CN102231709A - 虚拟路由装置的控制平面结构及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种虚拟路由装置的控制平面结构及其控制方法，涉及互联网技术领域，所述控制平面结构包括所述主机控制单元和多个虚拟机单元；所述主机控制单元用于实现用户交互、对数据平面和虚拟机单元进行管理和控制，并周期性更新数据平面中的路由表和ARP表；所述虚拟机单元用于实现路由协议处理和数据包处理的功能，并实时产生、更新路由表和ARP表，提供给主机控制单元。所述虚拟路由装置包括可编程硬件和主机，可编程硬件用于实现数据平面功能。本发明能够灵活根据应用场景选择合适的路由协议，并稳定的维护路由协议、实时更新表项；本发明还可实现对数据平面的灵活配置，并可实时准确响应用户的需求。
Description
技术领域
本发明涉及互联网技术领域，尤其涉及一种虚拟路由装置的控制平面结构及其控制方法。
背景技术
互联网在过去几十年的产生与发展过程中，取得了举世瞩目的成功。基于互联网，出现了越来越多的用户，越来越多的应用，越来越多的服务。然而，也正是因为互联网的广泛性，愈发显现出与原始的设计初衷不一致性，固有的弊端和新生的缺陷不断涌现。因此，众多学者纷纷加入到对未来互联网的研究中，产生了一系列研究成果。然而，大部分的研究成果都是基于原有互联网体系结构的修改，并没有有效解决其固有的顽疾。另一些研究成果涉及到对互联网的彻底创新，但遗憾的是没有一个行之有效的大规模的平台来验证其正确性。
因此，未来互联网的研究迫切需要可支持并行网络创新实验平台。这个创新实验平台，需要在不影响现网这个前提下，可以并行进行各种互联网的创新研究和实验，互不影响。网络虚拟化技术允许在同一个底层网络资源上同时并行运行多个虚拟网络，被认为是搭建未来创新网络实验平台的一种重要和有效的技术。网络虚拟化通过节点虚拟化技术和链路虚拟化技术在同一底层物理网络上虚拟出多个虚拟网络，从而提供不同的服务，运行不同的协议和应用。例如不同虚拟网络可以运行特点鲜明的不同应用：VoIP、视频点播、组播、文件共享等。
作为网络虚拟化的核心设备：虚拟路由器，对其的研究便显得格外的重要。在过去的研究中成果，有两种虚拟路由器的方案：第一种方案是基于软件的虚拟路由器，其最大的特点是配置灵活，可编程性强，然而软件虚拟路由器有其难以逾越的瓶颈：转发速率低，这是因为其转发功能是由软件来实现的缘故。第二种方案是基于硬件的虚拟路由器，其最大的特点在于转发速率高，甚至可达线速，然而其灵活性和可配置性很难和软件虚拟路由器相比拟。另外，目前关于硬件虚拟路由器的研究成果在隔离性上也有一定缺陷，各个平面之间无法做到完全的隔离。根据在网络中的功能，路由器可以分为如下四个平面：数据平面、控制平面、管理平面和服务平面。其中控制平面和数据平面是最为核心的两个平面。数据平面负责数据转发功能，而控制平面主要负责路由协议的选择、运行、维护、更新等，并负责部分数据包的处理，以及系统基本功能的配置等。可见，控制平面在(虚拟)路由器中起着“中枢神经”的作用，对控制平面的设计的好坏直接影响着(虚拟)路由器的功能、性能和可靠性。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：提供一种虚拟路由装置的控制平面结构及其控制方法，其能够灵活根据应用场景选择合适的路由协议，并稳定的维护路由协议；本发明还可实现对数据平面的灵活配置，并可实时准确响应用户的需求。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明提供了一种虚拟路由装置的控制平面结构，包括主机控制单元和多个虚拟机单元；
所述主机控制单元用于实现用户交互、对数据平面和虚拟机单元进行管理和控制，并周期性更新数据平面中的路由表和ARP表；所述对虚拟机单元进行管理和控制包括产生与数据平面对应的虚拟机单元。
所述虚拟机单元用于实现路由协议处理和数据包处理的功能，并实时产生、更新路由表和ARP表，提供给主机控制单元。
其中，所述主机控制单元包括管理配置模块。
其中，所述虚拟机单元包括路由协议模块和数据包处理模块。
其中，所述虚拟路由装置包括可编程硬件和主机，可编程硬件用于实现数据平面部分功能，负责数据包转发。
其中，所述数据平面包括所述可编程硬件中的数据包转发控制模块，以及存储在所述可编程硬件的寄存器中的路由表、ARP表和端口表，且所述数据平面与所述虚拟机单元一一对应。
其中，所述虚拟机单元包括N张虚拟网卡，所述N张虚拟网卡通过网桥分别桥接到所述可编程硬件的N个CPU队列上。所述网桥由管理配置模块建立。N为自然数。
其中，所述可编程硬件为FPGA。
一种利用前述的虚拟路由装置的控制结构对虚拟路由装置进行控制的方法，包括以下步骤：
S1：主机根据需求创建虚拟机单元并分配资源；
S2：主机以创建软件桥的方式将虚拟机单元的虚拟网卡分别和可编程硬件的CPU队列桥接起来；
S3：主机对所述可编程硬件中的数据平面进行初始化配置；
S4：虚拟机单元判断接收到的数据包为路由数据包还是异常数据包，若为路由数据包，则选择路由协议进行处理，将得到的路由表更新到数据平面；若为异常数据包，执行步骤S5-S9；
S5：判断数据包格式为VLAN格式还是普通格式，对于VLAN格式的包核对其VLAN标签是否匹配，若不匹配，则丢弃；
S6：判断数据包的类型为ARP类型包还是IP类型包；
S7：对于ARP类型数据包，执行步骤S8；对于IP类型数据包，执行步骤S9；
S8：若是ARP应答包，则根据应答信息来更新ARP表，并更新ARP表文件提供给主机；若是ARP请求包，则查询其端口号是否匹配，若匹配则返回ARP请求包；否则弃包；
S9：查询路由表，若匹配不到路由表，则向源地址返回ICMP目标不可达信令；若匹配到了路由表项但没有找到相应的端口，则需要发起ARP请求来查询；若匹配到了路由表也匹配到了端口，则通知数据平面更新路由表和端口表；
S10：主机通过定时器，周期性地从虚拟机单元中读取各控制平面最新的路由表和ARP表，并将其更新到相应的数据平面中去。
其中，所述步骤S9中所述查询路由表，指查询路由数据包处理过程中路由协议所生成的路由表。
其中，所述步骤S3进一步包括：主机通过PCI总线对可编程硬件进行配置。
(三)有益效果
本发明通过VLAN来实现数据平面之间的隔离，控制平面之间通过主机虚拟化技术，创建出多个虚拟机与数据平面一一对应，使虚拟机之间保持高的隔离性，可以灵活根据应用场景选择合适的路由协议，并稳定的维护路由协议；本发明的主机控制单元可实现对数据平面的灵活配置，主机会根据需求灵活的对可编程硬件进行控制，并且可以周期性的更新可编程硬件的路由表和ARP表；主机控制单元根据用户的需求来建立并配置虚拟机，虚拟机根据需求选择合适的路由协议，主机控制单元同时会根据需要对可编程硬件进行相应配置，可实时准确响应用户的需求。
附图说明
图1为本发明实施例中所述虚拟路由装置的控制平面结构图；
图2为本发明实施例中所述虚拟路由方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，本发明所述的虚拟路由装置的控制平面结构，包括主机控制单元和多个虚拟机单元；
所述虚拟路由装置包括可编程硬件，例如：FPGA和主机，可编程硬件用于实现数据平面部分功能，负责数据包转发；
所述主机控制单元用于实现用户交互、对数据平面和虚拟机单元进行管理和控制，并周期性更新数据平面中的路由表和ARP表；所述对虚拟机单元进行管理和控制包括产生与可编程硬件，例如：FPGA中数据平面对应的虚拟机单元。所述主机控制单元包括管理配置模块。
所述数据平面包括FPGA中的数据包转发控制模块，以及存储在FPGA的寄存器中的路由表、ARP表和端口表，且所述数据平面与所述虚拟机单元一一对应；
所述虚拟机单元包括N张虚拟网卡，所述N张虚拟网卡通过网桥分别桥接到FPGA的N个CPU队列上；其中，N为自然数；所述网桥由管理配置模块建立。
所述虚拟机单元用于实现路由协议处理和数据包处理的功能，并实时产生、更新路由表和ARP表，提供给主机控制单元。所述虚拟机单元包括路由协议模块和数据包处理模块。
如图2所示，本发明所述的利用前述的虚拟路由装置的控制结构对虚拟路由装置进行控制的方法，包括以下步骤：
S1：主机根据需求创建虚拟机单元并分配资源；
S2：主机以创建软件桥的方式将虚拟机单元的虚拟网卡分别和可编程硬件，例如：FPGA的CPU队列桥接起来；
S3：主机对所述可编程硬件，例如：FPGA中的数据平面进行初始化配置；
本步骤中，主机通过PCI总线对FPGA进行配置。
S4：虚拟机单元判断接收到的数据包为路由数据包还是异常数据包，若为路由数据包，则选择路由协议进行处理，将得到的路由表更新到数据平面；若为异常数据包，执行步骤S5-S9；
S5：判断数据包格式为VLAN格式还是普通格式，对于VLAN格式的包核对其VLAN标签是否匹配，若不匹配，则丢弃；
S6：判断数据包的类型为ARP类型包还是IP类型包；
S7：对于ARP类型数据包，执行步骤S8；对于IP类型数据包，执行步骤S9；
S8：若是ARP应答包，则根据应答信息来更新ARP表，并更新ARP表文件提供给主机；若是ARP请求包，则查询其端口号是否匹配，若匹配则返回ARP请求包；否则弃包；
S9：查询路由表，若匹配不到路由表，则向源地址返回ICMP目标不可达信令；若匹配到了路由表项但没有找到相应的端口，则需要发起ARP请求来查询；若匹配到了路由表也匹配到了端口，则通知数据平面更新路由表和端口表；
本步骤中，所述查询路由表，指查询路由数据包处理过程中路由协议所生成的路由表。
S10：主机通过定时器，周期性地从虚拟机单元中读取各控制平面最新的路由表和ARP表，并将其更新到相应的数据平面中去。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (10)
1.一种虚拟路由装置的控制平面结构，其特征在于，包括主机控制单元和多个虚拟机单元；
所述主机控制单元用于实现用户交互、对数据平面和虚拟机单元进行管理和控制，并周期性更新数据平面中的路由表和ARP表；
所述虚拟机单元用于实现路由协议处理和数据包处理的功能，并实时产生、更新路由表和ARP表，提供给主机控制单元。
2.如权利要求1所述的虚拟路由装置的控制平面结构，其特征在于，所述主机控制单元包括管理配置模块。
3.如权利要求1所述的虚拟路由装置的控制平面结构，其特征在于，所述虚拟机单元包括路由协议模块和数据包处理模块。
4.如权利要求1所述的虚拟路由装置的控制平面结构，其特征在于，所述虚拟路由装置包括可编程硬件和主机，可编程硬件用于实现数据平面部分功能，负责数据包转发。
5.如权利要求4所述的虚拟路由装置的控制平面结构，其特征在于，所述数据平面包括所述可编程硬件中的数据包转发控制模块，以及存储在所述可编程硬件的寄存器中的路由表、ARP表和端口表，且所述数据平面与所述虚拟机单元一一对应。
6.如权利要求1所述的虚拟路由装置的控制平面结构，其特征在于，所述虚拟机单元包括N张虚拟网卡，所述N张虚拟网卡通过网桥分别桥接到所述可编程硬件的N个CPU队列上。
7.如权利要求4-6所述的虚拟路由装置的控制平面结构，其特征在于，所述可编程硬件为FPGA。
8.一种利用权利要求1-6中任一项所述的虚拟路由装置的控制结构对虚拟路由装置进行控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：主机根据需求创建虚拟机单元并分配资源；
S2：主机以创建软件桥的方式将虚拟机单元的虚拟网卡分别和可编程硬件的CPU队列桥接起来；
S3：主机对所述可编程硬件中的数据平面进行初始化配置；
S4：虚拟机单元判断接收到的数据包为路由数据包还是异常数据包，若为路由数据包，则选择路由协议进行处理，将得到的路由表更新到数据平面；若为异常数据包，执行步骤S5-S9；
S5：判断数据包格式为VLAN格式还是普通格式，对于VLAN格式的包核对其VLAN标签是否匹配，若不匹配，则丢弃；
S6：判断数据包的类型为ARP类型包还是IP类型包；
S7：对于ARP类型数据包，执行步骤S8；对于IP类型数据包，执行步骤S9；
S8：若是ARP应答包，则根据应答信息来更新ARP表，并更新ARP表文件提供给主机；若是ARP请求包，则查询其端口号是否匹配，若匹配则返回ARP请求包；否则弃包；
S9：查询路由表，若匹配不到路由表，则向源地址返回ICMP目标不可达信令；若匹配到了路由表项但没有找到相应的端口，则需要发起ARP请求来查询；若匹配到了路由表也匹配到了端口，则通知数据平面更新路由表和端口表；
S10：主机通过定时器，周期性地从虚拟机单元中读取各控制平面最新的路由表和ARP表，并将其更新到相应的数据平面中去。
9.如权利要求8所述的虚拟路由装置控制方法，其特征在于，所述步骤S9中所述查询路由表，指查询路由数据包处理过程中路由协议所生成的路由表。
10.如权利要求8所述的虚拟路由装置控制方法，其特征在于，所述步骤S3进一步包括：主机通过PCI总线对可编程硬件进行配置。
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