CN104811429A - 一种of协议指令实现方法及控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种OF协议指令实现方法及控制器，涉及通讯领域。本发明公开的方法包括：控制器根据初始配置获取各流表所支持的所有指令及其类型，针对各流表中指令生成属性标识符，将属性标识符与指令之间的映射关系表保存在控制器本地；当控制器检测到上线的交换机时，向上线的交换机下发所保存的映射关系表；其中，每个属性标识符至少标识出其对应流表中所有指令的指令类型，指令结构，以及各指令的值的类型和长度信息。本发明还公开了一种控制器。本申请技术方案无需解析Instruction头部结构体，可通过Profile ID直接识别该Instruction对应的类型，参数，并减小控制面下发数据量。

Description

一种OF协议指令实现方法及控制器

技术领域

本发明涉及通讯领域，尤其是SDN网络使用OF协议的一种OF协议指令实现方法及控制器。

背景技术

美国斯坦福大学于2008年提出了了OpenFlow协议，该协议采用转发/控制分离架构，外置控制面实体采用OpenFlow协议控制转发面设备实现各种转发逻辑，而转发面设备主要功能就是根据OpenFlow控制器下发的流表执行受控转发，其行为是标准化的:收到一条报文，取出其头部L2/L3/L4相关字段值，以其作为关键字查找流表，匹配到一个表项后，根据表项内容中的指令集对报文字段进行处理，完毕后根据指示转发到某一逻辑或物理端口。此协议思想进一步演进，称为SDN(Software Defined Network,软件定义网络技术)，即可以在控制面采用软件编程实现各种复杂的网络应用，而转发面设备无需任何改变，由于控制面采用通用服务器+通用操作系统，并且可以使用通用的软件编程工具，也可以使用Python这样的脚本编程语言实现，这使得新的网络协议的支持变得非常简单，而且新技术部署周期大大缩短。

根据OF协议，目前对流的处理是通过流水线来实现的，一条流水线包含多张流表，每张流表要求报文能够匹配某些字段的值，对匹配的报文做一定的操作，这些操作包含在指令（Instruction(s)）里面。以OF1.3为例，目前支持以下类型的指令:

指令的结构和值域按照TLV（Type,Length,Value）格式来实现，即每一个指令结构体都包含一个类型域、长度域和值域，其中值域的长度由长度域确定，指令结构如下如图1所示。

指令中的value可以是明确的值，如OFPIT_GOTO_TABLE指令类型ofp_instruction_goto_table结构体，其值域就是跳转的目的表号；也可以是一个动作（action）或动作组（actions）的列表，如OFPIT_APPLY_ACTIONS类型指令。以OF1.3为例，目前支持以下类型的动作:

每种类型的action有各自对应的结构体，用于表明操作对象和范围。如图1所示，每个动作类型的结构体同样遵循TLV结构。每下发一张流表，将携带一个或多个ofp_instruction_XX+ofp_action_YY(s)的结构。

分析TLV结构，type用于说明Instruction和action的类型，即采取的操作和如何设别value；length说明总结构体的长度，由于type字段和length字段长度固定，可得到value的长度；value是操作所携带的参数，通过type进行区分。分析协议中各类型的Instruction和action的有效率，即有效数据（type+对应value）长度与总长度之比，可以发现这个值在25%-75%之间。对于不同流表中指令的组合，由于可能还需增加额外的padding字段，有效率则更低，使得控制器下发给转发面的流表包含大量冗余信息，导致下发数据负载较大。

转发面对每个消息的解析，按照OF协议，都需要从Instruction的头部开始，以分析type类型，获取对应value的值，将Instruction及其所有的action重新解析一遍，过程冗余，效率较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种OF协议指令实现方法及控制器，以减少控制面与转发面之间的流量负载。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种OF协议指令实现方法，包括：

控制器根据初始配置获取各流表所支持的所有指令及其类型，针对各流表中指令生成属性标识符，将属性标识符与指令之间的映射关系表保存在控制器本地；

当所述控制器检测到上线的交换机时，向所述上线的交换机下发所保存的映射关系表；

其中，每个属性标识符至少标识出其对应流表中所有指令的指令类型，指令结构，以及各指令的值的类型和长度信息。

可选地，上述方法中，所述属性标识符还标识出对应流表中指令中携带的行为的类型和行为的值的类型和长度信息。

可选地，上述方法还包括：

在运行过程中，若有新增配置，则所述控制器生成新的流表，并对新的流表中指令生成新的属性标识符，将新的属性标识符与指令之间的映射关系更新保存至本地的映射关系表。

可选地，上述方法还包括：

所述控制器将更新后的映射关系表下发到所有交换机；或者

所述控制器仅将新的属性标识符与指令之间的映射关系下发到所有交换机。

可选地，上述方法还包括：

在运行过程中，若删除流表，则所述控制器从本地保存的所述映射关系表中将所删除的流表的指令与其对应的属性标识符的映射关系删除。

可选地，上述方法还包括：

所述控制器将删除操作后的映射关系表下发到所有交换机；或者

所述控制器仅将删除的属性标识符与指令之间的映射关系下发到所有交换机。

本发明还公开了一种控制器，包括：

映射关系表生成模块，根据初始配置获取流表所支持的所有指令及其类型，针对各流表中指令生成属性标识符，并将属性标识符与指令之间的映射关系表保存在控制器本地，其中，每个属性标识符至少标识出对应流表中所有指令的指令类型，指令结构，以及各指令的值的类型和长度信息；

下发模块，在检测到上线的交换机时，向所述上线的交换机下发所保存的映射关系表。

可选地，上述控制器中，所述属性标识符还标识出对应流表中指令携带的行为的类型和行为的值的类型和长度信息。

可选地，上述控制器还包括：

更新模块，在运行过程中，有新增配置时，为生成的新的流表中指令生成新的属性标识符，将新的属性标识符与指令之间的映射关系更新保存至本地的映射关系表；

可选地，上述控制器中，所述下发模块，将更新后的映射关系表下发到所有交换机；或者

仅将新的属性标识符与指令之间的映射关系下发到所有交换机。

可选地，上述控制器中，所述更新模块，在运行过程中，有删除配置时，从所述映射关系表中将所删除的流表的指令与其对应的属性标识符的映射关系删除。

可选地，上述控制器中，所述下发单元，将删除操作后的映射关系表下发到所有交换机；或者

仅将删除的属性标识符与指令之间的映射关系下发到所有交换机。

综上，本申请技术方案提出一种与Instruction一一对应的Profile ID，通过该ID能达到如下效果：

无需解析Instruction头部结构体，可通过Profile ID直接识别该Instruction对应的类型，参数，是否携带action list，若携带，各个action的类型、参数以及执行顺序；

控制面向转发面下发流表时，Instruction的打包不再以Instruction头部+各个action的格式，而是直接Profile ID+value(s)的方式下发，减小下发数据量。

附图说明

图1是现有Openflow指令结构示意图；

图2是本发明实施例中Profile ID与Instruction的映射表示例示意图；

图3是本发明实施例中映射表建立阶段流程图；

图4是本发明实施例中映射表添加条目流程图；

图5是本发明实施例中映射表删除条目流程图；

图6是单一的Instruction，不携带action的情况列表；

图7是Instruction携带多个action，每个action是携带相应的value的情况列表；

图8是Instruction中某个action不携带value的列表。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文将结合附图对本发明技术方案作进一步详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

实施例1

本申请发明人提出可以将Instruction与Profile ID一一对应以实现进行OpenFlow协议指令，基于此思想，本实施例提供一种OpenFlow协议指令实现方法，包括如下操作：

控制器根据初始配置获取流表所支持的所有指令（Instruction）及其类型，针对各流表中指令生成属性标识符（Profile ID），将属性标识符与指令之间的映射关系表保存在控制器本地；

当控制器检测到上线的交换机时，向上线的交换机下发所保存的映射关系表；

其中，每个属性标识符至少标识出对应流表中所有指令的指令类型，指令结构，以及各指令的值的类型和长度信息。

下面介绍上述方法中生成的Profile ID与Instruction的映射规则。

Profile ID是一个全局惟一的ID，其可惟一标识一条流表中所有Instruction/Instruction组。

其中，Profile ID可以根据使用由具体的机制生成，而本实施例对具体生成机制并不作限制。

本实施例中Profile ID的定义为：{Instruction head1+[action list]}+{Instruction head2+[action list]}+…

从上述Profile ID的定义可以看出，Profile ID具有以下特性：

1）通过Profile ID能够识别对应的各个Instruction(s)的类型，即Profile ID标识出其对应流表中所有指令的指令类型；

2）通过Profile ID能够识别各个Instruction(s)的值的类型和长度，即Profile ID隐含指定了对应流表中所有Instruction(s)的格式，包括类型，长度等。

需要说明的是，如果Instruction携带action，则Profile ID还指定每个action的类型和所带的值的类型和长度；

因此，映射为Profile ID后，原Instruction结构表示为如下形式：

<Profile ID><value1,value2,…,value n>

若该Instruction不包含action，则value的类型和长度是Instruction所带的有效值，若该Instruction包含action，则value是Instruction中各个action的值。

这样，控制器仅向转发面下发Profile ID和相关的Value串即可。例如上述路由示例中的有效信息，这将大大减少控制面与转发面之间的流量负载。

对上述映射规则的理解如下：Openflow1.0的协议中并没有Instruction的概念，流表中的行为由一组特定的action(s)完成，Instruction是后续协议提出的概念，可理解为一组有特定类别和目的，完成特定功能的行为，即Instruction是一组action的集合，那么可以将Instruction理解为一个复合的action，是一类特殊的action；而不包含action的Instruction也可以看作是一个action，因为他们具有共同的功能，即对数据包完成一定的操作，并指向下一个流程。而目前的Openflow协议对数据包的操作是以流表为单位的，即以流表为流水线中功能单元的划分。那么本发明约定本文中的Profile ID所映射的是在一个流表中的所有操作的集合，包含以下几种情况：

1）若流表中有多个协议中定义的Instruction，那么映射到本文的ProfileID仅有一个，包含该流表中所有操作；

2）若流表中有1个协议中定义的Instruction，但该Instruction包含多个协议定义的action，那么映射到本文的Profile ID仅有一个，包含该流表中所有操作。

另外，上述方法中所涉及到的Profile ID与Instruction(s)的映射关系表中包括多个Profile ID与Instruction(s)的映射关系，该映射关系表由控制器创建和维护，并下发给转发面。转发面收到控制面下发的流表消息后，通过ProfileID查询对应的Instruction结构，进而解析后续的value串。理论上可以为每一个Instruction(s)的组合、Instruction和action(s)的组合分配一个Profile ID，但这样的映射表会非常庞大，而且实际只会用到流表定义中相关的组合，因此本发明目前约定映射表中仅创建流表中定义的Instruction(s)的组合、Instruction和action(s)的组合。

优化地，该映射关系表可以由一个专门的库来维护，并向上提供添加、修改、删除和查询等方法，可供控制器动态维护这张表。其中，查询方法支持通过Profile ID查询对应的Instruction(s)，也支持通过Instruction(s)查询到对应的Profile ID。具体地，映射表的结构可参考图2所示的结构。

下面通过具体应用场景，对上述方法作进一步详细描述。本实施例中包含对映射表的维护方法，因更新可转换为先删除后添加，且该方法尚且没有具体的使用场景（无需求与流表中的指令更新方法对应），这里仅提供添加和删除两种方法；后续提供不同指令结构转换为Profile ID后的数据封装方法。

场景一为，控制器与交换机上电时，Instruction初始化配置场景。该场景中，控制器与交换机进行能力协商，并下发映射表，具体实现过程如图3所示，包括如下操作：

301.控制器上电，读取配置模块，载入预设值的Instruction(s)。

302.交换机上电后，向控制器注册上电事件。

303.控制器向交换机发送能力协商请求消息。

本实施例主要指交换机上与Profile ID和Instruction完成映射相关的能力，包含包括以下两方面：

Profile ID的类型和范围，包含Profile ID的取值范围，取值类型等，本发明约定Profile ID的取值范围应大于交换机所支持Instruction(s)的数量；

所支持Instruction(s)的类型和数量，本发明约定包含OpenFlow协议所支持的类型。

304.交换机返回其所支持的能力。

305.控制器根据交换机返回的能力为各个Instruction(s)生成并分配Profile ID，并保存入本地的映射关系表。

306.控制器通过专用的映射表下发消息向交换机下发映射关系表。

307.交换机接收、识别、存储控制器下发的映射表中的映射关系，并向控制器返回是否处理成功。

场景二，是某业务需要向交换机下发一张新的流表，流表中需要添加新的Profile ID与Instruction(s)映射对的场景。该场景中，控制器为新的Instruction分配Profile ID，保存后下发给交换机，具体实现如图4所示，包括如下操作：

401.控制器收到新的Instruction(s)的配置消息。

402.控制器查询交换机对Profile ID的支持能力，为新的Instruction(s)生成Profile ID。

本发明约定新生成的Profile ID必须在交换机的支持范围内，否则返回报错。

403.控制器向交换机发送协商消息，询问交换机是否能识别、理解并支持新的Instruction(s)，同时携带新生成的Profile ID和Instruction(s)映射对。

404.交换机处理新增的Instruction(s)，包括识别该Instruction(s)的内容，理解该Instruction(s)并能支持该Instruction(s)，若不支持，将返回失败。

405.若以上操作能处理成功，交换机保存新生成的Profile ID和Instruction(s)映射对，并向控制器返回成功消息；否则，返回失败消息。

另外，上述方法中，控制器也可以将新生成的Profile ID和Instruction(s)之间的映射关系更新到本地保存的映射关系表中，将此更新后的映射关系表下发给交换机以进行更新。

场景三，若确定某张流表不再使用，其对应的指令结构也不再使用，可将该指令与Profile ID的对应关系从映射表中删除。该场景下，删除指令与Profile ID的对应关系的过程如图5所示，包括如下操作：

501.控制器收到某Instruction(s)的删除消息。

502.控制器查询本地映射表，获得该Instruction(s)对应的Profile ID。

503.控制器将该Profile ID封装在特定的删除消息里，下发给交换机。

504.交换机接收删除消息，解析消息，获取Profile ID，然后查询本地映射表上该Profile ID的映射关系，删除该映射关系。

505.若以上操作能处理成功，交换机向控制器返回成功消息；否则，返回失败消息。

另外，上述方法中，控制器也可以从本地保存的映射关系表中将删除的Profile ID和Instruction(s)之间的映射关系删除，将此删除操作后的映射关系表下发给交换机以进行更新。

图6-图8介绍Instruction与Profile ID映射示例。在下发流表时，控制器首先查询流表中各个Instruction对应的Profile ID，根据Instruction的结构，提取每一节的value，并按照顺序打包成Profile ID+value(s)这样的一个数据段，封装在Openflow流表消息里下发给转发面。当转发面收到该消息时，首先获取Payload中的Profile ID,查询映射表得到其对应的Instruction结构，再通过该结构解析Payload剩下的value(s)，重组成流表中完整的Instruction。以下逐一介绍。

图6是单一的，不携带action的Instruction与Profile ID的映射示例。本示例以表跳转指令为为例，假设业务需要跳转到6号表执行。图6第一栏是OpenFlow协议中定义的OFPIT_GOTO_TABLE指令结构体，包括指令类型，长度，对应的表号（table_id）和填充字段（用于结构体长度对其）等，而整个结构体中的有效数据仅是table_id；图6第二列表示该instruction对应的Profile ID，这里假定是0x01；图6第三列表示该Instruction转换为Profile ID+value(s)形式后所携带的value，在该示例中，就是目标表号，值为6；图6第四列表示最终形成的下发给交换机的数据，以Profile ID+value(s)的形式封装。

图7是Instruction携带多个action，每个action是携带相应的value的映射情况。本实施例以路由流程为例，传统的路由表需要对报文做以下操作：a、设置目的端VLAN ID;b、修改目的MAC为真实目的主机的MAC；c、修改源MAC为网关地址；d、设置转发端口。其中，上述各个操作可分别由对应功能的action来封装，而这多个action可封装在一个instruction里。该Instruction与Profile ID的映射关系如图7所示，第一列是上述操作对应的Openflow指令结构，包含指令头部和4个action结构体，这些结构体分别封装上述的四个操作；第二列是该指令对应的Profile ID，这里假定为0x02；第三列是从各个结构体中提出的有效字段，包括：目的VNet ID，这里假定为13；目的mac，这里假定为0x0019c6004c51；源mac，这里假定为0x00d0d077afeb；转发端口，这里假定为4。第四列表示最终形成的下发给交换机的数据，以Profile ID+value(s)的形式封装。

图8是Instruction中某个action不携带value的情况。本实施例以目的端对发给自己的报文的处理流表为例，其具体处理操作包含：a、弹出最外层VLAN标签；b、从接入侧端口上送给目的主机。该Instruction与Profile ID的映射关系如图8所示，第一列是上述操作对应的Openflow指令结构，包含指令头部和2个action结构体，这些结构体分别封装上述的2个操作，其中第一个操作是弹出外层标签，这里并不需要指明外层标签的具体值，仅有一个动作；第二列是该指令对应的Profile ID，这里假定为0x03；第三列是从各个结构体中提出的有效字段，由于第二个action仅存在一个动作，因此这里仅一个value，即第二个action的port字段，这里假定为3；第四列表示最终形成的下发给交换机的数据，以Profile ID+value(s)的形式封装。由于指令与Profile ID一一对应，Profile ID就暗含了指令结构。当转发面收到该消息后，获取Profile ID，可知其对应的Instruction第一个action是一个弹出VLAN的action，没有value，因此自动将value赋给第二个action的port字段。

另外，Profile ID也能对应多个Instruction。多个Instruction的情况类似于Instruction携带多个action，这里将Instruction看作是复合的action，等价于一个具体的操作，因此，可将流表中多个Instruction映射到一个Profile ID上，映射后流表中所携带的Instruction内容类似于上述三种情况之一。

实施例2

本实施例提供一种控制器，可实现上述实施例1的方法，该控制器至少包括如下模块。

映射关系表生成模块，根据初始配置获取流表所支持的所有指令及其类型，针对各流表中指令生成属性标识符，并将属性标识符与指令之间的映射关系表保存在控制器本地，其中，每个属性标识符至少标识出对应流表中所有指令的指令类型，指令结构，以及各指令的值的类型和长度信息；

下发模块，在检测到上线的交换机时，向上线的交换机下发所保存的映射关系表。

其中，映射关系表生成模块生成的属性标识符还可以标识出对应流表中指令携带的行为的类型和行为的值的类型和长度信息。

另外，控制器创建上述映射关系表后还可以进行更新维护操作，此时，控制器还包括：更新模块，在运行过程中，有新增配置时，为生成的新的流表中指令生成新的属性标识符，将新的属性标识符与指令之间的映射关系更新保存至本地的映射关系表。这样，下发模块，可以将更新后的映射关系表下发到所有交换机，或者仅将新的属性标识符与指令之间的映射关系下发到所有交换机以实现更新操作。

当然更新模块，在运行过程中，有删除配置时，还可以从映射关系表中将删除的指令与其对应的属性标识符的映射关系删除。此时，下发模块，可以将删除操作后的映射关系表下发到所有交换机，或者将删除的属性标识符与指令之间的映射关系通知给所有交换机，从而实现更新操作。

上述控制器的其他操作可以参见上述实施列1的相应内容，在此不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本申请不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。

以上所述，仅为本发明的较佳实例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种OF协议指令实现方法，其特征在于，包括：

控制器根据初始配置获取各流表所支持的所有指令及其类型，针对各流表中指令生成属性标识符，将属性标识符与指令之间的映射关系表保存在控制器本地；

当所述控制器检测到上线的交换机时，向所述上线的交换机下发所保存的映射关系表；

其中，每个属性标识符至少标识出其对应流表中所有指令的指令类型，指令结构，以及各指令的值的类型和长度信息。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述属性标识符还标识出对应流表中指令中携带的行为的类型和行为的值的类型和长度信息。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

在运行过程中，若有新增配置，则所述控制器生成新的流表，并对新的流表中指令生成新的属性标识符，将新的属性标识符与指令之间的映射关系更新保存至本地的映射关系表。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

所述控制器将更新后的映射关系表下发到所有交换机；或者

所述控制器仅将新的属性标识符与指令之间的映射关系下发到所有交换机。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

在运行过程中，若删除流表，则所述控制器从本地保存的所述映射关系表中将所删除的流表的指令与其对应的属性标识符的映射关系删除。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

所述控制器将删除操作后的映射关系表下发到所有交换机；或者

所述控制器仅将删除的属性标识符与指令之间的映射关系下发到所有交换机。

7.一种控制器，其特征在于，包括：

映射关系表生成模块，根据初始配置获取流表所支持的所有指令及其类型，针对各流表中指令生成属性标识符，并将属性标识符与指令之间的映射关系表保存在控制器本地，其中，每个属性标识符至少标识出对应流表中所有指令的指令类型，指令结构，以及各指令的值的类型和长度信息；

下发模块，在检测到上线的交换机时，向所述上线的交换机下发所保存的映射关系表。

8.如权利要求7所述的控制器，其特征在于，

所述属性标识符还标识出对应流表中指令携带的行为的类型和行为的值的类型和长度信息。

9.如权利要求8所述的控制器，其特征在于，还包括：

更新模块，在运行过程中，有新增配置时，为生成的新的流表中指令生成新的属性标识符，将新的属性标识符与指令之间的映射关系更新保存至本地的映射关系表。

10.如权利要求9所述的控制器，其特征在于，

所述下发模块，将更新后的映射关系表下发到所有交换机；或者

仅将新的属性标识符与指令之间的映射关系下发到所有交换机。

11.如权利要求9所述的控制器，其特征在于，

所述更新模块，在运行过程中，有删除配置时，从所述映射关系表中将所删除的流表的指令与其对应的属性标识符的映射关系删除。

12.如权利要求11所述的控制器，其特征在于，

所述下发单元，将删除操作后的映射关系表下发到所有交换机；或者

仅将删除的属性标识符与指令之间的映射关系下发到所有交换机。