CN103369613A

CN103369613A - 基于OpenFlow实现移动切换的系统和方法

Info

Publication number: CN103369613A
Application number: CN2013102805829A
Authority: CN
Inventors: 葛敬国; 吴玉磊; 鄂跃鹏; 游军玲; 崔大凯; 李佟; 韩春静
Original assignee: Computer Network Information Center of CAS
Current assignee: Computer Network Information Center of CAS
Priority date: 2013-07-05
Filing date: 2013-07-05
Publication date: 2013-10-23

Abstract

本发明中移动节点与互联网另一端的通信节点保持通信，移动节点移动过程中，在两个无线接入点信号覆盖范围的公共部分完成接入点切换。控制器通过各个支持OpenFlow功能的网络交换设备的反馈了解全局的网络信息，当达到指定的移动切换触发条件时触发切换，控制器为相应的支持OpenFlow功能的网络交换设备和无线接入点下发流规则，指定新的数据流转发路径，使得切换过程中移动节点与通信节点的通信不会中断。

Description

基于OpenFlow实现移动切换的系统和方法

技术领域

本发明涉及计算机网络领域，具体地涉及基于OpenFlow实现移动切换的系统和方法。

背景技术

在无线网络中，终端在移动过程中会改变网络接入点，为了保持节点通信的连续性，Internet工程任务组（Internet Engineering Task Force，IETF）制定了移动IP标准通信协议。移动IP定义了三类功能实体：移动节点（Mobile Node，MN）、家乡代理（Home Agent，HA）、外地代理（Foreign Agent，FA）。其中，家乡代理和外地代理统称为移动代理（Mobility Agent，MA）。

当MN从一个MA覆盖的范围移动到另一个MA覆盖的范围时，将MN的通信转交给后一个MA的过程称为移动IP切换。移动IP切换主要经历两个阶段：移动检测（Movement Detection）阶段和重新注册（Re-registration）阶段。

节点通过Movement Detection来确定自己是否进入了新的链路，并向新的访问路由器（Access Router，AR）获取转交地址（Care of Address，CoA）。Movement Detection由三个阶段组成：1）获取移动提示，包括获取链路层触发信息（Link Layer Trigger），如信号强度的变化、自身链路标识（LID）的改变等，以及网络层信息，如接收到新的路由器广播通告（Router Advertisement，RA）或者当前RA生存期即将结束等。2）根据上述信息判断自身是否进入了新的链路。如果发现当前RA生存期结束，则认为自己连接到了新的链路上；如果接收到新RA，移动节点将新RA中的网络前缀同当前RA的网络前缀作比较，如果两者不同则认为发生自身连接到了新的链路上。3）移动节点通过DHCP或手动配置获得一个或多个新的CoA。

当漫游到某个外地子网时，MN必须向HA重新注册其当前的CoA，HA将MN的CoA与MN的家乡地址（Home of Address，HoA）绑定，以便能够向MN转发数据包。如果在外地网络中的MN欲与通信节点（Corresponding Node，CN）进行通信，CN发出的数据包需先发送给HA，HA封装该数据包，并通过隧道发送给FA，FA解封装数据包，并将其转发给MN；而MN发送数据时可将FA作为其缺省路由器，从而直接将数据发送给CN。

移动IP是一种简单有效的网络层移动性解决方案，但它依然存在一些问题。在IPv4网络中，移动IP最重要的问题是三角路由。移动IP中的三角路由现象可以通过图2来描述。该网络中包含了移动IP方案中定义的三类功能实体（HA、FA、MN）以及CN。当MN漫游到一个外地子网，为了保证在网络切换的过程中保持移动对于通信应用的透明，需要通信应用的网络层标识（即IP地址）保持不变。由于CN只知道MN的HoA而不知道其临时CoA，所以CN发给MN的数据包根据路由机制首先到达MN的HA，HA再对该数据包进行封装（新包的目的地址是MN的临时CoA，这个地址在Re-registration过程中与MN的HoA绑定），通过隧道转发给FA。FA将其解封装，然后发给MN（图2中CN到MN）。而MN发给CN的数据包则是按照路由规则通过FA直接发给CN（图2中MN到CN）。这样往返的数据流形成三角路由现象。三角路由问题严重浪费网络资源，增加数据包传输延迟，使得网络通信效率极度下降，并且增加了HA的处理负担。

移动IP中还存在入口过滤问题。如图3所示，MN与CN在不同的自治域：CN处于自治域A，并且该自治域有多个入口，且在入口处使用了防火墙，而MN处于另一个自治域B。在这种情况下，CN发出的请求数据包按照图3中CN到MN的路径通过HA转发到MN，而MN的响应数据包则是通过图3中MN到CN的路径返回给CN，响应数据包到达自治域A的另一个入口需要经过防火墙2。由于请求数据包未经过该防火墙，此时接收到的数据包就是没有请求的响应数据包，防火墙的规则通常是丢弃这类数据包，这就造成MN和CN通信的中断。如果响应数据包按照图3中CN到MN路径的反方向再经过HA使用隧道技术通信，将会造成更大的网络延迟和更低的通信效率。

发明内容

OpenFlow技术目前在固网中的研究和应用已经取得一定的成果，但OpenFlow技术在无线网络中的研究尚处于起步阶段，还没有具体成果。本发明结合OpenFlow技术与无线网络中的移动通信技术，提出一种基于OpenFlow技术实现移动切换的系统和方法。

基于OpenFlow的移动切换系统，包括OpenFlow控制器以及支持OpenFlow功能的网络交换设备（主要包括网络干路上的OpenFlow交换机以及网络边缘至少两个为终端提供接入能力的支持OpenFlow功能的无线接入点：所述至少两个无线接入点信号覆盖范围有交集。）；

MN：通过无线接入点与网络另一端的通信节点通信，在移动到另一个无线接入点信号覆盖范围内时，在与所述无线接入点和所述另一个无线接入点的信号覆盖范围的交集部分完成接入点切换；

其中，所述OpenFlow控制器通过各个所述OpenFlow网络交换设备的反馈了解全局的网络信息，所述移动切换通过所述OpenFlow控制器和所述OpenFlow网络交换设备完成。

基于OpenFlow的移动切换方法，其特征在于控制器下发流规则到支持OpenFlow功能的网络交换设备中，控制数据流的传输路径。该方法包括初始通信过程和移动切换过程；

所述初始通信过程是MN接入到无线接入点后与CN通信的过程，由OpenFlow控制器选择路径，并为沿途的OpenFlow网络交换设备下发相应的流表规则，使得通信双方的数据包按流规则进行转发；

所述移动切换过程是当所述MN从一个无线接入点A覆盖的范围移动到另一个无线接入点B覆盖的范围时，将所述MN的通信转交给无线接入点B的过程；当所述MN断开与所述无线接入点A的连接并接入到所述无线接入点B时，所述OpenFlow控制器通过所述无线接入点B的反馈得知发生移动切换，重新选定转发路径，并为该路径上的所述OpenFlow网络交换设备下发流表规则，数据流按照新的规则进行转发。

基于OpenFlow技术的移动切换使用控制器指定的路径进行转发，不需要为MN分配新的CoA，很好地解决了传统移动IP中的三角路由问题。同时，MN和CN是否在同一个自治域，并不影响该方案中的数据转发和移动切换，数据流的路径完全由控制器指定，并且通常情况下往返的路径是一致的，因此也不存在入口过滤问题引起的通信中断问题。

附图说明

图1：OpenFlow模型示意图

图2：移动IP中的三角路由问题

图3：移动IP中的入口过滤问题

图4：基于OpenFlow的移动切换模型

图5：基于OpenFlow的移动通信示例说明

图5(a)MN在无线接入点A的覆盖范围内

图5(b)MN移动到无线接入点B的覆盖范围中

具体实施方式

OpenFlow模型的核心思想是将传统网络交换设备的路由控制逻辑和数据转发功能进行分离（如图1所示）。其中路由控制逻辑由控制器完成，控制器采用开放系统构建，是一个可编程平台，新的需求可以直接在集中的控制器上快速实现，具有良好的扩展性。而数据转发功能由OpenFlow交换机完成，其中包含了流表和安全通道两部分，流表中存储了控制器下发的规则，通过查找和匹配这些规则完成对数据包的处理；当流表中没有匹配的规则，数据流信息会被封装并发送到控制器，集中由控制器决定路由转发逻辑。控制器和OpenFlow交换机之间则是通过安全通道，采用标准的OpenFlow协议进行通信，控制器可以远程控制和访问交换机中的流表，这样就使得整个网络的功能被抽象成标准的API接口，网络管理者通过这些API接口自定义策略，来控制网络中数据流的走向及行为。这种控制权与交换设备的解耦合，为网络带来了更大的灵活性和可控性。

图4为典型的基于OpenFlow的移动切换系统，其中(1)(2)是无线接入点，标记为A和B，(3)是OpenFlow交换机,标记为C，(4)(5)分别是无线接入点A和B的覆盖范围，(6)是无线接入点A和B覆盖范围的公共部分，(７)是MN之前的位置，(８)是MN的当前位置。网络设备(１)～(3)支持OpenFlow功能。MN通过无线接入点A与互联网中的CN通信，在移动过程中，在两个无线接入点信号覆盖范围的交集部分完成接入点切换。

基于OpenFlow的移动切换有两种基本过程：初始通信过程和移动切换过程。

初始通信过程是指MN接入到无线接入点后与CN通信的过程。在此过程中，由控制器选择路径，并为沿途的OpenFlow交换机下发相应的流表规则，使得通信双方的数据包按流规则进行转发。

移动切换过程是指当MN从一个无线接入点A覆盖的范围移动到另一个无线接入点B覆盖的范围时，将MN的通信转交给无线接入点B的过程。控制器设置移动切换触发的条件，当控制器通过OpenFlow网络交换设备反馈的信息了解到移动节点的状态达到移动切换触发的条件时，由控制器触发移动切换，选择新的接入点并重新计算转发路径，并为该路径上的OpenFlow网络交换设备下发流表规则，数据流按照新的规则进行转发，保证了节点通信的连续性。

如果OpenFlow网络交换设备中没有与数据流匹配的流表规则，则会按照OpenFlow协议封装该数据流的相关信息并转发到控制器，由控制器决定这种类型的数据流的处理方式，因此对于每种类型的数据流都会有一次额外的OpenFlow网络交换设备和控制器之间的交互过程，但所述交互过程中不需要封装完整的数据包，因此仅会占用极少的带宽资源。在控制器下发相应的流表规则后，OpenFlow网络交换设备对于同类型的数据流可以按照流规则进行处理。所以基于OpenFlow技术的移动切换不需要为MN分配新的CoA，很好的解决了传统移动IP中的三角路由问题，对于MN和CN不在同一个自治域中的情况，也不存在因为入口过滤引起的通信中断问题。本方案明显提高网络通信效率，有效节省网络资源。

一个典型的移动通信网络如图5所示。在图5(a)中，MN 的MAC地址为00-00-00-00-00-02，IP地址为159.226.58.215，最初位于无线接入点A的覆盖范围内，而CN的MAC地址为00-00-00-00-00-01，IP地址为119.75.217.56。该网络模型中每个网络设备都支持OpenFlow功能，并且分别拥有两个或以上转发端口。控制器中运行OpenFlow控制器程序。

下面通过具体示例说明基于OpenFlow的移动通信模型工作流程。

1) 初始状态下，控制器根据OpenFlow网络交换设备的反馈掌握整个网络的拓扑、链路状况等信息（例如使用邻接矩阵保存网络图结构）。

2) MN首次接入无线接入点A，并请求与CN通信，其过程如下：

a) MN根据IEEE 802.11的标准完成与无线接入点A的连接，并将与CN的通信请求发送到无线接入点A；

b) 无线接入点A在其流表中查看是否有与该数据流匹配的规则，若无相应的流规则，则提取该数据包的流标识信息（比如原MAC地址、目的MAC地址、原IP地址、目的IP地址等），按照OpenFlow协议对信息进行封装，构造Packet-in消息发送给控制器。

c) 控制器收到packet-in消息后，根据数据流特征，标记该数据流（例如使用MAC地址标记：源MAC地址为00-00-00-00-00-02，目的MAC地址为00-00-00-00-00-01）。由于控制器掌握网络全局拓扑，因此能够确定CN的位置。控制器根据选路算法计算MN到CN的合适路径（比如使用Dijkstra算法计算最短路径），得到该数据流的路径(MN-A-D-C-CN)，通常情况下往返数据包路径一致，然后为路径上的OpenFlow交换机下发相应的规则，见下表。

d) 该通信请求按照控制器指定的路径到达CN。CN对该通信请求作出响应，数据包按照控制器指定的路径返回到MN。

3) 经过上述步骤，MN和CN完成一次交互。在条件不变的情况下，MN和CN之间的数据流就按照上述路径完成转发，无需经过与控制器的交互。注意到在流规则中设置了规则有效时间idle_timeout为20秒，在20秒内如果有数据包与该规则匹配，则有效时间刷新，重新计时；如果在20秒内没有数据包与该规则匹配，则该规则被删除，交换机可以主动发送OFPT_FLOW_REMOVED消息通知控制器，若需要继续通信则要重复上述步骤重新设置流规则，或者由控制器直接重新设定规则。

4) MN在移动过程中实时将其监听到的接入点以及各自的信号强度反馈给控制器，当达到控制器设定的移动切换条件，即当MN移动到无线接入点B的覆盖范围时，如图5(b)所示，由控制器触发移动切换，并计算切换完成后新的传输路径（MN-B-E-C-CN），然后为新的传输路径上相应的OpenFlow网络交换设备下发流规则，见下表。

本领域的技术人员可以理解：实现上述系统和方法实施例的全部或部分可以通过程序指令相关的硬件完成，也可以通过软件完成。以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种基于OpenFlow的移动切换系统，其特征在于其中的网络交换设备支持OpenFlow功能，包括OpenFlow控制器和OpenFlow交换机，以及

至少两个支持OpenFlow的无线接入点：所述至少两个无线接入点信号覆盖范围有交集；

移动节点：通过无线接入点与网络另一端的通信节点通信，在移动到另一个无线接入点信号覆盖范围内时，在与所述无线接入点和所述另一个无线接入点的信号覆盖范围的交集部分完成接入点切换；

其中，所述OpenFlow控制器通过各个所述OpenFlow交换机的反馈了解全局的网络信息，所述移动切换通过所述OpenFlow控制器和所述OpenFlow交换机完成。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于通过移动检测确定所述移动节点移动到另一个无线接入点信号覆盖范围内。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述移动切换包括数据包的路由转发。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于所述路由转发利用流表规则，所述流表规则由所述OpenFlow控制器下发到所述OpenFlow交换机。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于所述下发按照OpenFlow协议。

6.一种基于OpenFlow的移动切换方法，其特征在于应用于支持OpenFlow功能的网络交换设备中，该方法包括初始通信过程和移动切换过程；

所述初始通信过程是移动节点接入到无线接入点后与通信节点通信的过程，由OpenFlow控制器选择路径，并为沿途的OpenFlow交换机下发相应的流表规则，使得通信双方的数据包按流规则进行转发；

所述移动切换过程是当所述移动节点从一个无线接入点A覆盖的范围移动到另一个无线接入点B覆盖的范围时，将所述移动节点的通信转交给无线接入点B的过程；当所述移动节点断开与所述无线接入点A的连接并接入到所述无线接入点B时，所述OpenFlow控制器通过所述无线接入点B的反馈得知发生移动切换，重新选定转发路径，并为该路径上的所述OpenFlow交换机下发流表规则，数据流按照新的规则进行转发。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于通过移动检测确定所述移动节点移动到另一个无线接入点信号覆盖范围。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述初始通信过程包括如下具体步骤：

所述OpenFlow控制器根据所述OpenFlow交换机的反馈掌握整个网络的拓扑、链路状况信息；

所述移动节点首次接入所述无线接入点，并请求与通信对端的所述通信节点通信；

所述移动节点和所述通信节点完成一次交互；

在整个过程中如果所述移动节点探测到已接入另一个无线接入点，所述OpenFlow控制器获取所述无线接入点的改变。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于所述所述移动节点首次接入所述无线接入点，并请求与通信对端的所述通信节点通信具体包括：

所述移动节点根据IEEE 802.11的标准完成与无线接入点的连接，并将与所述通信节点的通信请求发送到无线接入点；

所述无线接入点在其流表中查看是否有与该数据流匹配的规则，若无相应的流规则，则提取该数据包的流标识信息，按照OpenFlow协议对信息进行封装，构造Packet-in消息发送给所述OpenFlow控制器。

所述OpenFlow控制器收到所述packet-in消息后，根据数据流特征，标记该数据流，所述OpenFlow控制器自定义MN到CN的路径为路径上的所述OpenFlow交换机下发相应的规则

通信请求按照所述OpenFlow控制器指定的路径到达所述通信节点，所述通信节点对该通信请求作出响应，数据包按照控制器指定的路径返回到所述移动节点。