CN103856356B - 一种基于用户自管控的家庭网络实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于用户自管控的家庭网络实现方法。在SDN网络架构下，家庭所有用户通过登录家庭网络用户管理图形界面后，根据该界面显示的各种操作进行设置，并将这些设置信息转换成接口参数，传递到与SDN相连的应用程序接口。SDN控制器调用该应用程序接口参数，并根据这些参数执行相应配置操作，在编译后发送到Openflow交换机，交换机根据流表来转发数据包，应用于家庭网关中，从而实现对家庭网的一次自管控。本发明通过SDN技术重构家庭网络架构，从用户自管控角度出发，通过家庭网络管理图形界面，重新定义该家庭网所呈现的信息，并采用软件编程方式实现用户对网络资源的合理调度和管理，提高了家庭网络的性能。

Description

一种基于用户自管控的家庭网络实现方法

技术领域

本发明涉及家庭网络技术领域，具体涉及一种基于用户自管控的家庭网络实现方法，在SDN网络架构下，从用户自管控角度出发，通过家庭网络管理界面，实现用户合理的调度和管理网络资源。

背景技术

随着多屏TV、视频通讯、文件共享/备份等业务广泛用于家庭中，家庭网络逐渐衍生发展形成新的网络层面。家庭网络是融合家庭控制网络和多媒体信息网络于一体的家庭信息化平台，是在家庭范围内实现信息设备、通信设备、娱乐设备、家用电器、自动化设备、照明设备、保安装置及水电气热表设备、家庭求助报警等设备的互连和管理，以及数据和多媒体信息共享的系统。但由于家庭设备来源复杂，且普通家庭不具备专业的IT管理和维护能力。因此现有家庭网络存在着部署成本高、难管理、高故障率等问题。

研究表明，家庭网络的结构对网络的性能有很大的影响。为了解决家庭网络中存在的上述问题，人们将注意力转移到SDN（Software Defined Networking，软件定义网）技术上。SDN技术的基本内涵是通过软件定义方式实现网络资源的动态管理，构建开放的可编程网络，用于实现网络虚拟化和架构共享，提升网络的软件化程度和可编程能力，提高管理的集中化和对业务的开放化。移动网络的SDN控制器的特点是，由SDN通用转发设备把所有网关中较为单一的数据包转发功能独立出来；由SDN控制器实现转发设备的管理及包转发策略的下发；SDN上层应用（APP）实现承载控制、资源分配、干扰协调删除等功能。这样，通过功能重构可使转发面设备通用化，降低网络部署的成本；另一方面，分离出的、软件化的转发控制提升了移动网络功能扩展及组网的灵活性。因此，可以通过SDN的统一控制和资源协调能力，解决家庭网络中一些现存的问题。但目前SDN技术在家庭网络的应用仍处与研究实验阶段，迄今为止还未见有关SDN技术应用于家庭网络的报道。

发明内容

针对现有家庭网络中存在的部署成本高、管理难度大、故障率高以及对外呈现的信息太多或太少等问题，本发明提出一种基于用户自管控的家庭网络实现方法，通过SDN技术重构家庭网络架构，从用户自管控角度出发，通过家庭网络管理图形界面，重新定义该家庭网所呈现的信息，并采用软件编程方式实现用户对网络资源的合理调度和管理，提高家庭网络的性能。

一种基于用户自管控的家庭网络实现方法，包括连接Internet的家庭电脑设备、SDN控制器和Openflow交换机。每台家庭电脑上安装用户管理图形界面，SDN控制器处于整个网络的决策中心，通过用户程序接口API与用户图形界面相连，OpenFlow交换机用于数据转发，通过分析数据包查询流表找到目标家庭，并确定目标家庭的需求，将SDN控制器的解决策略应用到目标家庭网关中。其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

步骤1，设计简单可安装的家庭网络管理用户图形界面软件，并安装在每个家庭的主机上。

所述用户图形界面至少包括三种类型信息：

（1）请求信息，包括：接入控制，用于用户登录信息验证等；带宽请求，用于用户使用管理图形界面设置其不同业务应用的优先级，请求预留带宽。

（2）查询信息，包括在特定端口的主机数、丢弃的数据包量、CRC错误量、交换机的物理拓扑位置等信息。

（3）提示信息，包括当前业务流的流量大小、持续时间等信息。

步骤2，将用户图形界面初始化为登陆界面，每个用户有其各自的用户名与密码。设定超级用户与普通用户，其中超级用户用来管理所有用户的权限。

步骤3，用户登录其家庭网络后，根据各自的需求，在用户图形界面所显示的各种操作中进行相应的设置。

所述设置包括：用户请求接入家庭网的信息验证、每个用户的不同业务的带宽请求、查询当前网络状态及特定端口主机数等操作。比如，用户当前仅使用视频和网页浏览业务，为保证视频流畅，用户可将该视频业务优先级设为最大，而网页浏览的优先级其次，则此时视频业务所占主机的带宽份额最大，以此操作满足用户需求。

步骤4，根据用户在家庭网络中用户图形界面上的设置，将这些设置信息转换成接口参数，并封装为数据包格式，传递到与SDN相连的应用程序接口（API）。

步骤5，SDN控制器调用该API，解码分析数据包内容，并根据这些参数执行相应的配置操作，生成合理的解决策略，并在编译后通过安全通道发送到OpenFlow交换机。

在SDN控制器中，网络操作系统NOS(network operating system)实现控制逻辑功能。运行在NOS之上的应用程序通过调用网络视图中的全局数据，进而操作OpenFlow交换机来对整个网络进行管理和控制。SDN控制器不断地刷新API，检测是否有数据包。

步骤6，进入OpenFlow交换机的数据包通过查询流表来取得对应的操作，并将这些操作应用于家庭网关中。同时返回当前OpenFlow交换机信息。

与现有技术相比，本发明具有以下明显优势：

（1）实现了家庭网络资源的透明化。家庭中优先设定的超级用户可通过设置其他用户权限，管理家庭中每个用户的网络资源；家庭中每个用户可设置其主机各种应用的优先级，合理分配每个用户资源，参与整个SDN网络资源调度。应用本发明可以自配置网络资源，克服了传统家庭网络资源共享的缺点。

（2）实现了家庭网络资源的可视化。目前家庭网络外部或网络运营商（ISP）的策略控制对用户的可见度过低，家庭网络重构后，提升了外部网络策略的可见度。对没有IT知识的普通家庭成员来说，也可通过用户管理图形界面可以很容易地实现对家庭网络的管理维护。

（3）通过SDN重构家庭网络架构提高了网络的管理运营维护能力。SDN控制器采用软件编程方式实现网络资源调度，动态管理整个网络资源，提高资源利用率。其中SDN网络的带宽分配策略采用带宽切片优先级确定方法，保证每个请求所分配的带宽资源连续。

附图说明

图1为本发明所涉及方法的流程图；

图2为本发明实施例家庭网架构图示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

本实施例的家庭网架构图示意图如图2所示，包括连接Internet的四个家庭电脑设备、SDN控制器和Openflow交换机等。四个家庭电脑设备分别属于父亲、母亲、孩子三个用户，一部台式机由家庭成员共享，两台笔记本分别属于父亲和母亲，一个iPad属于孩子。在每个主机上安装用户管理图形界面。根据用户需求，在管理图形界面上进行相应的设置。这些配置操作封装为数据包格式并发送到API中。SDN控制器不断地刷新API，当检测有数据包出现则调用API，并根据控制器中的资源调度策略、网络信息数据库以及分层流表等模块生成相应的解决策略，通过编译后由安全通道发送到Openflow交换机中。Openflow交换机不断地上传当前交换机信息，更新网络信息数据库，并连接Internet。Openflow交换机对接收的数据包进行分析，通过查询流表来取得对应的操作，并将这些操作应用于目标家庭网关中。

本发明所涉及方法的流程图如图1所示，包括以下步骤：

（1）设计简单可安装的家庭网络管理用户图形界面，并安装在家庭的主机上，用户图形界面初始化为登陆界面。

用户图形界面的初始化登录界面，每个用户有自己的用户名和密码。可设置一个超级用户，对其它用户权限进行管控，包括每个用户之间的优先级、限制某个主机访问某些站点等。当添加一个新主机时，超级用户需要为设备命名并设置相应的权限，若是无设置则默认为每个用户优先级相等。同理每个用户可以设定自己主机各种应用的优先级，比如“优先级”的范围为1～6，其中，6表示最高优先级，较高的优先级表示占有较大带宽资源，譬如某视频业务的优先级为6，则可根据该优先级确定该用户视频业务占用户总带宽资源的比例。

用户登录后，该用户管理界面显示各种操作：配置用户及应用的优先级等请求操作，查询当前家庭网络各种状态信息以及各种提示信息等。

（2）根据家庭网络中用户图形界面上的设置，将这些设置信息转换成接口参数，传送到与SDN相连的应用程序接口。

用户端有三种类型信息：（1）请求；（2）查询；（3）提示；

请求信息包括：

1）接入控制：用户登录信息验证等；

2）带宽请求：通过设置每个用户主机的不同业务应用的优先级，请求预留不同的带宽。

用户带宽取决于它在所有用户中所占带宽份额。每个用户主机应用所占用的带宽取决于它在该用户总带宽中所占的带宽比例。比如，父亲的笔记本优先级配置为6，其它主机的优先级配置分别为5（母亲主机）、4（共享主机）、3（孩子主机），则父亲的该笔记本的带宽占家庭网络总带宽的比例为：

当某个用户主机设置特定的应用优先级时，参照上述算法，可得出该应用的带宽占该用户总带宽的比例。比如：只考虑视频和网络浏览业务。父亲笔记本中的视频业务的优先级设置为6，网络浏览业务优先级为4，则视频业务带宽占总家庭网络带宽的比例为：

3）速率限制：用户根据当前使用的业务，选择与之相匹配的速率。请求与不同业务相匹配的流量速率，可通过建立的速率限制器发送该请求。

家庭网络中速率在一定范围内，当前使用视频业务，则可选择与视频业务相匹配的较高流量速率。

查询信息包括：在特定端口的主机数、丢弃的数据包量、CRC错误量、交换机的物理拓扑位置等信息。

提示信息包括：当前业务流的流量大小、持续时间等信息。

将用户的上述用户端的三种信息转换成数据包格式参数，并将此数据包传送到应用程序接口。

（3）SDN控制器调用该应用程序接口，当检测到有数据包到达时，控制器首先检查该数据包格式大小、内容逻辑等，若不符合IP数据分组规范则丢弃；若符合规范，则控制器检查当前的网络状态（保存于网络信息数据库），分析该数据包内容，根据数据包参数，生成相应的解决策略（相应的请求冲突算法），并在编译后发送到交换机流表，交换机根据流表来转发数据包。完成将高层行为转换成网络交换机的低层操作。

对于本实施例，实现方法如下：SDN控制器与OpenFlow交换机通过安全通道相连，控制器通过这个接口，按照OpenFlow协议规定的格式来配置和管理OpenFlow交换机。每个OpenFlow交换机的处理单元由流表构成，每个流表由许多流表项组成，流表项则代表转发规则。进入交换机的数据包通过查询流表来取得对应的操作。

（4）OpenFlow交换机将这些配置应用于家庭网关，从而完成用户对家庭网络的一次管控。

Claims (3)

1.一种基于用户自管控的家庭网络实现方法，包括连接Internet的家庭电脑设备、SDN控制器和Openflow交换机；每台家庭电脑上安装用户图形界面，SDN控制器处于整个网络的决策中心，通过用户程序接口API与用户图形界面相连，OpenFlow交换机用于数据转发，通过分析数据包查询流表找到目标家庭，并确定目标家庭的需求，将SDN控制器的解决策略应用到目标家庭网关中；其特征在于包括以下步骤：

步骤1，设计简单可安装的家庭网络管理用户图形界面软件，并安装在每个家庭的主机上；

步骤2，将用户图形界面初始化为登陆界面，每个用户有其各自的用户名与密码；设定超级用户与普通用户，其中超级用户用来管理所有用户的权限；

步骤3，用户登录其家庭网络后，根据各自的需求，在用户图形界面所显示的各种操作中进行相应的设置；

步骤4，根据用户在家庭网络中用户图形界面上的设置，将这些设置信息转换成接口参数，并将所述接口参数封装为数据包格式，传递到与SDN相连的应用API；

步骤5，SDN控制器调用所述API，解码分析数据包内容，并根据这些参数执行相应的配置操作，生成合理的解决策略，并在编译后通过安全通道发送到OpenFlow交换机；

在SDN控制器中，网络操作系统NOS实现控制逻辑功能；运行在NOS之上的应用程序通过调用网络视图中的全局数据，进而操作OpenFlow交换机来对整个网络进行管理和控制；SDN控制器不断地刷新API，检测是否有数据包；

步骤6，进入OpenFlow交换机的数据包通过查询流表来取得对应的操作，并将这些操作应用于家庭网关中；同时返回当前OpenFlow交换机信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于用户自管控的家庭网络实现方法，其特征在于，步骤1所述用户图形界面至少包括三种类型信息：

(1)请求信息，包括：接入控制，用于用户登录信息验证；带宽请求，用于用户使用用户图形界面设置其不同业务应用的优先级，请求预留带宽；

(2)查询信息，包括在特定端口的主机数、丢弃的数据包量、CRC错误量、交换机的物理拓扑位置信息；

(3)提示信息，包括当前业务流的流量大小、持续时间信息。

3.根据权利要求1所述的一种基于用户自管控的家庭网络实现方法，其特征在于，步骤3所述设置内容包括：用户请求接入家庭网的信息验证、每个用户的不同业务的带宽请求、查询当前网络状态及特定端口主机数；用户当前仅使用视频和网页浏览业务，为保证视频流畅，用户可将该视频业务优先级设为最大，而网页浏览的优先级其次，则此时视频业务所占主机的带宽份额最大，以此操作满足用户需求。