CN104468236A

CN104468236A - Sdn控制器集群、sdn交换机及其连接控制方法

Info

Publication number: CN104468236A
Application number: CN201410822040.4A
Authority: CN
Inventors: 翟跃
Original assignee: Shanghai Feixun Data Communication Technology Co Ltd
Current assignee: Taizhou Jiji Intellectual Property Operation Co.,Ltd.
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2034-12-19
Also published as: CN104468236B

Abstract

本发明提供一种SDN控制器集群、SDN交换机及其连接控制方法，所述SDN交换机与所述SDN控制器集群中的一SDN控制器建立主连接，并同所述SDN控制器集群中的其他至少一个SDN控制器间建立辅连接；在所述主连接失效的情况下，所述SDN控制器集群在所述SDN交换机的各所述辅连接中选定的新主连接；而无需建立从交换机到控制器的连接，从而达到无缝和快速切换的目的，并可结合SDN控制器的负载均衡算法将失去活性的控制器的负载合理分配至其他SDN控制器，大大提升SDN网络的性能。

Description

SDN控制器集群、SDN交换机及其连接控制方法

技术领域

本发明涉及SDN网络技术领域，特别是涉及一种SDN控制器集群、SDN交换机及其连接控制方法。

背景技术

SDN控制器负责对整个SDN网络(Software Defined Network,软件定义网络)的集中化控制，对于把握全网资源视图、改善网络资源交付质量具有非常重要的作用。现在有的厂商采用单一的SDN控制器，好处是控制简单，无需控制器之间的协作，但也无法应对跨越多个地域的SDN网络问题，也存在很大的可靠性问题，但控制能力的集中化，也使控制器具有了更大的责任，一旦控制器在性能或者安全性上不能得到有效保障，随之而来的就是整个SDN网络的服务能力降级甚至全网瘫痪，整个SDN网络就处于无管理状态，对运营商和用户都是致命的。

从组网架构上看，单一的控制器也无法应对跨越多个地域的SDN网络问题；因此，需要有多台控制器形成的分布式集群，避免单一的控制器节点造成的可靠性、扩展性、性能等方面的问题。

目前，很多厂商采用主备控制器的技术，虽然主备控制器技术可以很好地解决SDN网络可靠性问题，但扩展性差难以应对数以千计的交换机的流量，无法改善OpenFlow数据包的传输延迟。整个SDN网络的控制器没有充分利用，性能不佳。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种SDN控制器集群、SDN交换机及其连接控制方法，解决现有技术中SDN网络中SDN控制器控制效率不佳的问题。

为实现上述目标及其他相关目标，本发明提供一种SDN交换机，受控于SDN控制器集群，所述SDN交换机包括：通信处理模块，用于与所述SDN控制器集群中的一SDN控制器建立主连接；并用于同所述SDN控制器集群中的其他至少一个SDN控制器间建立辅连接；并用于在所述主连接失效的情况下，与所述SDN控制器集群通信交互以获取所述SDN控制器集群为其在各所述辅连接中选定的新主连接。

可选的，所述通信处理模块的与所述SDN控制器集群通信交互以获取所述SDN控制器集群为其在各所述辅连接中选定的新的主连接，包括：发送包含所述SDN交换机MAC地址的第一Experimenter报文至所述SDN控制器集群，以供根据所述SDN控制器的IP地址和所述MAC地址进行计算来确定各SDN控制器与所述SDN交换机的连接类型，所述连接类型为所述主连接或辅连接；接收来自所述SDN控制器集群的第二Experimenter报文，每个所述第二Experimenter报文包含所述集群内的一个SDN控制器的IP地址和连接类型。

可选的，所述SDN控制器集群中的各个具有活性的SDN控制器分配有编号，其中，所述编号是根据各具有活性的SDN控制器的IP地址大小来对应分配的；与所述SDN交换机间形成所述新的主连接的SDN控制器的对应编号的获取方式是基于所述SDN交换机MAC地址的Hash算法。

可选的，所述Hash算法为：

B＝((MAC01^MAC02^MAC03^MAC04^MAC05^MAC06)％N)+1，其中，B为所述对应编号；MAC01～MAC06为构成所述SDN交换机MAC地址的6个2位16进制数字；^为异或运算符；％为模运算符；N为所述集群中SDN控制器数量。

可选的，所述新主连接的SDN控制器与旧主连接的SDN控制器间保持数据同步。

可选的，所述SDN交换机仅允许连接类型为主连接的SDN控制器对其配置及管理。

为实现上述目标及其他相关目标，本发明提供一种SDN控制器集群，用于控制SDN交换机，包括：第一SDN控制器，用于同所述SDN交换机建立主连接；至少一个第二SDN控制器，用于同所述SDN交换机建立辅连接；配置管理模块，用于在所述主连接失效的情况下，在所述SDN交换机的各所述辅连接中选定的新主连接。

可选的，所述配置管理模块的在所述SDN交换机的各所述辅连接中选定的新主连接，包括：接收包含所述SDN交换机MAC地址的第一Experimenter报文，并根据所述SDN控制器的IP地址和所述MAC地址进行计算来确定各SDN控制器与所述SDN交换机的连接类型，所述连接类型为所述主连接或辅连接；向所述SDN交换机发送第二Experimenter报文，每个所述第二Experimenter报文包含所述集群内的一个SDN控制器的IP地址和连接类型。

可选的，所述SDN控制器集群中的各个具有活性的SDN控制器分配有编号，其中，所述编号是根据各具有活性的SDN控制器的IP地址大小来对应分配的；与所述SDN交换机间形成所述新的主连接的SDN控制器的编号的获取方式是基于所述SDN交换机MAC地址的Hash算法。

可选的，所述Hash算法为：

可选的，所述所述SDN控制器集群中失去活性的SDN控制器的负载被平均分配至其他具有活性的SDN控制器。

为实现上述目标及其他相关目标，本发明提供一种SDN交换机连接控制方法，应用于包括SDN交换机及用于控制所述SDN交换机的SDN控制器集群的网络，包括：所述SDN交换机与所述SDN控制器集群中的一SDN控制器建立主连接，并同所述SDN控制器集群中的其他至少一个SDN控制器间建立辅连接；在所述主连接失效的情况下，所述SDN控制器集群在所述SDN交换机的各所述辅连接中选定的新主连接。

如上所述，本发明提供一种SDN控制器集群、SDN交换机及其连接控制方法，所述SDN交换机与所述SDN控制器集群中的一SDN控制器建立主连接，并同所述SDN控制器集群中的其他至少一个SDN控制器间建立辅连接；在所述主连接失效的情况下，所述SDN控制器集群在所述SDN交换机的各所述辅连接中选定的新主连接；而无需建立从交换机到控制器的连接，从而达到无缝和快速切换的目的，并可结合SDN控制器的负载均衡算法将失去活性的控制器的负载合理分配至其他SDN控制器，大大提升SDN网络的性能。

附图说明

图1显示为本发明一实施例中SDN网络的结构示意图。

图2显示为本发明一实施例中SDN交换机向SDN控制器发送的第一Experimenter报文的结构示意图。

图3显示为本发明一实施例中SDN交换机向SDN控制器发送的第二Experimenter报文的结构示意图。

图4显示为本发明一实施例中SDN控制器集群内传递的活性报文及负载分担报文的结构示意图。

图5显示为本发明一实施例中SDN控制器活性和负载分担的流程示意图。

图6显示为本发明一实施例中SDN控制器间数据同步的原理示意图。

图7显示为本发明一实施例中SDN控制器集群运作的流程示意图。

图8显示为图7实施例中确定控制器连接类型的流程示意图。

图9显示为本发明一实施例中SDN交换机连接控制方法的流程示意图。

元件标号说明

1 SDN交换机

11 通信处理模块

2 SDN控制器

21 配置管理模块

S1～S2 步骤流程

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示，本发明提供的SDN网络中，包括SDN交换机1及对其控制的SDN控制器集群，所述SDN交换机1可以接收来自SDN控制器集群中的SDN控制器2发送的数据。

所述SDN交换机1包括：通信处理模块11；所述SDN控制器2集群，包括：第一SDN控制器2、至少一个第二SDN控制器2、及配置管理模块21。

所述第一SDN控制器2，用于同所述SDN交换机1的通信处理模块11建立主连接；所述第二SDN控制器2，用于同所述SDN交换机1的通信处理模块11建立辅连接；所述配置管理模块21，用于在所述主连接失效的情况下，在所述SDN交换机1的各所述辅连接中选定的新主连接；优选的，所述新主连接的SDN控制器2与旧主连接的SDN控制器2间保持数据同步，所述SDN控制器集群中失去活性(例如出现故障而使主连接失效)的SDN控制器2的负载根据预设的负载分担算法被平均分配至其他具有活性的SDN控制器2。需说明的是，在一实施例中，所述配置管理模块21可设于任一集群内的SDN控制器2上，亦可独立设置。

在一实施例中，为实现所述主连接与辅连接，需分别定义主连接和辅连接对Openflow消息的处理行为，例如下表所示：

其中，Controller-to-Switch消息指SDN控制器2至SDN交换机1的消息，Switch-to-Controller指交换机至SDN控制器2的消息，Symmetric指对称消息，本领域技术人员可根据本发明的教示结合现有技术加以实现；在SDN网络初始化的时候，配置管理模块21应告知SDN交换机1和哪些控制器2建立辅连接。控制器2根据SDN交换机1的源MAC地址进行计算，再选择一条辅连接成为主连接。

在一实施例中，为了使SDN交换机1可以从旧主连接切换至新主连接，所述SDN交换机1和SDN控制器集群之间需存在对应的通信交互；具体的，所述配置管理模块21的在所述SDN交换机1的各所述辅连接中选定的新主连接，包括：接收包含所述SDN交换机1MAC地址的第一Experimenter报文，并根据所述SDN控制器2的IP地址和所述MAC地址进行计算来确定各SDN控制器2与所述SDN交换机1的连接类型，所述连接类型为所述主连接或辅连接；向所述SDN交换机1发送第二Experimenter报文，每个所述第二Experimenter报文包含所述集群内的一个SDN控制器2的IP地址和连接类型。

在一实施例中，本发明的第一Experimenter报文、第二Experimenter报文是在现有Experimenter报文的基础上进行了扩展；

所述第一Experimenter报文的格式例如图2所示；其中，Experimenter字段、Experimentertype字段、MAC address字段均为扩展的新增字段；Experimenter值为255需要向ONF组织申请。Experimenter type值为1表明是从SDN交换机1到SDN控制器2方向。由于Experimenter报文也需要在辅连接上交互，因此SDN控制器2能感知所有交换机的MAC地址。

所述第二Experimenter报文的格式例如图3所示；其中，Experimenter字段、Experimentertype字段、IP address字段(即SDN控制器2IP地址)、Link-type字段(即连接类型，例如值1表示主连接或值0表示辅连接)为扩展新增；Experimenter值为255需要向ONF组织申请；Experimenter type值为2表明是从控制器2方向到SDN交换机1；当开始计算负载分担的时候(SDN网络初始化)或者重新计算负载分担的时候(当某SDN控制器2故障，其负载将分担到其他控制器2)，Link-type将有可能从辅连接变为主连接，需注意的是，优选的，SDN交换机1只能和一台SDN控制器2建立主连接，而可以和其他多台SDN控制器2建立辅连接。

为实现上述SDN控制器2间的同步及将某个SDN控制器2(例如失去活性的)的负载(如SDN交换机1及其所连接设备)合理分配至其他SDN控制器2，优选为平均分配，则需对应的SDN控制器2之间的通信交互。

具体的，SDN控制器2之间的控制通道的数据格式定义例如下表所示：

如表中所示，本发明所提供的负载分担算法大致实现如下：对所述SDN控制器集群中的各个具有活性的SDN控制器2分配有编号，其中，所述编号是根据各具有活性的SDN控制器2的IP地址大小来对应分配的；与所述SDN交换机1间形成所述新的主连接的SDN控制器2的编号的获取方式是基于所述SDN交换机1MAC地址的Hash算法。

在一实施例中，所述Hash算法为：B＝((MAC01^MAC02^MAC03^.....^MAC06)％N)+1，其中，B为所述对应编号；MAC01～MAC06为构成所述SDN交换机1MAC地址的6个2位16进制数字；^为异或运算符；％为模运算符；N为所述集群中SDN控制器2数量。

如图4所示，在一实施例中，所述活性报文及负载分担报文的格式例如下表所示，所述编号可例如为16bits，起始值为1，值如果超过65535，将重新从1开始计算；控制器2的ID是唯一标识一台控制器2，IP地址字段记录了控制器2的节点IP，用于所述控制器2编号的计算。

在一实施例中，所述同步报文的格式可以和上述报文格式相同，当然也可以另行设计。

具体的负载分担流程如如图5所示，在一实施例中，所述活性的检测可支持超时重传机制；重传次数缺省值例如为3次，超时时间缺省值例如为1秒等，可以根据实际情况修改重传次数和超时时间；优选的，为了防止SDN网络的抖动，失去活性的控制器2负载将平均分配到其他控制器2，而正常工作(即具有活性)的SDN控制器2的原有负载不会受到影响；计算负载分担的工作在SDN控制器集群状态收敛之后进行，SDN控制器集群状态收敛是指SDN控制器2数据库同步并且能感知其他控制器2的存在(即知道其他控制器2的ID和IP地址信息)。

如图6所示，在一实施例中，所述SDN控制器2间的同步分为实时同步和周期同步，实时同步是增量同步，引起实时同步的因素包括四点：统计信息变化、编排器变化、北向应用变化和OF消息变化等；周期同步是全数据库的同步，由于花费时间较长，应后台处理。除了连接状态信息，各个SDN控制器2的数据库(例如图示的SDN控制器1～SDN控制器3)的数据库内容可保持完全一致。

如图7所示，综合上述内容，以图1的实施例为例来简述所述SDN网络中SDN控制器2集群为SDN交换机11切换连接类型的大致过程：

1)配置管理模块21通知SDN交换机1和哪些SDN控制器2建立有辅连接；

2)SDN交换机1通过第一Experimenter报文把自己MAC地址告知各SDN控制器2；

3)SDN控制器2根据SDN控制器2集群的IP地址和SDN交换机1的MAC地址进行计算，确定控制器2和交换机1的连接类型；

4)各个SDN控制器2通过第二Experimenter报文把自己的IP地址和连接类型(主连接或辅连接)告知SDN交换机1

进一步的，承前所述，所述作为新的主连接的SDN控制器的编号是计算出来的，而其他SDN控制器则确定为辅连接，从而通过所述第二Experimenter报文告知所述SDN交换机各个SDN控制器的连接类型，请一并参阅图1及图8，具体为：

A.根据负载分担报文，在SDN控制集群当中分配编号：IP地址最小的并且活跃的控制器将成为控制器01，次小IP地址的控制器将成为控制器02，依此类推最大IP地址的控制器将成为N号控制器(N为控制器2集群的控制器数目)；

B.交换机A通过第一Experimenter报文向所有SDN控制器通告自己的MAC地址；

C.计算新的主连接的SDN控制器编号：B＝((MAC1^MAC2^MAC3^MAC4^MAC5^MAC6)％N)+1；^为异或；％为模运算，即求余数；N为控制器2的总数；MAC1到MAC6为交换机A的MAC地址；

D.交换机A和计算出编号对应的SDN控制器(例如图示SDN控制器02)建立主连接，和其他SDN控制器(例如图示SDN控制器01或03)建立辅连接；

E.各个SDN控制器(SDN控制器01～03)通过第二Experimenter报文向交换机1通告自己的IP地址和连接类型。

结合上述实施例的原理，如图9所示，本发明提供一种SDN交换机连接控制方法，应用于包括SDN交换机及用于控制所述SDN交换机的SDN控制器集群的网络，需说明的是，所述方法实施例的技术原理同上述实施例大致相同，在不冲突的情况下，上述实施例中的特征均可应用于本方法实施例，因此对重复的技术特征不再重复赘述。

所述方法包括：

步骤S1：所述SDN交换机与所述SDN控制器集群中的一SDN控制器建立主连接，并同所述SDN控制器集群中的其他至少一个SDN控制器间建立辅连接；

步骤S2：在所述主连接失效的情况下，所述SDN控制器集群在所述SDN交换机的各所述辅连接中选定的新主连接。

综上所述，本发明提供一种SDN控制器集群、SDN交换机及其连接控制方法，所述SDN交换机与所述SDN控制器集群中的一SDN控制器建立主连接，并同所述SDN控制器集群中的其他至少一个SDN控制器间建立辅连接；在所述主连接失效的情况下，所述SDN控制器集群在所述SDN交换机的各所述辅连接中选定的新主连接；而无需建立从交换机到控制器的连接，从而达到无缝和快速切换的目的，并可结合SDN控制器的负载均衡算法将失去活性的控制器的负载合理分配至其他SDN控制器，大大提升SDN网络的性能。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种SDN交换机，受控于SDN控制器集群，其特征在于，所述SDN交换机包括：

通信处理模块，用于与所述SDN控制器集群中的一SDN控制器建立主连接；并用于同所述SDN控制器集群中的其他至少一个SDN控制器间建立辅连接；并用于在所述主连接失效的情况下，与所述SDN控制器集群通信交互以获取所述SDN控制器集群为其在各所述辅连接中选定的新主连接。

2.根据权利要求1所述的SDN交换机，其特征在于，所述通信处理模块的与所述SDN控制器集群通信交互以获取所述SDN控制器集群为其在各所述辅连接中选定的新的主连接，包括：发送包含所述SDN交换机MAC地址的第一Experimenter报文至所述SDN控制器集群，以供根据所述SDN控制器的IP地址和所述MAC地址进行计算来确定各SDN控制器与所述SDN交换机的连接类型，所述连接类型为所述主连接或辅连接；接收来自所述SDN控制器集群的第二Experimenter报文，每个所述第二Experimenter报文包含所述集群内的一个SDN控制器的IP地址和连接类型。

3.根据权利要求2所述的SDN交换机，其特征在于，所述SDN控制器集群中的各个具有活性的SDN控制器分配有编号，其中，所述编号是根据各具有活性的SDN控制器的IP地址大小来对应分配的；与所述SDN交换机间形成所述新的主连接的SDN控制器的对应编号的获取方式是基于所述SDN交换机MAC地址的Hash算法。

4.根据权利要求3所述的SDN交换机，其特征在于，所述Hash算法为：

B＝((MAC01^MAC02^MAC03^MAC04^MAC05^MAC06)％N)+1，其中，B为所述对应编号；

MAC01～MAC06为构成所述SDN交换机MAC地址的6个2位16进制数字；^为异或运算符；％为模运算符；N为所述集群中SDN控制器数量。

5.根据权利要求1所述的SDN交换机，其特征在于，所述新主连接的SDN控制器与旧主连接的SDN控制器间保持数据同步。

6.根据权利要求1所述的SDN交换机，其特征在于，所述SDN交换机仅允许连接类型为主连接的SDN控制器对其配置及管理。

7.一种SDN控制器集群，用于控制SDN交换机，其特征在于，包括：

第一SDN控制器，用于同所述SDN交换机建立主连接；

至少一个第二SDN控制器，用于同所述SDN交换机建立辅连接；

配置管理模块，用于在所述主连接失效的情况下，在所述SDN交换机的各所述辅连接中选定的新主连接。

8.根据权利要求7所述的SDN控制器集群，其特征在于，所述配置管理模块的在所述SDN交换机的各所述辅连接中选定的新主连接，包括：接收包含所述SDN交换机MAC地址的第一Experimenter报文，并根据所述SDN控制器的IP地址和所述MAC地址进行计算来确定各SDN控制器与所述SDN交换机的连接类型，所述连接类型为所述主连接或辅连接；向所述SDN交换机发送第二Experimenter报文，每个所述第二Experimenter报文包含所述集群内的一个SDN控制器的IP地址和连接类型。

9.根据权利要求8所述的SDN控制器集群，其特征在于，所述SDN控制器集群中的各个具有活性的SDN控制器分配有编号，其中，所述编号是根据各具有活性的SDN控制器的IP地址大小来对应分配的；与所述SDN交换机间形成所述新的主连接的SDN控制器的编号的获取方式是基于所述SDN交换机MAC地址的Hash算法。

10.根据权利要求9所述的SDN控制器集群，其特征在于，所述Hash算法为：

11.根据权利要求7所述的SDN控制器集群，其特征在于，所述新主连接的SDN控制器与旧主连接的SDN控制器间保持数据同步。

12.根据权利要求11所述的SDN控制器集群，其特征在于，所述SDN控制器集群中失去活性的SDN控制器所负载SDN交换机被平均分配至其它具有活性的SDN控制器。

13.一种SDN交换机连接控制方法，应用于包括SDN交换机及用于控制所述SDN交换机的SDN控制器集群的网络，其特征在于，包括：

所述SDN交换机与所述SDN控制器集群中的一SDN控制器建立主连接，并同所述SDN控制器集群中的其他至少一个SDN控制器间建立辅连接；

在所述主连接失效的情况下，所述SDN控制器集群在所述SDN交换机的各所述辅连接中选定的新主连接。