CN103731307A - 一种针对多业务的标准化数据面动态重构方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对多业务的标准化数据面动态重构方法，在具有多个控制器的软件定义网络中，利用该方法可动态配置网络的拓扑结构（包括节点数量、链路连接关系、以带宽或延迟为衡量指标的链路权值等参量），使得网络结构灵活可变、网络资源可实时调整；当发生网络拥塞、节点崩溃或链路故障时，运营商可主动地进行干预，以均衡负载、切换链路。与现有技术相比，本发明能够根据需要实时地配置流表，且不依赖具体的协议，具有更强的可管理性与灵活性；本发明提供了标准化的重构方法，具有统一的重构接口，使得底层网络能够针对具体业务采取不同的转发策略，且能够在上层承载多业务；本发明具有良好的安全性，避免了重构造成的安全隐患。
Description
技术领域
本发明涉软件定义网络技术领域，尤其涉及一种针对多业务的标准化数据面动态重构方法。
背景技术
在真实的互联网中，网络运营商经常因为各种缘由而需要调整网络的拓扑结构，包括节点数量、链路连接关系、以带宽或延迟为衡量指标的链路权值等参量。拓扑变化后，部署在网络中的交换机需要更新其转发表以适应这些变化，否则报文将不能被正确转发。网络拓扑改变引发众多交换机更新转发表，称为网络的数据面重构。
传统网络的域内拓扑结构发生变化时，其数据面重构会根据诸如OSPF之类的链路状态协议进行。其过程主要包括：所有路由器使用洪泛（Flooding）的方法交换链路状态数据，直到该算法收敛；然后所有路由器根据各自的链路状态数据库计算各自的路由表，并依据新的路由表转发报文。
传统网络的域间拓扑结构发生变化时，其数据面重构会根据诸如BGP之类的外部网关路由协议进行。BGP规定，域的边界结点使用TCP协议与邻接域的边界结点建立连接，以构建邻居关系；边界结点通过发送Keepalive信息来验证TCP连接是否正常、发现邻接拓扑改变；邻居间相互发送NLRI 更新信息，以交换路由表。通过这些方式，边界结点得以及时得知最新的域间路由拓扑，并依此建立各自的转发表。
传统网络的拓扑结构发生变化时，其重构存在以下问题：
1、重构依赖于具体的协议（如OSPF重构、BGP重构），可管理性与灵活性较差。
2、传统网络的转发表由协议规定的路由算法计算，无法由网络业务进行配置，即业务不能定制转发策略，这局限了网络的功能。
3、传统网络的重构过程存在安全漏洞（例如，拓扑改变后，防火墙未及时更新，依旧按照原有拓扑进行安全防护，从而存在隐患）。
针对这一现状，本发明提出了一种软件定义网络（Software-defined Network，SDN）中针对多业务的标准化数据面动态重构方法，在现有SDN管理面中加入标准化数据面资源重构接口、控制器更新协同层，在现有SDN控制面中加入控制器更新接口、业务状态聚合层，有效地解决了这三个问题。本发明既可用于域内重构，也可用于域间重构，还可用于域内、域间同时发生的重构。
本发明涉及使用以下SDN中已有的概念、技术或工具：
数据面是路由体系结构的一部分，包含有众多OpenFlow交换机，其功能是根据流表（Flow Table）处理报文；流表是交换机进行转发策略控制的核心数据结构，交换机通过查找流表表项来决定对报文的处理方式，包括转发、缓存、提交控制器或丢弃等。
控制器是基于OpenFlow协议的路由控制软件，用于管理数据流、配置网络设备、制定流表、承担网络业务与网络设备间的通讯；一个域中可以有多个控制器，但一般只有一个控制器处在控制、管理状态；OpenFlow协议下的安全通道用来连接交换机和控制器，以供二者建立连接、进行通信。
网络信息库（Network Information Base，NIB）是数据面的状态集合，它保存在控制器中，记录有流表以及物理链路状态；物理链路状态即本域内的拓扑信息以及本域与其他域互联的域间拓扑信息，包括节点数量、链路连接关系、以带宽或延迟为衡量指标的链路权值等参量。
网络业务是控制器的一部分，用于提供网络服务。控制器通过加载、卸载、配置网络业务以增删或变更各种网络服务。网络业务计算流表并写入NIB，以改变网络的转发策略。网络业务具有优先级，例如，防火墙作为一种网络业务，通常具有最高优先级。
运营支撑系统（Operation Support System，OSS）是为网络运营商提供业务支持的一套软件工具，包括计费及结算系统、营业与账务系统、客户服务系统和决策支持系统等；在SDN中OSS管理着全网所有的控制器，它可以调用控制器提供的接口以配置底层网络。
发明内容
本发明在具有多个控制器的SDN背景下，提出一种数据面重构方法，以灵活安全地改变网络拓扑结构、动态调整网络资源。本发明既可用于域内重构，也可用于域间重构，还可用于域内、域间同时发生的重构。本发明包括以下步骤（参见图2重构方法的序列图）：
1、OSS部署重构：
1.1、运营商将现有的SDN业务网拓扑修改为所欲的新拓扑，过程如下：
1.1.1、运营商通过OSS提供的用户交互界面（参见图1中OSS的上层），观察到现有SDN业务网拓扑结构；
1.1.2、运营商使用点选、拖拽等鼠标操作方式或者键盘输入数据等键盘操作方式，修改SDN业务网的拓扑结构；
1.2、OSS对比调整前后的拓扑结构，求得拓扑发生的变化，即全网拓扑更新数据；
1.3、OSS调用标准化数据面资源重构接口（参见图1中OSS的中层），将全网拓扑更新数据输入给该接口；
1.4、标准化数据面资源重构接口将全网拓扑更新数据序列化，这一序列化操作可遵照Protobuf或其他序列化协议执行；
1.5、标准化数据面资源重构接口将序列化后的全网拓扑更新数据传递给控制器更新协同层（参见图1中OSS的底层）；
1.6、控制器更新协同层对全网拓扑更新数据进行分类归纳，得出各个域的拓扑更新；
1.7、控制器更新协同层列出需要重构的控制器，并分别调用这些控制器的控制器更新接口（参见图1中控制器的上层），将该控制器所管控的域的拓扑更新发送给该更新接口——这一调用可借助分布式哈希表（Distributed Hash Table，DHT）实现，即：
1.7.1、协同层将拓扑更新数据写入DHT中该控制器对应的拓扑更新键值；
1.7.2、协同层将DHT中该控制器对应的重构启动键值设置为真；
1.7.3、DHT产生事件，触发该控制器启动重构；
2、控制器计算流表：
2.1、被触发的控制器读取DHT中该控制器对应的拓扑更新键值，以获取本域的拓扑更新；
2.2、控制器更新接口将拓扑更新发送给各个已加载的网络业务（参见图1中控制器的中层）；
2.3、各业务利用原有网络拓扑和拓扑更新数据，求出新的网络拓扑；
2.4、各业务利用各自定义的路由算法，根据新的网络拓扑计算该业务的流表，并与该业务原有流表对比，得出该业务流表更新；
2.5、各业务分别将各自的流表更新发送给业务状态聚合层（参见图1中控制器的中层）；
2.6、业务状态聚合层收到所有网络业务的流表更新后，合并入聚合层原先所记录的各业务流表中；
2.7、业务状态聚合层根据业务优先级协调各业务流表间的冲突，排除网络安全隐患，得出安全、可用的流表，这一过程具体包括：
2.7.1、聚合层读取各个业务的流表，记录用于匹配报文目的IP的地址范围，称为该业务的流表空间；
2.7.2、聚合层求取各业务的流表空间交集，记为流表冲突项；
2.7.3、聚合层删除低优先级业务的流表空间中的流表冲突项；
2.7.4、聚合层将冲突协调后的流表聚合，得出安全、可用的流表。
2.8、控制器将DHT中该控制器对应的业务流表聚合完成键值设置为真，以通知OSS重构进度；
2.9、业务状态聚合层将流表更新写入NIB（参见图1中控制器的底层），并记录下需要更新流表的交换机；
2.10、控制器更新接口将物理链路状态更新写入NIB；
2.11、控制器将DHT中该控制器对应的NIB更新完成键值设置为真，以通知OSS重构进度；
3、控制器配置交换机：
3.1、控制器通过安全通道向需要更新流表的交换机发送Configuration消息（该消息由OpenFlow协议定义，用于控制器设置或查询交换机上的配置信息），命令这些交换机进入重构状态；
3.2、收到重构命令的交换机停止转发数据报，删除全部流表，并向控制器发送Flow - removed消息（该消息由OpenFlow协议定义，用于表示交换机中的流表项被删除掉），表明可以开始重构；
3.3、控制器将DHT中该控制器对应的数据面停机键值设置为真，以通知OSS重构进度；
3.4、控制器检索NIB，读取各个需要更新的交换机的流表，并在安全通道中利用Modify-state消息（该消息由OpenFlow协议定义，用于控制器管理交换机流表项和端口状态等）将其发送给对应的交换机；
3.5、交换机收到新的流表后，进行保存，并向控制器发送Packet-in消息（该消息由OpenFlow协议定义，可以用于向控制器发送通知），表明配置完毕；
3.6、控制器确认所有交换机配置完毕后，利用Configuration消息，命令各个交换机恢复数据报转发。
3.7、控制器将DHT中该控制器对应的重构完成键值设置为真，以通知OSS重构进度；
4、重构结束：OSS待所有控制器重构完毕后，将DHT中上文提及的各个键值清零，本次数据面重构结束。
本发明的有益效果是：利用本发明可动态配置SDN的拓扑结构，实时地将新的链路信息发布到各个路由节点，并保证网络按照新的设定，安全平稳地向前演进，从而使得网络结构灵活可变、网络资源可实时调整；当发生网络拥塞、节点崩溃或链路故障时，运营商可主动地进行干预，通过数据面重构修改个别或全部路由节点的转发表，以均衡负载、切换链路；本发明既可用于域内重构，也可用于域间重构，还可用于域内、域间同时发生的重构。与现有技术相比，本发明有三方面优势：
1、对于同样规模网络，当网络拓扑发生变化时，本重构方法与传统网络重构方法的时间复杂度相同；但传统网络的重构（如OSPF重构、BGP重构）依赖于具体的网络协议，可管理性与灵活性较差；而本发明不依赖于具体的协议，且能够根据需要实时地配置流表，具有更强的可管理性与灵活性。
2、本发明提供了标准化的重构方法，具有统一的重构接口，不同的网络业务均可根据需要，配置该业务的流表，定制所需的网络属性，使得底层网络能够针对具体业务采取不同的转发策略，且各业务之间互不冲突，从而使得网络能够在上层承载多业务。
3、本发明具有良好的安全性。传统网络会因网络拓扑变化而产生安全漏洞（例如，拓扑改变后，防火墙未及时更新，依旧按照原有拓扑进行安全防护，从而存在隐患）；本发明的标准化重构方法在不增加复杂度的前提下，使得网络状态信息在各个业务间保持一致，提升了网络安全性。
附图说明
图1是本重构方法架构图；
图2是数据面动态重构方法序列图；
图3是重构前的SDN业务网拓扑结构示例图；
图4是重构后的SDN业务网拓扑结构示例图。
具体实施方式
下面以运营商改变SDN节点连接关系为例，结合图3、图4详细描述本发明。
本发明针对多业务的标准化数据面动态重构方法，包括以下步骤：
1、OSS部署重构：
1.1、运营商将现有的SDN业务网拓扑修改为所欲的新拓扑（例如将图3所示拓扑修改为图4所示拓扑），过程如下：
1.1.1、运营商通过OSS提供的用户交互界面，观察到现有SDN业务网拓扑结构，包括三个域：域A、域B及域C，三个域中共有15台交换机互相连接（例如图3）；
1.1.2、运营商使用点选、拖拽等鼠标操作方式或者键盘输入数据等键盘操作方式，修改SDN业务网的拓扑结构（例如图4）；
1.2、OSS对比调整前后的拓扑结构，求得拓扑发生的变化，即全网拓扑更新数据；
1.3、OSS调用标准化数据面资源重构接口，将全网拓扑更新数据输入给该接口；
1.4、标准化数据面资源重构接口将全网拓扑更新数据序列化，这一序列化操作可遵照Protobuf或其他序列化协议执行；
1.5、标准化数据面资源重构接口将序列化后的全网拓扑更新数据传递给控制器更新协同层；
1.6、控制器更新协同层对全网拓扑更新数据进行分类归纳，得出域A、域B及域C的拓扑更新；
1.7、控制器更新协同层发现域A、域B的控制器需要重构，于是分别调用这两个域的控制器的控制器更新接口，将域A、域B的拓扑更新发送给对应控制器的更新接口——这一调用可借助DHT实现，即：
1.7.1、协同层将拓扑更新数据分别写入DHT中域A、域B的控制器对应的拓扑更新键值；
1.7.2、将DHT中这两个控制器对应的重构启动键值设置为真；
1.7.3、DHT产生事件，触发这两个控制器启动重构；
2、控制器计算流表：
2.1、域A、域B的控制器分别读取DHT中该控制器对应的拓扑更新键值，以获取本域的拓扑更新，之后分别开始执行重构；
2.2、控制器更新接口将拓扑更新发送给各个已加载的网络业务；
2.3、各业务利用原有网络拓扑和拓扑更新数据，求出新的网络拓扑；
2.4、各业务利用各自定义的路由算法，根据新的网络拓扑计算该业务的流表，并与该业务原有流表对比，得出该业务流表更新；
2.5、各业务分别将各自的流表更新发送给业务状态聚合层；
2.6、业务状态聚合层收到所有网络业务的流表更新后，合并入聚合层原先所记录的各业务流表中；
2.7、业务状态聚合层根据业务优先级协调各业务流表间的冲突，排除网络安全隐患，得出安全、可用的流表，这一过程举例如下：
2.7.1、聚合层读取各个业务的流表，记录视频业务的流表空间为10. 15. 123. 128至10. 15. 123. 254、防火墙的流表空间为10. 15. 123. 192至10. 15. 123. 254；
2.7.2、聚合层求取各业务的流表空间交集，得到视频业务与防火墙的流表冲突项为10. 15. 123. 192至10. 15. 123. 254；
2.7.3、防火墙的优先级高于视频业务，聚合层删除视频业务流表空间中的流表冲突项，从而视频业务流表空间变为10. 15. 123. 128至10. 15. 123. 191；
2.7.4、聚合层将冲突协调后的流表聚合，得出安全、可用的流表。
2.8、控制器将DHT中该控制器对应的业务流表聚合完成键值设置为真，以通知OSS重构进度；
2.9、业务状态聚合层将流表更新写入NIB，并记录下需要更新流表的交换机；
2.10、控制器更新接口将物理链路状态更新写入NIB；
2.11、控制器将DHT中该控制器对应的NIB更新完成键值设置为真，以通知OSS重构进度；
3、控制器配置交换机：
3.1、控制器通过安全通道（在图3、图4中以折线表示）向需要更新流表的交换机发送Configuration消息（该消息由OpenFlow协议定义，用于控制器设置或查询交换机上的配置信息），命令这些交换机进入重构状态；
3.2、收到重构命令的交换机停止转发数据报，删除全部流表，并向控制器发送Flow - removed消息（该消息由OpenFlow协议定义，用于表示交换机中的流表项被删除掉），表明可以开始重构；
3.3、控制器将DHT中该控制器对应的数据面停机键值设置为真，以通知OSS重构进度；
3.4、控制器检索NIB，读取各个需要更新的交换机的流表，并在安全通道中利用Modify-state消息（该消息由OpenFlow协议定义，用于控制器管理交换机流表项和端口状态等）将其发送给对应的交换机；
3.5、交换机收到新的流表后，进行保存，并向控制器发送Packet-in消息（该消息由OpenFlow协议定义，可以用于向控制器发送通知），表明配置完毕；
3.6、控制器确认所有交换机配置完毕后，利用Configuration消息，命令各个交换机恢复数据报转发。
3.7、控制器将DHT中该控制器对应的重构完成键值设置为真，以通知OSS重构进度；
4、重构结束：OSS待域A、域B的控制器均重构完毕后，将DHT中上文提及的各个键值清零，本次数据面重构结束。
Claims (1)
1.一种针对多业务的标准化数据面动态重构方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）运营支撑系统部署重构，包括以下子步骤：
（1.1）将现有的软件定义网络业务网拓扑修改为所欲的新拓扑，过程如下：
（1.1.1）运营商通过运营支撑系统提供的用户交互界面，观察到现有软件定义网络业务网拓扑结构；
（1.1.2）使用点选、拖拽等鼠标操作方式或者键盘输入数据等键盘操作方式，修改软件定义网络业务网的拓扑结构；
（1.2）运营支撑系统对比调整前后的拓扑结构，求得拓扑发生的变化，即全网拓扑更新数据；
（1.3）运营支撑系统调用标准化数据面资源重构接口，将全网拓扑更新数据输入给该接口；
（1.4）标准化数据面资源重构接口将全网拓扑更新数据序列化；所述序列化操作可遵照Protobuf或其他序列化协议执行；
（1.5）标准化数据面资源重构接口将序列化后的全网拓扑更新数据传递给控制器更新协同层；
（1.6）控制器更新协同层对全网拓扑更新数据进行分类归纳，得出各个域的拓扑更新；
（1.7）控制器更新协同层列出需要重构的控制器，并分别调用这些控制器的控制器更新接口，将该控制器所管控的域的拓扑更新发送给该更新接口；所述调用可借助分布式哈希表实现，具体包括以下子步骤：
（1.7.1）协同层将拓扑更新数据写入分布式哈希表中该控制器对应的拓扑更新键值；
（1.7.2）协同层将分布式哈希表中该控制器对应的重构启动键值设置为真；
（1.7.3）分布式哈希表产生事件，触发该控制器启动重构；
（2）控制器计算流表：
（2.1）被触发的控制器读取分布式哈希表中该控制器对应的拓扑更新键值，以获取本域的拓扑更新；
（2.2）控制器更新接口将拓扑更新发送给各个已加载的网络业务；
（2.3）各业务利用原有网络拓扑和拓扑更新数据，求出新的网络拓扑；
（2.4）各业务利用各自定义的路由算法，根据新的网络拓扑计算该业务的流表，并与该业务原有流表对比，得出该业务流表更新；
（2.5）各业务分别将各自的流表更新发送给业务状态聚合层；
（2.6）业务状态聚合层收到所有网络业务的流表更新后，合并入聚合层原先所记录的各业务流表中；
（2.7）业务状态聚合层根据业务优先级协调各业务流表间的冲突，排除网络安全隐患，得出安全、可用的流表，这一过程具体包括：
（2.7.1）聚合层读取各个业务的流表，记录用于匹配报文目的IP的地址范围，称为该业务的流表空间；
（2.7.2）聚合层求取各业务的流表空间交集，记为流表冲突项；
（2.7.3）聚合层删除低优先级业务的流表空间中的流表冲突项；
（2.7.4）聚合层将冲突协调后的流表聚合，得出安全、可用的流表；
（2.8）控制器将分布式哈希表中该控制器对应的业务流表聚合完成键值设置为真，以通知运营支撑系统重构进度；
（2.9）业务状态聚合层将流表更新写入网络信息库，并记录下需要更新流表的交换机；
（2.10）控制器更新接口将物理链路状态更新写入网络信息库；
（2.11）控制器将分布式哈希表中该控制器对应的网络信息库更新完成键值设置为真，以通知运营支撑系统重构进度；
（3）控制器配置交换机：
（3.1）控制器通过安全通道向需要更新流表的交换机发送Configuration消息，命令这些交换机进入重构状态；所述Configuration消息由OpenFlow协议定义，用于控制器设置或查询交换机上的配置信息；
（3.2）收到重构命令的交换机停止转发数据报，删除全部流表，并向控制器发送Flow - removed消息，表明可以开始重构；所述Flow - removed消息由OpenFlow协议定义，用于表示交换机中的流表项被删除掉；
（3.3）控制器将分布式哈希表中该控制器对应的数据面停机键值设置为真，以通知运营支撑系统重构进度；
（3.4）控制器检索网络信息库，读取各个需要更新的交换机的流表，并在安全通道中利用Modify-state消息将其发送给对应的交换机；所述Modify-state消息由OpenFlow协议定义，用于控制器管理交换机流表项和端口状态等；
（3.5）交换机收到新的流表后，进行保存，并向控制器发送Packet-in消息，表明配置完毕；所述Packet-in消息由OpenFlow协议定义，可以用于向控制器发送通知；
（3.6）控制器确认所有交换机配置完毕后，利用Configuration消息，命令各个交换机恢复数据报转发；
（3.7）控制器将分布式哈希表中该控制器对应的重构完成键值设置为真，以通知运营支撑系统重构进度；
（4）重构结束：运营支撑系统待所有控制器重构完毕后，将分布式哈希表中上文提及的各个键值清零，本次数据面重构结束。
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