CN103873361B - 一种报文转发装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种报文转发装置和方法，应用在SDN控制器上。所述方法包括：保存预设的报文分类规则；分别为每一类报文分配对应的中转网络设备，计算并下发每一类报文的各个边缘网络设备到所述中转网络设备的第一转发路径；在接收到所述边缘网络设备上送的首包报文后，计算并下发为所述首包报文所属报文分类分配的中转网络设备到所述首包报文目标访问设备的第二转发路径。通过本发明的技术方案降低了SDN网络中首包报文的丢包率。

Description

一种报文转发装置和方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种SDN（Software Defined Network，软件定义网络）网络中报文转发装置和方法。

背景技术

随着互联网业务的不断发展，互联网业务对于在互联网上部署的时间要求越来越短，比如几年前一个业务部署往往需要几个月的时间，而且还要花费大量的人力。而现在一个互联网业务可能会要求在投入少量人力的情况下，在几天内完成部署。如何快速部署一个互联网业务，这就涉及到一些新的技术，比如SDN技术，在SDN定义的模型下，可以通过软件的方式实现对业务的部署，从而减少人力投入，缩短工期。

SDN改变了现有网络的架构，采用全新的设计理念，将控制平面和数据平面分离，并把以前固化在网络设备中的控制平面转移到可访问的计算设备中，从而实现了对网络流量的灵活控制，为核心网络及应用的创新提供了良好的平台。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种报文转发装置和方法，应用在SDN控制器上。

具体地，所述装置包括：

报文分类单元，用于保存预设的报文分类规则；

中转选择单元，用于分别为每一类报文分配对应的中转网络设备，计算并下发每一类报文的各个边缘网络设备到所述中转网络设备的第一转发路径；

中转计算单元，用于在接收到所述边缘网络设备上送的首包报文后，计算并下发为所述首包报文所属报文分类分配的中转网络设备到所述首包报文目标访问设备的第二转发路径。

进一步地，所述中转选择单元为每一类报文分配对应的中转网络设备的过程包括：根据预设的负载均衡策略，为每一类报文分配对应的中转网络设备。

进一步地，所述中转选择单元，进一步用于为每一类报文分配对应的主用中转网络设备和备用中转网络设备，在所述主用中转网络设备负载压力超过阈值时，下发至少一个边缘网络设备到所述备用中转网络设备的第三转发路径。

进一步地，所述装置还包括：

路径切换单元，用于在所述第二转发路径下发完成后，计算各个边缘网络设备到所述首包报文目标访问设备的最优转发路径，在所述最优转发路径不是所述第一转发路径和所述第二转发路径的组合时，下发所述最优转发路径。

进一步地，所述预设的报文分类规则是根据SDN流表元素对报文进行分类。

所述方法包括：

保存预设的报文分类规则；

分别为每一类报文分配对应的中转网络设备，计算并下发每一类报文的各个边缘网络设备到所述中转网络设备的第一转发路径；

在接收到所述边缘网络设备上送的首包报文后，计算并下发为所述首包报文所属报文分类分配的中转网络设备到所述首包报文目标访问设备的第二转发路径。

进一步地，所述为每一类报文分配对应的中转网络设备的过程包括：根据预设的负载均衡策略，为每一类报文分配对应的中转网络设备。

进一步地，为每一类报文分配对应的主用中转网络设备和备用中转网络设备，在所述主用中转网络设备负载压力超过阈值时，下发至少一个边缘网络设备到所述备用中转网络设备的第三转发路径。

进一步地，所述方法还包括：

在所述第二转发路径下发完成后，计算各个边缘网络设备到所述首包报文目标访问设备的最优转发路径，在所述最优转发路径不是所述第一转发路径和所述第二转发路径的组合时，下发所述最优转发路径。

进一步地，所述预设的报文分类规则是根据SDN流表元素对报文进行分类。

由以上描述可以看出，本发明将报文进行分类，然后为各类报文预先分配一个中转网络设备以及静态的第一转发路径，并动态计算第二转发路径来实现报文转发。降低了SDN网络中首包报文的丢包率，提升了用户体验。

附图说明

图1是本发明一种实施方式中报文转发装置的逻辑结构示意图；

图2是本发明一种实施方式中报文转发方法的流程示意图；

图3是本发明一种实施方式中SDN组网环境示意图。

具体实施方式

典型的SDN网络架构中包含有SDN交换机和SDN控制器。SDN控制器可以通过专有协议，比如：Open Flow协议，直接访问并操控转发平面的SDN交换机。SDN交换机除了彼此之间存在SDN数据通道用于转发数据报文外，还通过一条独立的SDN管理通道和SDN控制器建立连接。具体地，SDN交换机上存有一张或者多张流表（Flow Table），流表里每个表项都会与一个动作关联来告诉SDN交换机来如何处理命中这个表项的报文。SDN交换机根据流表处理收到的数据报文。如果该数据报文在流表里没有找到命中的表项，也就是说该数据报文是首包报文，SDN交换机根据流表的配置，默认情况下会将该报文上报给SDN控制器处理，由SDN控制器决定转发端口，或者是直接丢弃。

这样的实现方案存在一些难以避免的问题。首先，在SDN网络中会出现首包报文的丢失的情况。SDN交换机接收到首包报文后，经查询在本机上没有找到命中的表项，会将该首包报文上报给SDN控制器，然后丢弃。也就是说，在流表下发前势必会造成首包报文的丢失。

其次，在较为复杂的SDN组网中，会出现流表未能同步下发的情况。SDN控制器在接收到SDN交换机上报的首包报文后，经计算得到首包报文的最优转发路径，并向该最优转发路径上的SDN交换机下发流表。对于距离SDN控制器较远的SDN交换机而言，其接收到流表所耗费的时间必然要相对长一些。那么，就有可能会出现距离SDN控制器较远的SDN交换机在接收到首包报文时，还没有接收到SDN控制器下发的流表的情况。目前，一种较为流行的解决方案是，由SDN交换机将该首包报文在网络中广播，以此来实现首包报文转发。但是，这样就会造成网络带宽的浪费。

有鉴于此，本发明提供一种SDN网络中报文转发方案，以减少首包报文丢包以及带宽浪费的问题。

下面以软件实现为例，详细描述本发明的具体实现。本发明提供的报文转发装置，其运行在SDN控制器上。作为本发明装置的运行载体，所述SDN控制器通常至少包括有CPU、内存以及非易失性存储器，当然还可能包括各种转发芯片以及I/O接口等硬件。请参考图1和图2，所述装置包括有：报文分类单元、中转选择单元、中转计算单元以及路径切换单元。在一个示例性的实施方案中，该装置在运行过程中执行如下步骤：

步骤101，报文分类单元保存预设的报文分类规则。

步骤102，中转选择单元分别为每一类报文分配对应的中转网络设备，计算并下发每一类报文的各个边缘网络设备到所述中转网络设备的第一转发路径。

步骤103，中转计算单元在接收到所述边缘网络设备上送的首包报文后，计算并下发为所述首包报文所属报文分类分配的中转网络设备到所述首包报文目标访问设备的第二转发路径。

本发明设计采用分段的方式来转发报文。首先为每一类报文选择一个转发过程中的中转网络设备，计算并下发一条静态的边缘网络设备到达所述中转网络设备的通用的第一段转发路径，然后根据首包报文的目标访问设备，计算并下发从所述中转网络设备到所述首包报文的目标访问设备的第二段转发路径。这样，在各类报文的边缘网络设备上就事先存有了对应的转发路径，即首先将首包报文转发到中转网络设备上，然后再根据SDN控制器下发的第二段转发路径将其转发到目标访问设备上，以此来降低首包报文的丢包率。

下面结合附图来详细描述本发明的具体实现。请参考图3所示的组网示意图，网络设备A、B、C、D、E、F和G是SDN组网中的转发设备，由SDN控制器来控制。所述网络设备A到G可以是交换机，也可以是路由器。下面以交换机为例进行说明。交换机A、B、C、F和G是SDN网络中的边缘交换机，直接与用户或者服务器相连。交换机D和E是SDN网络中的中转交换机，不直接与用户或者服务器相连。

为实现本发明目的，通常需要网络管理人员在SDN控制器上配置预设的报文分类规则。具体地，可以根据SDN流表元素对报文进行分类。在本发明一具体实施方式中，根据数据报文的目的IP地址对报文进行分类，比如，可以将目的IP地址在同一网段的报文分在同一个类别中。请进一步参考图3，假设服务器1的IP地址是：1.1.1.1/24，服务器2的IP地址是2.1.1.1/24，服务器3的IP地址是：1.1.1.2/24。根据各个服务器的IP地址以及子网掩码可知，服务器1和服务器3在同一个网段，服务器2在另一个不同的网段。那么，所述报文分类单元保存的报文分类就是目的IP地址是服务器1和服务器3的报文分在一个类别中，比如A类。目的IP地址是服务器2的报文分在另一个类别中，比如B类。当然，本领域技术人员也可以根据其他方法来为报文进行分类，比如还可以结合源IP地址或者端口号等等，本发明对此不作特殊限制。

接着，中转选择单元分别为每一类报文分配对应的中转网络设备，计算并下发每一类报文的各个边缘网络设备到所述中转网络设备的第一转发路径。所述中转网络设备是SDN组网中不直接与用户或者服务器相连的网络设备。所述中转选择单元为每一类报文分配对应的中转网络设备的过程包括：根据预设的负载均衡策略，为每一类报文分配对应的中转网络设备。所述预设的负载均衡策略可以由网络管理人员根据组网情况进行设置。比如：将所述负载均衡策略配置为由SDN控制器会汇总组网中报文流量转发和拥塞信息，然后根据所述报文流量转发和拥塞信息对各个中转交换机进行负载压力排序。仍以图3所示的组网示意图为例，所述中转选择单元经汇总排序得出：中转交换机D最为空闲，其次是中转交换机E。于是，将中转交换机D指定为A类报文的中转交换机，将中转交换机E指定为B类报文的中转交换机。当然，也可以将中转交换机D指定为B类报文的中转交换机，将中转交换机E指定为A类报文的中转交换机。只要先分配负载压力较小的中转交换机即可，本发明对此不作特殊限制。为不同的报文分类分配不同的中转交换机，有利于报文流量的负载均衡处理，进而不会对某一台交换机造成特别大的压力。

当然，如果SDN组网中的中转交换机数量小于报文分类的数量，那么可以把最为空闲的中转交换机指定给两个，甚至是三个报文分类。如果SDN组网中的中转交换机数量大于报文分类的数量，那么先将负载压力小的中转交换机指定给各类报文，余下负载压力较大的中转交换机。在本发明的具体实现中，中转交换机的分配较为灵活，具体可以由网络管理人员根据实际的组网情况以及报文流量等情况将所述负载均衡策略下发给SDN控制器，本发明对此不作特殊限制。

所述中转选择单元继续计算并下发每一类报文的各个边缘网络设备到所述中转网络设备的第一转发路径。举例来说，对于A类报文，中转交换机为交换机D，那么各个边缘交换机A、B和C到交换机D的第一转发路径分别为：交换机A—>交换机D，交换机B—>交换机D，交换机C—>交换机D。在所述中转选择单元将所述第一转发路径下发完成后，各个边缘交换机接收到A类报文的首包报文后，就会按照所述第一转发路径将所述首包报文转发给交换机D，以此来避免首包报文丢失的情况。需要说明的是，边缘交换机到选定的中转交换机之间还可能包括有其他网络设备（未图示），SDN控制器计算好转发路径之后，会向所述转发路径经过的每一个网络设备下发其到下一跳的报文转发流表。

各个边缘交换机在接收到首包报文后，将首包报文上送到SDN控制器，并按照与首包的报文类型对应第一转发路径进行转发。SDN控制器的中转计算单元接收到边缘交换机上送的首包报文后，计算并下发为所述首包报文所属报文分类分配的中转交换机到所述首包报文目标访问设备的第二转发路径。具体地，以PC1发送一个首包报文访问服务器1为例。交换机A将该首包报文上送给SDN控制器之后，按照所述第一转发路径，将所述首包报文转发给交换机D。SDN控制器的中转计算单元接收到上述首包报文后，经查询发现所述首包报文属于A类报文，其对应的中转网络设备为交换机D，于是计算交换机D到服务器1的第二转发路径：交换机D—>交换机F—>服务器1，并将所述第二转发路径下发。这样，交换机D在接收到上述首包报文后就会按照所述第二转发路径将所述首包报文转发给服务器1。

需要说明的是，当交换机D处理首个A类报文的首包报文时，如果还没有接收到SDN控制器下发的所述第二转发路径，交换机D还是会广播所述首包报文。但是，当交换机D收到第二个A类报文的首包报文时，比如，由PC2或者PC3发送给服务器1的首包报文，交换机B和交换机C分别将各自接收到的报文转发到交换机D上，对于交换机D而言，虽然是PC2或者PC3发送的首包报文，但由于之前SDN交换机已经下发过由交换机D到达服务器1的第二转发路径，所以交换机D就会根据所述第二转发路径将报文发送给服务器1，而不是发送广播报文。本发明从一定程度上减少了SDN组网内广播报文的数量，节省了带宽。

进一步地，所述中转选择单元为每一类报文分配两个对应的中转网络设备。具体地，所述中转选择单元在为每一类报文分配一个主用中转网络设备的同时，还会分配一个备用的中转网络设备，在所述主用中转网络设备负载压力超过阈值时，下发至少一个边缘网络设备到所述备用中转网络设备的第三转发路径。举例来说，在服务器1的访问量较大时，所有的A类报文都会从交换机D上进行转发，这无疑给交换机D带来巨大的压力。所以在本发明一种优选的实施方式中，所述中转选择单元还会给每一类报文分配一个备用的中转交换机。比如，为A类报文分配的主用中转交换机为交换机D，备用中转交换机为交换机E，然后计算边缘交换机到所述主用中转交换机和备用中转交换机的路径。在正常情况下，只下发边缘交换机到所述主用中转交换机的路径，只有当所述主用中转交换机拥塞的时候，才会下发边缘交换机到备用中转交换机的路径，以此来减轻主用中转交换机的压力。举例来说，当交换机D出现拥塞的时候，假设，交换机D上报拥塞信息给SDN控制器，那么SDN控制器就会将部分A类报文的转发路径切换到备用中转交换机E上。具体地，所述中转选择单元在接收到交换机D上报的拥塞信息后，经查询发现A类报文的备用中转交换机是交换机E，然后会下发一部分边缘设备到交换机E的第三转发路径。比如，下发交换机B和交换机C到交换机E的转发路径：交换机B—>交换机E，交换机C—>交换机E。以此来实现将PC2和PC3发送的A类报文途径的中转交换机由交换机D切换到交换机E，PC1发送的A类报文途径的中转交换机不变仍为交换机D，进而减轻交换机D的压力。

更进一步地，本发明还设置有路径切换单元，用于在所述第二转发路径下发完成后，计算各个边缘网络设备到所述首包报文目标访问设备的最优转发路径，在所述最优转发路径不是所述第一转发路径和所述第二转发路径组合时，下发所述最优转发路径。在实际网络应用中，网络流量的走向瞬息变换，SDN控制器下发的所述第一转发路径和所述第二转发路径未必是报文转发的最优路径。所以，本发明设计在下发完成所述第二转发路径以降低首包报文的丢包率之后，由上述路径切换单元计算各个边缘交换机到所述首包报文的目标访问设备的最优转发路径。比如，由SDN控制器下发的PC1发往服务器1的报文的第一转发路径和第二转发路径组合而成的转发路径是：PC1—>交换机A—>交换机D—>交换机F—>服务器1，如果所述路径切换单元经计算发现，由PC1到服务器1的最优转发路径就是上面的路径，则不需要进行特殊处理。如果所述路径切换单元经计算发现，由PC1到服务器1的最优转发路径是PC1—>交换机A—>交换机E—>交换机F—>服务器1，不是所述第一转发路径和所述第二转发路径的组合，那么所述路径切换单元下发所述最优路径，以便后续报文能够以最优路径转发。

由以上描述可以看出，本发明将报文进行分类，然后为各类报文预先分配一个中转网络设备以及静态的第一转发路径，并动态计算第二转发路径来实现报文转发。降低了SDN网络中首包报文的丢包率，提升了用户体验。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种报文转发装置，应用在软件定义网络SDN控制器上，其特征在于，所述装置包括：

报文分类单元，用于保存预设的报文分类规则；

中转选择单元，用于分别为每一类报文分配对应的中转网络设备，计算并下发每一类报文的各个边缘网络设备到所述中转网络设备的第一转发路径；

中转计算单元，用于在接收到所述边缘网络设备上送的首包报文后，计算并下发为所述首包报文所属报文分类分配的中转网络设备到所述首包报文目标访问设备的第二转发路径。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述中转选择单元为每一类报文分配对应的中转网络设备的过程包括：根据预设的负载均衡策略，为每一类报文分配对应的中转网络设备。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述中转选择单元，进一步用于为每一类报文分配对应的主用中转网络设备和备用中转网络设备，在所述主用中转网络设备负载压力超过阈值时，下发至少一个边缘网络设备到所述备用中转网络设备的第三转发路径。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

路径切换单元，用于在所述第二转发路径下发完成后，计算各个边缘网络设备到所述首包报文目标访问设备的最优转发路径，在所述最优转发路径不是所述第一转发路径和所述第二转发路径的组合时，下发所述最优转发路径。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述预设的报文分类规则是根据SDN流表元素对报文进行分类。

6.一种报文转发方法，应用在软件定义网络SDN控制器上，其特征在于，所述方法包括：

保存预设的报文分类规则；

分别为每一类报文分配对应的中转网络设备，计算并下发每一类报文的各个边缘网络设备到所述中转网络设备的第一转发路径；

在接收到所述边缘网络设备上送的首包报文后，计算并下发为所述首包报文所属报文分类分配的中转网络设备到所述首包报文目标访问设备的第二转发路径。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

所述为每一类报文分配对应的中转网络设备的过程包括：根据预设的负载均衡策略，为每一类报文分配对应的中转网络设备。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

为每一类报文分配对应的主用中转网络设备和备用中转网络设备，在所述主用中转网络设备负载压力超过阈值时，下发至少一个边缘网络设备到所述备用中转网络设备的第三转发路径。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在所述第二转发路径下发完成后，计算各个边缘网络设备到所述首包报文目标访问设备的最优转发路径，在所述最优转发路径不是所述第一转发路径和所述第二转发路径的组合时，下发所述最优转发路径。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

所述预设的报文分类规则是根据SDN流表元素对报文进行分类。