子目錄和按照github要求提供的README和LICENSE文件。

Lib目錄中包含所有平臺相關(guān)及與平臺無關(guān)的軟硬件代碼，其分類組成如代碼樹各目錄后面的注釋所示。所有FPGA設計代碼被分為pipeline和platform兩類。pipeline是平臺無關(guān)的代碼，對應openflow轉(zhuǎn)發(fā)流水線的實現(xiàn)邏輯，包括轉(zhuǎn)發(fā)動作action、buffer、keygen、match、parser和other幾個目錄，分別放入相應額代碼。例如Stride BV算法實現(xiàn)放在match目錄中，IPv6協(xié)議分析放在Parser目錄中，令牌桶實現(xiàn)放在action中。平臺相關(guān)代碼包括網(wǎng)絡接口分組收發(fā)代碼，接口CRC校驗實現(xiàn)代碼，F(xiàn)PGA與CPU通信代碼，F(xiàn)PGA訪問外圍存儲器，如DDR、TCAM等的控制器代碼等。在NetMagic08和Pro平臺中，用戶模塊（UM）之外的代碼都是平臺相關(guān)代碼。

Lib目錄中software子目錄包含交換機CPU上執(zhí)行的軟件代碼，同樣分為平臺無關(guān)代碼和平臺相關(guān)代碼。平臺無關(guān)代碼包括openflow控制通道實現(xiàn)代碼，表管理代碼，算法相關(guān)代碼，數(shù)據(jù)平面服務擴展（如實現(xiàn)的有狀態(tài)防火墻）代碼等；平臺相關(guān)代碼包括NetMagic08控制終端Cpu上運行的NMAC協(xié)議軟件，NetMagic Pro自帶Cpu上運行的PCIe驅(qū)動軟件，多接口虛擬驅(qū)動軟件等。平臺相關(guān)軟件對上層應用采用相同的API接口，使用虛擬地址空間的思想對軟件可訪問的硬件資源進行抽象和標識。虛擬地址空間是FAST實現(xiàn)的重要概念，在后續(xù)文章中會有詳細介紹。

Project中包含了目前實現(xiàn)的各種FPGA交換機的實例，包括L2交換機，軟件定義的隧道交換機（用于軟件定義實驗床構(gòu)建），各類SDN交換機等。Doc目錄包含F(xiàn)AST代碼相關(guān)的各種文檔資料等。

?

圖1 FAST代碼結(jié)構(gòu)

需要注意的是，在Project的每個實例目錄中，并不包含相關(guān)的源代碼，而是包含了硬件FPGA的工程配置文件（如altera FPGA平臺對應的.qsf文件）和軟件編譯需要的makefile文件。在這兩個文件中，分別通過相對路徑包含了本項目實現(xiàn)需要的所有硬件源文件和軟件源文件。因此用戶通過這兩個文件可以索引到本項目所有的源文件，通過FPGA開發(fā)環(huán)境（如Quartus II）對工程配置文件直接編譯和映射即可生成FPGA配置文件，通過編譯makefile文件即可獲得軟件的執(zhí)行映像。

如何獲取和使用github上的FAST代碼將在后續(xù)的文章中詳細介紹。

三、FAST代碼的優(yōu)化與整合

目前FAST已經(jīng)在github上初步建立了代碼樹結(jié)構(gòu)，各類FPGA交換機設計代碼和文檔正在陸續(xù)上傳。在這些代碼和文檔上傳結(jié)束后，還有大量的代碼優(yōu)化與整合工作要做，主要包括兩方面。

一方面是代碼的清理與測試驗證。當前FAST代碼主要來自研究生，質(zhì)量層次不齊，風格五花八門,因此需要刪除或重寫嚴重不符合質(zhì)量要求的代碼，同時對代碼的功能進行重新測試，發(fā)現(xiàn)bug及時進行修復和更新。在初步的代碼清理和測試驗證后，F(xiàn)AST可基本達到類似于NetFPGA項目的開源效果，即實現(xiàn)代碼倉庫功能。用戶可通過查找相應的project目錄，更加方便地獲取相應的軟硬件設計代碼，在自己的FPGA平臺上運行和測試，利用github進行bug報告提交，促使源文件的不斷完善和更新。

另一方面，與NetFPGA項目不同，F(xiàn)AST希望做到與平臺無關(guān)，因此需要將軟硬件代碼分別分成與平臺無關(guān)和與平臺相關(guān)的兩部分，對不同工程中大量重復的與平臺無關(guān)的代碼，如令牌桶控制代碼和轉(zhuǎn)發(fā)查表代碼等，需要最大程度采用參數(shù)傳遞的方式進行重新實現(xiàn)，以減少相同功能模塊實現(xiàn)副本的數(shù)量，簡化后續(xù)版本管理的壓力。

希望通過上述工作，能夠?qū)斍癋AST項目中多套完全獨立的代碼逐漸發(fā)展成為一套功能齊全，質(zhì)量較高的代碼，同時吸引更加廣泛的科研人員加入到FAST的開發(fā)中，使FAST真正成為支持SDN科研和教學的平臺。