CN103269278B - 一种基于sdn的终端设备实时接入、离开感知方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于SDN的终端设备实时接入、离开感知方法，当主机接入SDN网络时，向交换机发出广播包，交换机接收到该广播包以packet-in事件的形式将此广播包交给控制器，控制器接收到后临时记录源主机的位置信息，初始化两张主机信息表，分别为{IP:MAC,(DPID,PORT)}，{(DPID,PORT):IP}；之后在控制器截获DHCPACK信息包后，提取其中的IP地址和MAC地址信息，并结合之前临时记录的位置信息，将主机信息记录到上述的两张主机信息表中，当主机离开时触发PortStatus的事件，控制器主动向该主机所在位置发送探测信息，如在规定时间内未应答，说明此主机已经离开网络，控制器删除表中的相应条目。本发明增加了对主机离开的实时感知，提高了后续查找使用效率，同时解决现有控制器频繁更新主机信息表的缺点。
Description
技术领域
本发明涉及互联网技术，具体是一种基于软件定义网络的终端设备实时接入、离开感知方法。
背景技术
随着互联网技术与应用的飞速发展以及互联网用户的快速增长，基于TCP/IP的现有互联网逐渐暴露出许多的不适应，主要包括可扩展性差、动态连续性弱、安全可控性低、运营成本高等问题。为了解决以上的问题，软件定义网络（Software-DefinedNetworking，SDN）应运而生，并成为最近几年十分热门的未来网络技术，是企业网、校园网、数据中心网络的热门候选网络形式，其核心思想是数据平面与控制平面的分离，采用远程的控制器集中对网络进行统一管控。
控制器是SDN网络的核心，为了方便控制器更好地监控网络，合理的分配网络资源，及时有效地维护网络的安全可靠运行，首要前提是实时感知网络终端的接入和离开。
现有技术中，SDN网络对主机的接入感知是通过packet-in事件（若主机发出信息，首先会匹配交换机中的流表，如交换机果没有对应的流表来匹配该信息，则会以packet-in事件的形式将此信息交给控制器），具体感知步骤如下：
1)控制器解析packet-in事件，提取发包主机的IP地址，MAC地址以及位置信息；
2)检查提取的IP地址是否有效（如0.0.0.0为无效IP地址）；
3)若IP地址有效则增加/更新主机信息条目（根据主机条目是否已存在，若存在则更新，不存在则添加），若IP地址无效，不对主机信息表做任何改动；
4)依照数据包类型和处理模块功能对数据包进行处理；
此外，对于主机的离开，现有的SDN网络并没有做相应的实时感知。
现有的SDN网络对网络终端的感知主要有以下几点缺陷：
1）控制器不能实时感知主机的接入，主要表现在，如果终端主机接入网络时不发包，则控制器是无法感知它的接入。
2）控制器难以感知主机的离开，使得控制器对终端主机的状态感知不全面。
3）现有的感知方案使得对于主机信息表的更新过于频繁，只要控制器收到的packet-in事件中有确切的IP、MAC地址，则会更新主机信息表中相应的条目。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于SDN的终端设备实时接入、离开感知方法，该方法增加了对主机离开的实时感知，使得控制器对主机的状态的感知更全面，且提高了后续查找使用效率，同时解决现有控制器频繁更新主机信息表的缺点。
本发明所述的一种基于SDN的终端设备实时接入、离开感知方法，其包括以下步骤：
1）当主机A采用自动获取IP地址方式或是静态配置IP地址方式接入SDN网络时，向交换机发出一系列广播包；
2）交换机接收到该广播包后首先匹配流表，由于没有匹配的流表项，则会以packet-in事件的形式将此广播包交给控制器；
3）控制器接收到packet-in消息后分析事件类型以及信息的内容，临时记录源主机的位置信息，初始化两张主机信息表，分别为{IP:MAC,(DPID,PORT)}，{(DPID,PORT):IP}；之后在控制器截获DHCPACK信息包后，提取其中的IP地址和MAC地址信息，IP地址和MAC地址信息分别对应DHCPACK中的yiaddr和chaddr字段，并结合之前临时记录的位置信息，将主机信息记录到上述的两张主机信息表中；
4）当主机离开时，与其连接的交换机的相应端口的电平会发生跳变，触发PortStatus的事件，控制器接收到该消息后主动向该主机所在位置发送探测信息，如果在规定时间内未收到该主机的应答，则说明此主机已经离开网络，而非其它异常情况，控制器根据{(DPID,PORT):IP}表经Hash算法得出IP地址，然后根据查找到的IP地址删除{IP:MAC,(DPID,PORT)}表中的相应条目。
上述步骤1）中，当主机A采用自动获取IP地址方式接入SDN网络时，向外发出DHCPDISCOVERY广播包。
上述步骤3）的具体过程为：
3.1）控制器收到packet-in消息，解析得出主机A位置信息并记录到临时表中，再从DHCP服务器列表中选择一个DHCP服务器；
3.2）利用DHCP服务器的位置信息将接收到的DHCPDISCOVERY广播包封装成packet-out消息转发给交换机S3，交换机S3由packet-out消息中的dpid指定；
3.3）交换机S3接收到该消息后，解析得出DHCPDISCOVERY广播包，从连接DHCP服务器X的端口转发出去，该服务器X也由packet-out消息的port指定；
3.4）DHCP服务器X接收到DHCPDISCOVERY广播包后响应一个DHCPOFFER广播包，
3.5）交换机S3接收到DHCPOFFER广播包之后以packet-in消息的方式提交给控制器；
3.6）控制器解析该packet-in消息，提取DHCPOFFER广播包的chaddr字段，即源主机的MAC地址,，并从临时表中以hash方式查找源主机位置信息（H(packet.chaddr)→Location）；
3.7）控制器根据提供的主机位置信息封装成packet-out消息并转发至交换机S1；
3.8）交换机S1接收到该消息后，解析出DHCPOFFER广播包，并从连接源主机的端口发出去；
3.9）主机A收到DHCPOFFER后，再发送一个DHCPREQUEST广播包；
3.10）S1接收到之后以packet-in消息方式发给控制器；
3.11）控制器解析得出DHCPREQUEST广播包，并从中提取提供服务的DHCP服务器IP地址，并更新临时表中的主机位置；
3.12）控制器根据DHCPREQUEST广播包提取的DHCP服务器IP地址，查找得出DHCP服务器的位置消息，并以此封装成packet-out消息转发至交换机S3；
3.13）交换机S3解析该消息，得到DHCPREQUEST广播包，并转发给DHCP服务器X；
3.14）DHCP服务器收到DHCPREQUEST后响应DHCPACK广播包或者DHCPNACK广播包；
3.15）交换机S3以packet-in消息的方式提交给控制器；
3.16）若控制器解析得出DHCPACK广播包时，从DHCPACK中提取源主机的IP地址、MAC地址信息，从临时表中提取主机的位置信息，将请求主机信息注册至主机基本信息表中，同时删除临时表中源主机信息条目；若为DHCPNACK广播包，删除临时表中源主机信息条目；
3.17）将该消息封装成packet-out消息转发至交换机S1；
3.18）交换机S1解析packet-out消息后，将广播包转发给源主机。
上述步骤4）的具体过程为：
4.1）当主机A离开网络时，与其连接的交换机的端口PORTA的电平跳变；
4.2）交换机S1感受到PORTA的状态变化，故将此信息以PortStatus消息提交给控制器；
4.3）控制器收到该消息，解析得出主机位置信息(DPID1,PORTA),并通过{(DPID,PORT):IP}表查找到该主机的IPA；
4.4）利用该主机的IPA构造一个探测包（如ARPREQUEST）,并将其封装成packet-out消息转发给交换机S1，该交换机S1由packet-out消息中的dpid指定；
4.5）交换机S1接收到该消息后，解析得出探测包，从连接主机A的端口转发出去；
4.6）若主机A确实离开了网络,则不会产生应答信息；
4.7）若交换机S1接收到应答包，则会以packet-in消息的方式提交给控制器；
4.8）控制器解析该packet-in消息，如果是主机A的ARP应答包，则不对主机信息表进行操作；
4.9）如果控制器在设定时间内未收到探测包的应答包，则根据步骤3.3）中提取出来的(DPIDA,PORTA)以hash方式从{(DPID,PORT):IP}表中查找源主机的IP地址IPA，根据查找到的IPA删除{IP:MAC,(DPID,PORT)}表中的相应条目，然后根据(DPIDA,PORTA)删除{(DPID,PORT):IP}表中的相应条目。
本发明的有益效果：
（1）增加了对主机离开的实时感知，使得对主机状态信息的感知更全面。
（2）本发明在删除主机信息前，增加了确认机制来确认主机确实已经离开网络，而非因为其它意外情况导致端口跳变，提高了可靠性。
（3）设计主机信息表的格式，使得主机信息在存储查找方面效率更高，即{IP:MAC,(DPID,PORT)}与{(DPID,PORT):IP}
（4）本发明对主机信息表的更新只限于主机接入与离开时进行，改善了传统SDN网络根据packet-in消息频繁修改主机信息表。
附图说明
图1是DHCP模式下的主机信息记录示意图，
图2是基于端口状态实时感知主机离开示意图。
具体实施方式
本发明的一个典型的应用案例是通过接收主机接入网络时发送的DHCP、ARP包来实时感知主机接入。
1）当主机采用DHCP的方式来接入网络时，控制器在截获DHCPDISCOVERY/DHCPREQUEST广播包时临时记录源主机的位置信息，在截获DHCPACK信息包后，提取其中的IP地址和MAC地址信息（对应DHCPACK中的yiaddr和chaddr字段），并结合之前临时记录的位置信息，将主机信息记录到上述的两张主机信息表中。具体过程见图1：
[1]主机A以自动获取IP地址模式接入网络，向外发出DHCPDISCOVERY广播包；
[2]交换机S1接收到DHCPDISCOVERY广播包，由于没有匹配的流表项，故产生以packet-in消息提交给控制器；
[3]控制器收到该消息，解析得出主机位置信息并记录到临时表（如key=源主机MAC地址,value=主机位置1），从DHCP服务器列表（存储结构为key=DHCP服务器IP地址，value=[MAC地址，DHCP服务器位置]）中选择一个DHCP服务器（如可采用轮询方式）；
[4]利用DHCP服务器的位置信息将接收到的DHCPDISCOVERY广播包封装成packet-out消息转发给交换机S3（由packet-out消息中的dpid指定）；
[5]交换机S3接收到该消息后，解析得出DHCPDISCOVERY广播包，从连接DHCP服务器X的端口转发出去（由packet-out消息的port指定）；
[6]DHCP服务器X接收到DHCPDISCOVERY广播包后响应一个DHCPOFFER广播包，
[7]交换机S3接收到之后以packet-in消息的方式提交给控制器（原因同[2]，后续不在赘述）。
[8]控制器解析该packet-in消息，提取DHCPOFFER广播包的chaddr字段（即源主机的MAC地址），并从临时表中以hash方式查找源主机位置信息（H(packet.chaddr)→Location）；
[9]控制器根据提供的主机位置信息封装成packet-out消息并转发至交换机S1；
[10]交换机S1接收到该消息后，解析出DHCPOFFER广播包，并从连接源主机的端口发出去；
[11]主机A收到DHCPOFFER后，再发送一个DHCPREQUEST广播包；
[12]S1接收到之后以packet-in消息方式发给控制器；
[13]控制器解析得出DHCPREQUEST广播包，并从中提取提供服务的DHCP服务器IP地址，并更新临时表中的主机位置（实际情况下，有时源主机可能先发DHCPREQUEST广播包，询问上次分配的IP地址是否可以继续使用）；
[14]控制器根据DHCPREQUEST广播包提取的DHCP服务器IP地址，查找得出DHCP服务器的位置消息，并以此封装成packet-out消息转发至交换机S3；
[15]交换机S3解析该消息，得到DHCPREQUEST广播包，并转发给DHCP服务器X；
[16]DHCP服务器收到DHCPREQUEST后响应DHCPACK广播包或者DHCPNACK广播包；
[17]交换机S3以packet-in消息的方式提交给控制器；
[18]若控制器解析得出DHCPACK广播包时，从DHCPACK中提取源主机的IP地址、MAC地址信息，从临时表中提取主机的位置信息，将请求主机信息注册至主机基本信息表中（如图2所示），同时删除临时表中源主机信息条目；若为DHCPNACK广播包，删除临时表中源主机信息条目；
[19]将该消息封装成packet-out消息转发至交换机S1；
[20]交换机S1解析packet-out消息后，将广播包转发给源主机。
2）当主机采用静态设置IP地址的方式接入网络时，经历如下几个操作步骤：
[1]主机的操作系统根据手动配置信息主动向外推送一系列ARP包（如询问网关的MAC地址的ARP请求包）；
[2]交换机接收到该数据包，由于没有流表项匹配以packet-in消息的方式提交给控制器；
[3]控制器解析该packet-in事件，得出该主机的位置信息（DPID,PORT）,并由ARP广播包提供的源IP地址和MAC地址信息，记录下主机基本信息（如图2所示）。
3）当主机离开时，与其连接的交换机会触发PortStatus的消息，控制器收到该信息后主动向该主机所在位置发送探测信息（如ARPREQUEST），如果在3秒之内未收到该主机的应答，则说明此主机已经离开网络，而非网线松动等情况，控制器可以通过查找{(DPID,PORT):IP}表来获取该端口的主机的IP地址，然后根据查找到的IP地址删除{IP:MAC,(DPID,PORT)}表中的相应条目。
[1]当主机A离开网络时，与其连接的交换机的端口PORTA的电平跳变；
[2]交换机S1感受到PORTA的状态变化，故将此信息以PortStatus消息提交给控制器；
[3]控制器收到该消息，解析得出主机位置信息(DPID1,PORTA),并通过{(DPID,PORT):IP}表查找到该主机的IPA；
[4]利用该主机的IPA构造一个探测包（如ARPREQUEST）,并将其封装成packet-out消息转发给交换机S1（由packet-out消息中的dpid指定）；
[5]交换机S1接收到该消息后，解析得出探测包（如ARPREQUEST），从连接主机A的端口转发出去（由packet-out消息的port指定）；
[6]若主机A确实离开了网络,则不会产生应答信息，避免由于其它未知原因（如端口松动等）引起端口状态跳变，从而导致控制器错误删除主机信息；
[7]若交换机S1接收到应答包，则会以packet-in消息的方式提交给控制器；
[8]控制器解析该packet-in消息，如果是主机A的ARP应答包，则不对主机信息表进行操作；
[9]如果控制器在3秒内未收到探测包的应答包，则根据[3]中提取出来的(DPID1,PORTA)以hash方式从{(DPID,PORT):IP}表中查找源主机的IP地址IPA，根据查找到的IPA删除{IP:MAC,(DPID,PORT)}表中的相应条目，然后根据(DPID1,PORTA)删除{(DPID,PORT):IP}表中的相应条目。
图1、2的注解：
1、IPA,IPX,IPY分别代表主机A，DHCP服务器X，以及DHCP服务器Y的IP地址信息；
2、DPID1,DPID2,DPID3分别代表交换机S1，交换机S2,以及交换机S3的数据路径ID信息；
3、MACA,MACX,MACY分别代表主机A，DHCP服务器X以及DHCP服务器Y的MAC地址信息。
4、PORTA,PORTX,PORTY分别代表主机A，DHCP服务器X以及DHCP服务器Y与交换机相连的端口（交换机端）。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护。
Claims (3)
1.一种基于SDN的终端设备实时接入、离开感知方法，其特征在于包括以下步骤：
1)当主机A采用自动获取IP地址方式接入SDN网络时，向交换机发出一系列DHCPDISCOVERY广播包；
2)交换机接收到该广播包后首先匹配流表，如果没有匹配的流表项，则会以packet-in事件的形式将此广播包交给控制器；
3)控制器接收到packet-in消息后分析事件类型以及信息的内容，临时记录源主机的位置信息，初始化两张主机信息表，分别为{IP:MAC,(DPID,PORT)}，{(DPID,PORT):IP}；之后在控制器截获DHCPACK信息包后，提取其中的IP地址和MAC地址信息，IP地址和MAC地址信息分别对应DHCPACK中的yiaddr和chaddr字段，并结合之前临时记录的位置信息，将主机信息记录到上述的两张主机信息表中；
4)当主机离开时，与其连接的交换机的相应端口的电平会发生跳变，触发PortStatus的事件，控制器接收到该消息后主动向该主机所在位置发送探测信息，如果在规定时间内未收到该主机的应答，则说明此主机已经离开网络，而非其它异常情况，控制器根据{(DPID,PORT):IP}表经Hash算法得出IP地址，然后根据查找到的IP地址删除{IP:MAC,(DPID,PORT)}表中的相应条目。
2.根据权利要求1所述的基于SDN的终端设备实时接入、离开感知方法，其特征在于步骤3)的具体过程为：
3.1)控制器收到packet-in消息，解析得出主机A位置信息并记录到临时表中，再从DHCP服务器列表中选择一个DHCP服务器；
3.2)利用DHCP服务器的位置信息将接收到的DHCPDISCOVERY广播包封装成packet-out消息转发给交换机S3，交换机S3由packet-out消息中的dpid指定；
3.3)交换机S3接收到该消息后，解析得出DHCPDISCOVERY广播包，从连接DHCP服务器X的端口转发出去，该服务器X也由packet-out消息的port指定；
3.4)DHCP服务器X接收到DHCPDISCOVERY广播包后响应一个DHCPOFFER广播包，
3.5)交换机S3接收到DHCPOFFER广播包之后以packet-in消息的方式提交给控制器；
3.6)控制器解析该packet-in消息，提取DHCPOFFER广播包的chaddr字段，即源主机的MAC地址，并从临时表中以hash方式查找源主机位置信息H(packet.chaddr)→Location；
3.7)控制器根据提供的主机位置信息封装成packet-out消息并转发至交换机S1；
3.8)交换机S1接收到该消息后，解析出DHCPOFFER广播包，并从连接源主机的端口发出去；
3.9)主机A收到DHCPOFFER后，再发送一个DHCPREQUEST广播包；
3.10)S1接收到之后以packet-in消息方式发给控制器；
3.11)控制器解析得出DHCPREQUEST广播包，并从中提取提供服务的DHCP服务器IP地址，并更新临时表中的主机位置；
3.12)控制器根据DHCPREQUEST广播包提取的DHCP服务器IP地址，查找得出DHCP服务器的位置消息，并以此封装成packet-out消息转发至交换机S3；
3.13)交换机S3解析该消息，得到DHCPREQUEST广播包，并转发给DHCP服务器X；
3.14)DHCP服务器收到DHCPREQUEST后响应DHCPACK广播包或者DHCPNACK广播包；
3.15)交换机S3以packet-in消息的方式提交给控制器；
3.16)若控制器解析得出DHCPACK广播包时，从DHCPACK中提取源主机的IP地址、MAC地址信息，从临时表中提取主机的位置信息，将请求主机信息注册至主机基本信息表中，同时删除临时表中源主机信息条目；若为DHCPNACK广播包，删除临时表中源主机信息条目；
3.17)将该消息封装成packet-out消息转发至交换机S1；
3.18)交换机S1解析packet-out消息后，将广播包转发给源主机。
3.根据权利要求2所述的基于SDN的终端设备实时接入、离开感知方法，其特征在于步骤4)的具体过程为：
4.1)当主机A离开网络时，与其连接的交换机的端口PORTA的电平跳变；
4.2)交换机S1感受到PORTA的状态变化，故将此信息以PortStatus消息提交给控制器；
4.3)控制器收到该消息，解析得出主机位置信息(DPID1,PORTA),并通过{(DPID,PORT):IP}表查找到该主机的IPA；
4.4)利用该主机的IPA构造一个探测包,并将其封装成packet-out消息转发给交换机S1，该交换机S1由packet-out消息中的dpid指定；
4.5)交换机S1接收到该消息后，解析得出探测包，从连接主机A的端口转发出去；
4.6)若主机A确实离开了网络,则不会产生应答信息；
4.7)若交换机S1接收到应答包，则会以packet-in消息的方式提交给控制器；
4.8)控制器解析该packet-in消息，如果是主机A的ARP应答包，则不对主机信息表进行操作；
4.9)如果控制器在设定时间内未收到探测包的应答包，则根据步骤3.3)中提取出来的(DPIDA,PORTA)以hash方式从{(DPID,PORT):IP}表中查找源主机的IP地址IPA，根据查找到的IPA删除{IP:MAC,(DPID,PORT)}表中的相应条目，然后根据(DPID1,PORTA)删除{(DPID,PORT):IP}表中的相应条目。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 211100, No. 37, general road, Jiangning Development Zone, Nanjing, Jiangsu Applicant after: JIANGSU FUTURE NETWORKS INNOVATION INSTITUTE Applicant after: Beijing University of Posts and Telecommunications Address before: 211100, No. 37, general road, Jiangning Development Zone, Nanjing, Jiangsu Applicant before: China (Nanjing) future network industry innovation center Applicant before: Beijing University of Posts and Telecommunications |
|
| COR | Change of bibliographic data | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |