CN102594689B - 一种分布式网络控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种分布式网络控制方法，多个控制器节点组成分布式控制器网络，每个控制器节点管理一个或多个交换机设备；包括：控制器节点接收交换机上报的信息，将其中的网络拓扑变化信息在所有控制器节点间同步，将其中的主机位置信息保存到分布式控制网络中；所述控制器节点收到数据流处理请求时，在分布式控制器网络中查询数据流的目的地址信息，并根据本地存储的全局网络拓扑信息为所述数据流建立数据交换路径；本发明还提供一种分布式网络控制装置。根据本发明的技术方案，能够解决网络控制器的性能瓶颈问题。

Description

一种分布式网络控制方法及装置

技术领域

本发明涉及计算机网络领域，尤其涉及一种分布式网络控制方法及装置。

背景技术

美国斯坦福大学于2008年提出了OpenFlow协议，该协议采用转发/控制分离架构，外置控制面实体利用OpenFlow协议控制转发面设备，以实现各种转发逻辑，而转发面设备的主要功能就是根据控制面实体下发的转发流表执行受控转发，其行为是标准化的：转发面设备收到一条报文，取出该报文头部L2/L3/L4相关字段值，将这些相关字段值作为关键字查找转发流表，匹配到表项后，根据表项内容中的指令集对报文字段进行变换，变换完毕后根据指示转发到某一逻辑或物理端口。OpenFlow协议进一步演进为软件定义网络(SDN，Software Defined Network)技术的基础，可以在控制面实体采用软件编程实现各种复杂的网络应用，而转发面设备无需任何改变。控制面设备采用通用服务器+通用操作系统，并且可以使用通用的软件编程工具，也可以使用Python这样的脚本编程语言实现，这使得新的网络协议的支持变得非常简单，而且新技术部署周期大大缩短。一个基本的OpenFlow网络包括网络控制器和交换机两个主要的控制实体。通常地，在网络中部署一个集中的网络控制器，负责整个网络域中所有的OpenFlow交换机的管理域控制。然而，单个集中式的网络控制器会成为网络规模化的瓶颈，如与网络控制器距离较远的交换机建立流的时延增加，单个网络控制器处理交换路径请求的吞吐量受限，端到端的路径带宽可控性差等。为此，学术界提出分布式网络控制器方案，如HyperFlow、ONIX等，但这些方案一般是在网络上部署多个网络控制器，通过事件消息同步或存储共享等方案，实现状态一致的多个网络控制器共同管理与控制OpenFlow网络。对于大规模的网络，上述方案中需要在网络控制器之间同步的网络事件每秒有几万个，现有的全局事件同步机制无法满足需求，即现有的解决方案不适用大规模网络部署。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种分布式网络控制方法及装置，能够解决网络控制器的性能瓶颈问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供一种分布式网络控制方法，多个控制器节点组成分布式控制器网络，每个控制器节点管理一个或多个交换机设备；包括：

控制器节点接收交换机上报的信息，将其中的网络拓扑变化信息在所有控制器节点间同步，将其中的主机位置信息保存到分布式控制网络中；

所述控制器节点收到数据流处理请求时，在分布式控制器网络中查询数据流的目的地址信息，并根据本地存储的全局网络拓扑信息为所述数据流建立数据交换路径。

上述方法中，所述将其中的网络拓扑变化信息在所有控制器节点间同步为：

所述控制器节点利用独立的全局事件同步系统在所有控制器节点间同步所述网络拓扑变化信息，或利用分布式控制器网络的消息广播机制在所有控制器节点间同步所述网络拓扑变化信息。

上述方法中，该方法还包括：控制器节点保存同步的网络拓扑变化信息，并根据所述网络拓扑变化信息得到一致的全局网络拓扑信息；

所述网络拓扑变化信息为：交换机的属性、或交换机加入网络、或交换机离开网络、或交换机之间的链路状态。

上述方法中，所述将其中的主机位置信息保存到分布式控制网络中为：所述控制器节点将所述主机位置信息保存到分布式控制器网络中的其他控制器节点；

该方法还包括：收到交换机上报的信息的控制器节点同时在本地保存收到的主机位置信息。

上述方法中，所述主机位置信息为：连接在交换机上主机的数据链路层位置和/或网络层位置。

上述方法中，所述数据链路层位置为连接在交换机上主机的MAC地址与交换机的端口标识的对应关系；

所述网络层位置为连接在交换机上主机的IP地址与交换机的端口标识的对应关系，或网络域标识与交换机的端口标识的对应关系。

上述方法中，所述在分布式控制器网络中查询数据流的目的地址信息为：

控制器节点在收到数据流处理请求后，首先在本节点查询数据流的目的地址信息，再在分布式控制网络中的其它控制器节点查询数据流的目的地址信息。

上述方法中，所述目的地址信息为：主机MAC地址和/或IP地址对应的交换机的端口标识，或网络域标识对应的交换机的端口列表信息。

本发明还提供一种分布式网络控制装置，该装置为控制器节点，该控制器节点包括：控制模块、事件同步模块、分布式处理模块；其中，

控制模块，用于接收交换机上报的信息；还用于接收数据流处理请求，并在分布式处理模块查询数据流的目的地址后，根据本地存储的全局网络拓扑信息为所述数据流建立数据交换路径；

事件同步模块，用于将上报的信息中的网络拓扑变化信息在所有控制器节点间同步；

分布式处理模块，用于将上报的信息中的主机位置信息保存到分布式控制网络中；还用于收到数据流处理请求后，在所述分布式控制器网络中查询数据流的目的地址信息。

上述装置中，该装置还包括：

信息存储模块，用于保存同步的网络拓扑变化信息，和/或收到的主机位置信息。

本发明提供的分布式网络控制方法及装置，控制器节点接收交换机上报的信息，将其中的网络拓扑变化信息在所有控制器节点间同步，将其中的主机位置信息保存到分布式控制网络中；所述控制器节点收到数据流处理请求时，在分布式控制器网络中查询数据流的目的地址信息，并根据本地存储的全局网络拓扑信息为所述数据流建立数据交换路径，因此，本发明中对少量必须的网络拓扑信息进行全局同步，对于频繁变动的主机相关信息由控制器节点进行分布式的存储和查询，因而能够适应网络规模的线性增长，解决网络控制器的性能瓶颈问题。

附图说明

图1是本发明实现分布式网络控制方法的流程示意图；

图2是本发明实现分布式网络控制方法的组网示例图；

图3是本发明实现步骤101的具体实现方法的流程示意图；

图4是本发明实现步骤102的具体实现方法的流程示意图；

图5是本发明实现步骤103的具体实现方法的流程示意图；

图6是本发明实现分布式网络控制装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明的基本思想是：控制器节点接收交换机上报的信息，将其中的网络拓扑变化信息在所有控制器节点间同步，将其中的主机位置信息保存到分布式控制网络中；所述控制器节点收到数据流处理请求时，在分布式控制器网络中查询数据流的目的地址信息，并根据本地存储的全局网络拓扑信息为所述数据流建立数据交换路径。

下面通过附图及具体实施例对本发明再做进一步的详细说明。

本发明提供一种分布式网络控制方法，图1是本发明实现分布式网络控制方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤101，控制器节点接收交换机上报的网络拓扑变化信息，并在所有控制器节点间同步该网络拓扑变化信息；

具体的，如图2所示，本发明中，多个控制器节点组成分布式控制器网络，该分布式控制网络是一种分布式网络，如One-hop的DHT网络；每个控制器节点管理一个或多个交换机设备，多个交换机之间通过物理链路进行互联并组成交换机网络；

控制器节点接收自身管理的交换机上报的网络拓扑变化信息，该网络拓扑变化信息包括：交换机的属性、交换机加入网络、交换机离开网络、交换机之间的链路状态等信息；控制器节点在分布式控制器网络中的所有控制器节点中对该网络拓扑变化信息进行同步，其他控制器节点保存同步的网络拓扑变化信息，这样，所有控制器节点根据网络拓扑变化信息可以得到一致的全局网络拓扑信息；同步的方法可以是通过独立的全局事件同步系统，例如事件发布系统、事件订阅系统，也可以通过分布式控制器网络实现，例如，分布式控制其网络的消息广播机制。

步骤102，控制器节点接收交换机上报的主机位置信息，并将主机位置信息保存到分布式控制器网络中；

具体的，控制器节点接收自身管理的交换机上报的主机位置信息，该主机位置信息包括：连接在交换机上主机的数据链路层位置和/或网络层位置等，所述数据链路层位置指的是连接在交换机上主机的MAC地址与交换机的端口标识的对应关系，所述网络层位置指的是连接在交换机上主机的IP地址与交换机的端口标识的对应关系，或是网络域标识与交换机的端口标识的对应关系；控制器节点将主机位置信息保存到分布式控制器网络中的其他控制器节点中，优选的，还可以同时在本地保存收到的主机位置信息。

步骤103，控制器节点收到数据流处理请求时，在分布式控制器网络中查询数据流的目的地址信息，并根据本地存储的全局网络拓扑信息为该数据流建立数据交换路径；

具体的，控制器节点收到数据流处理请求时，在分布式控制器网络中的控制器节点中查询数据流的目的地址信息，该控制器节点包括收到数据流处理请求的控制器节点，以及分布式控制网络中的其它控制器节点；为了提高查询速度，控制器节点在收到数据流处理请求后，可以首先在本节点查询数据流的目的地址信息，然后再在分布式控制网络中的其它控制器节点查询数据流的目的地址信息；所述目的地址信息可以是主机MAC地址和/或IP地址对应的交换机的端口标识，也可以是网络域标识对应的交换机的端口列表信息。

控制器节点根据查询到的数据流的目的地址信息，以及本地存储的全局网络拓扑信息为该数据流选择交换路径，并向交换路径上的交换机设备下发相应的转发流表，从而实现为该数据流建立数据交换路径。

图3是本发明实现步骤101的具体实现方法的流程示意图，每个控制器节点管理部分交换机，为了使控制器节点在为业务选择的交换路径达到全网最优，需要每个控制器节点有统一的全局网络拓扑信息，因此，每个控制器节点需要将所感知的网络拓扑事件进行全网同步，如图3所示，该方法包括以下步骤：

步骤301，交换机SW 1加入OpenFlow网络，该加入OpenFlow网络的过程包括与控制器节点A建立连接，并进行相关的安全验证、基本信息上报、交换机配置等操作。

步骤302，由于有交换机SW1加入OpenFlow网络，控制器节点A向全局事件同步系统发布交换机SW1加入的网络事件；全局事件同步系统是一种独立的事件订阅系统或事件发布系统；所述交换机SW1加入的网络事件需要携带交换机SW1的基本信息，例如交换机SW1的标识、端口配置信息等。

步骤303，全局事件同步系统将交换机SW1加入的网络事件在分布式控制器网络中进行同步，分布式控制器网络中的其它控制器节点获知控制器节点A下有交换机SW1加入网络。

步骤304，交换机SW1将收到的链路探测报文上报给控制器节点A，其中携带网络拓扑变化信息。

步骤305，控制器节点A根据链路探测报文判断出交换机SW1与另一个交换机SWX间存在一个新的链路；这里，所述新的链路可以是原来未发现的链路，或是链路的状态发生变化。

步骤306，控制器节点A向全局事件同步系统发布交换机SW1和交换机SWX之间的链路网络事件；其中，所述交换机SW1和交换机SWX之间的链路网络事件需要携带链路的基本信息，如交换机SW1和交换机SWX各自的交换机标识、链路所在的交换机端口标识以及链路的带宽等状态信息。

步骤307，全局事件同步系统将交换机SW1和交换机SWX的链路网络事件在分布式控制器网络中进行同步，分布式控制器网络中的其它控制器节点获知交换机SW1和交换机SWX之间的链路发生变化。

步骤308，控制器节点A发现交换机SW1离开网络。

步骤309，控制器节点A向全局事件同步系统发布交换机SW1离开的网络事件；其中，所述交换机SW1离开的网络事件需要携带交换机SW1的基本信息，例如交换机的标识等。

步骤310，全局事件同步系统将交换机SW1离开的网络事件在分布式控制器网络中进行同步，分布式控制器网络中的其它控制器节点获知控制器节点A下有交换机SW1离开网络，并更新各自存储的全局网络拓扑信息。

本实施例中，利用全局事件同步系统进行网络拓扑变化事件在所有控制器节点之间的同步，也可以通过分布式控制器网络的消息广播机制来实现。

图4是本发明实现步骤102的具体实现方法的流程示意图，控制器节点从交换机上报的数据报文中学习主机位置信息，并将该主机位置信息存储到分布式控制器网络中，如图4所示，该方法包括以下步骤：

步骤401，主机向自身连接的交换机SW1发送数据报文。

步骤402，交换机SW1接收数据报文，查询本地转发流表后发现没有对应的表项，因此向控制器节点A上报该数据报文。

步骤403，控制器节点A对收到的数据报文的源地址进行检查，如果该数据报文的源地址是一个新的主机或对应主机的地址发生变化，则需要进行主机位置信息的更新；这里，控制器节点A可以选择将主机位置信息存储在本地。

步骤404，控制器节点A将主机位置信息存储到分布式控制器网络的控制器节点X上，具体的存储方式与分布式控制器网络的机制有关，例如分布式控制器网络是单跳分布式哈希(One-hop DHT)网络，则控制器节点A需要对主机的标识进行哈希运算后再存储到控制器节点。

本实施例中，需要存储的主机位置信息为连接在交换机上主机的MAC地址与交换机的端口标识的对应关系、或连接在交换机上主机的IP地址与交换机的端口标识的对应关系、或网络域标识与交换机的端口标识的对应关系；所述网络域标识包括VLAN标识、MPLS标识等。

步骤403和404中，需要存储的主机位置信息可以以一种或多种索引的方式进行存储，例如以主机的MAC地址、和/或IP地址、和/或网络域标识为关键字进行存储等。

图5是本发明实现步骤103的具体实现方法的流程示意图，连接在交换机SW1的主机A欲与连接在交换机SW2的主机B进行通信，首个数据报文被交换机SW1发往控制器节点A，控制器节点A通过分布式控制器网络查询数据报文的目的地址信息，并根据全局网络拓扑信息选择并建立合适的交换路径，如图5所示，该方法包括以下步骤：

步骤501，主机A欲与主机B进行通信，向连接的交换机SW1发送第一个数据报文。

步骤502，交换机SW1查询本地的转发流表无匹配项后，向控制器节点A上报该数据报文，用于向控制器节点A发起数据流处理请求。

步骤503，控制器节点A向分布式控制器网络中的其它控制器节点查询该数据报文的目的地址信息；这里，根据数据报文的类型，如单播、多播、广播消息，数据报文的目的地址信息可以为一个地址列表。

如果主机位置信息的存储采用了本地存储机制，且交换机SW1和交换机SW2均为控制器节点A管理的交换机，则控制器节点A不需要向分布式控制器网络中的其它控制器节点查找数据报文的目的地址信息。

步骤504，控制器节点A根据数据报文的源和目的的地址信息，并结合本地存储的全局网络拓扑信息，为该数据报文选择交换路径，本实施例中的交换路径为交换机SW1和交换机SW2。

步骤505，控制器节点A向交换机SW1下发该数据报文的转发流表。

步骤506，控制器节点A向交换机SW2下发该数据报文的转发流表；这里，如果交换机SW2与控制器节点B直接相连，本步骤应为：步骤506a，控制器节点A下发转发流表给控制器节点B，由控制器节点B向交换机SW2下发该转发流表。

步骤507，交换机SW1根据收到的转发流表对数据报文进行转发，这里是向交换机SW2进行转发。

步骤508，交换机SW2根据收到的转发流表对数据报文进行转发，这里是向连接的主机B进行转发。

为实现上述方法，本发明还提供一种分布式网络控制装置，该装置为控制器节点，图6是本发明实现分布式网络控制装置的结构示意图，如图6所示，该装置包括：控制模块61、事件同步模块62、分布式处理模块63；其中，

控制模块61，用于接收交换机上报的信息；还用于接收数据流处理请求，并在分布式处理模块查询数据流的目的地址后，根据本地存储的全局网络拓扑信息为所述数据流建立数据交换路径；

事件同步模块62，用于将上报的信息中的网络拓扑变化信息在所有控制器节点间同步；

分布式处理模块63，用于将上报的信息中的主机位置信息保存到分布式控制网络中；还用于收到数据流处理请求后，在所述分布式控制器网络中查询数据流的目的地址信息。

该装置还包括：

信息存储模块64，用于保存同步的网络拓扑变化信息，和/或收到的主机位置信息。

其中，将其中的网络拓扑变化信息在所有控制器节点间同步为：利用独立的全局事件同步系统在所有控制器节点间同步所述网络拓扑变化信息，或利用分布式控制器网络的消息广播机制在所有控制器节点间同步所述网络拓扑变化信息。所述网络拓扑变化信息为：交换机的属性、或交换机加入网络、或交换机离开网络、或交换机之间的链路状态。

其中，将其中的主机位置信息保存到分布式控制网络中为：将所述主机位置信息保存到分布式控制器网络中的其他控制器节点；

其中，所述主机位置信息为：连接在交换机上主机的数据链路层位置和/或网络层位置。所述数据链路层位置为连接在交换机上主机的MAC地址与交换机的端口标识的对应关系；所述网络层位置为连接在交换机上主机的IP地址与交换机的端口标识的对应关系，或网络域标识与交换机的端口标识的对应关系。

其中，所述在分布式控制器网络中查询数据流的目的地址信息为：在收到数据流处理请求后，首先在本节点查询数据流的目的地址信息，再在分布式控制网络中的其它控制器节点查询数据流的目的地址信息。所述目的地址信息为：主机MAC地址和/或IP地址对应的交换机的端口标识，或网络域标识对应的交换机的端口列表信息。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种分布式网络控制方法，其特征在于，多个控制器节点组成分布式控制器网络，每个控制器节点管理一个或多个交换机设备；该方法包括：

控制器节点接收交换机上报的信息，将其中的网络拓扑变化信息在所有控制器节点间同步，将其中的主机位置信息保存到分布式控制网络中；所述网络拓扑变化信息为：交换机的属性、或交换机加入网络、或交换机离开网络、或交换机之间的链路状态；所述主机位置信息为：连接在交换机上主机的数据链路层位置和/或网络层位置；

所述控制器节点收到数据流处理请求时，在分布式控制器网络中查询数据流的目的地址信息，并根据本地存储的全局网络拓扑信息为所述数据流建立数据交换路径。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将其中的网络拓扑变化信息在所有控制器节点间同步为：

所述控制器节点利用独立的全局事件同步系统在所有控制器节点间同步所述网络拓扑变化信息，或利用分布式控制器网络的消息广播机制在所有控制器节点间同步所述网络拓扑变化信息。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

该方法还包括：控制器节点保存同步的网络拓扑变化信息，并根据所述网络拓扑变化信息得到一致的全局网络拓扑信息。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将其中的主机位置信息保存到分布式控制网络中为：所述控制器节点将所述主机位置信息保存到分布式控制器网络中的其他控制器节点；

该方法还包括：收到交换机上报的信息的控制器节点同时在本地保存收到的主机位置信息。

5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，

所述数据链路层位置为连接在交换机上主机的MAC地址与交换机的端口标识的对应关系；

所述网络层位置为连接在交换机上主机的IP地址与交换机的端口标识的对应关系，或网络域标识与交换机的端口标识的对应关系。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在分布式控制器网络中查询数据流的目的地址信息为：

控制器节点在收到数据流处理请求后，首先在本节点查询数据流的目的地址信息，再在分布式控制网络中的其它控制器节点查询数据流的目的地址信息。

7.根据权利要求1或6所述的方法，其特征在于，所述目的地址信息为：主机MAC地址和/或IP地址对应的交换机的端口标识，或网络域标识对应的交换机的端口列表信息。

8.一种分布式网络控制装置，其特征在于，该装置为控制器节点，该控制器节点包括：控制模块、事件同步模块、分布式处理模块；其中，

控制模块，用于接收交换机上报的信息；还用于接收数据流处理请求，并在分布式处理模块查询数据流的目的地址后，根据本地存储的全局网络拓扑信息为所述数据流建立数据交换路径；

事件同步模块，用于将上报的信息中的网络拓扑变化信息在所有控制器节点间同步；所述网络拓扑变化信息为：交换机的属性、或交换机加入网络、或交换机离开网络、或交换机之间的链路状态；

分布式处理模块，用于将上报的信息中的主机位置信息保存到分布式控制网络中；还用于收到数据流处理请求后，在所述分布式控制器网络中查询数据流的目的地址信息；所述主机位置信息为：连接在交换机上主机的数据链路层位置和/或网络层位置。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，该装置还包括：

信息存储模块，用于保存同步的网络拓扑变化信息，和/或收到的主机位置信息。