CN104936254B - 基于软件定义网络的无线网络无缝移交方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于软件定义网络的无线网络无缝移交方法及其装置。本发明通过引入软件定义网络架构，分离网络中的数据平面和控制平面,将传统分布式网络改进为集中式网络。客户端采用双网卡接入无线网络中两个不同的AP，控制器实时监测网络拓扑变化并为相应的交换设备产生合适的流表，建立相应的逻辑链路，使得客户端在无线网络范围内漫游时，网络服务不会中断。该方法具有的优点如下：相较于传统网络，控制器以更细的粒度控制数据流，根据网络拓扑变化以及客户端所在网段重新下发流表，将数据流正确定向至移动客户端当前位置，从而实现客户端在无线范围内可以跨网段漫游且网络服务不中断，即无缝移交。

Description

基于软件定义网络的无线网络无缝移交方法及其装置
技术领域
本发明涉及无线网络组网技术问题，尤其涉及一种基于软件定义网络的无线网络无缝移交方法及其装置。
背景技术
近年来，网络技术的不断发展和互联网业务的快速增长推动了市场对无线宽带网络的需求，无线宽带用户数量增长迅猛。在众多的宽带技术中，无线网络技术将成为未来通信网络技术的重要组成部分。无线网络覆盖下，无线用户可移动性问题已经成为当今无线网络技术研究热点。无线网络移交指的是无线用户在无线网络覆盖范围内移动时，从一个AP断开去连接相邻AP，在该过程中网络服务不中断。而在当今无线网络组网方式，用户漫游时客户端IP地址不能变化，因而移动性受到极大的限制。
软件定义网络（Software-Defined Networking, SDN）的概念标准OpenFlow在2008年由斯坦福大学、华盛顿大学、麻省理工学院、加州大学伯克利分校、普林斯顿大学等高校联合提出。其特点是将传统网络中控制与转发能力进行分离，使得我们可以通过编程去控制网络设备的转发能力。通过可编程的方式对传统网络中网络设备的控制与转发能力进行解耦，从而支持多种用户或应用的不同需求[1-2]。SDN架构中的核心是控制层，作为一个中央控制器，控制层不仅能控制全局网络，还能为应用层提供北向API和为网络设备提供南向API[3]。北向API主要供应用层开发向控制器阐明业务策略和网络配置的应用程序。而南向API为底层网络设备提供可编程性基础。
参考文献：
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发明内容
本发明的目的是提供一种基于软件定义网络的无线网络无缝移交方法及其装置。
一种基于软件定义网络的无线网络无缝移交方法的步骤如下：
1)无线网络中的任意客户接入无线网络时，向控制器公告客户两块网卡的MAC地址，控制器定时传输ARP数据包确定网络中客户是否存活；
2)无线网络中的任意客户发起网络连接，控制器记录网络连接目的IP地址和源IP地址，并根据全局网络拓扑信息下发流表至交换设备，建立逻辑链路；
3)无线网络中的任意客户漫游时，控制器通过ARP数据包确定客户位置，在客户漫游过程中，存在三种状态：1.客户所在位置有且只有一个无线AP，客户可以选择任意一块网卡连接AP获得网络服务；2.客户所在位置有多个无线AP，客户两块网卡各连接一个互不相同的AP，控制器将发送给请求网络服务的网卡的信息复制并更改其目的IP地址和MAC地址，转发给另一块网卡；3.客户所在位置中断原先请求服务的网卡，控制器将数据转发至另一块网卡；
4)无线网络中的任意客户漫游至新的AP时，网卡分配新的IP地址。控制器根据MAC地址识别客户，并将数据流目的IP地址修改至新IP地址，下发新流表至交换设备。
所述的公告两块网卡信息，具体为：客户接入无线网络后，发送三字节数据包至控制器，第一字节控制命令，第二字节为第一网卡MAC地址，第三字节为第二网卡MAC地址。
所述的确定客户存活，具体为：控制器定时向网络中发送目的地址为客户的ARP请求包，收到客户回复，则认为客户网卡此时连接至网络，否则客户网卡断开连接。
所述的全局网络拓扑，具体为：交换机与控制器建立TCP连接进行心跳反应，控制器下发LLDP数据包获取交换机间链路信息，并通过ARP信息获得客户位置信息。
所述的识别客户，具体为：控制器记录客户MAC地址和相应IP地址，客户接入新AP发送ARP数据包，控制器解析ARP数据包判别其MAC地址与控制器记录MAC地址是否相同，相同则为原先用户，不相同，则为新用户。
一种基于软件定义网络的无线网络无缝移交装置包括
拓扑发现模块，用于识别交换机间链路和客户无线接入。交换机间链路信息是由交换机间发送LLDP报文检测得知。LLDP基于二层网络，允许网络设备在本地子网中通告自己的设备标识和性能。客户无线接入信息是当客户接入无线网络时，其发出ARP请求包转发至控制器，控制器解析ARP包源地址得到。
流表控制模块，用于对客户端发送的数据包进行包头解析，并根据解析的目的地址字段匹配自身拓扑信息，下发相应流表至相应交换机，
建立逻辑链路；
双网卡接入模块，用于配置客户端两块网卡数据链路，控制器检测客户端两块网卡接入，复制汇聚交换机发送给客户网卡一的数据并转发至客户网卡二，随后在客户网卡二的接入AP处修改其目的IP、目的MAC地址；
移交控制模块，用于客户在无线网络范围内漫游时，控制器依据解析客户新接入AP发出ARP包地址变化判定客户发生漫游行为，并依据网络拓扑信息和之前下发流表信息，下发新的流表至相应交换机，重定向数据至用户漫游位置。
本发明与现有技术相比具有的有益效果：
1、本发明公开了基于软件定义网络的无线网络无缝移交方法，其第一个优势为：集中规划网络路径，网络延迟低。
目前常见的无线网络组网采用由AC和AP组合的方式，数据链路由路由器自主学习建立，容易造成网络阻塞。而本发明中由控制器根据全局拓扑合理规划路径并下发流表。当网络中某节点负载过量时，控制器将为后续网络数据重新规划链路。因此，集中规划网络路径有助于处理复杂的网络环境，降低网络延迟。
2、本发明公开了基于软件定义网络的无线网络无缝移交方法，其第二个优势为：客户在无线网络环境下漫游时，网络服务不中断。
通常单网卡客户在无线网络漫游时，在相邻AP切换时造成网络中断。本发明客户端采用双网卡，客户使用任意网卡接入无线网络。通常，在部署无线网络时，各AP间存在公共的覆盖区域。当客户处于公共覆盖区域时，两块网卡分别接入两个不同的AP，此时控制器将数据分别发往客户两块网卡。当客户切换任一AP时，由另一网卡保障网络服务。因此，本方法可以向客户提供更加稳定、无缝的无线网络漫游服务。
3、本发明公开了基于软件定义网络的无线网络无缝移交方法，其第三个优势为：客户可跨网段漫游。
本发明的网络流控制方法采用软件定义网络技术，相对于传统的组网技术提供更细力度的决策。控制器依据客户MAC地址识别客户，当检测客户漫游至新网段时，控制器将修改原数据流的目的地址为客户当前IP地址，将数据流重定向至客户当前位置。因此，采用本发明所述的无线网络不受网段限制，适用于大规模无线网络环境，向客户提供灵活的漫游服务。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
图1为基于软件定义网络的无线网络无缝移交装置模块结构图；
图2为基于软件定义网络的无线网络客户无线接入示意图；
图3为基于软件定义网络的无线网络客户漫游示意图；
图4为基于软件定义网络的无线网络无缝移交实验结果图。
具体实施方式
一种基于软件定义网络的无线网络无缝移交方法的步骤如下：
1)无线网络中的任意客户接入无线网络时，向控制器公告客户两块网卡的MAC地址，控制器定时传输ARP数据包确定网络中客户是否存活；
2)无线网络中的任意客户发起网络连接，控制器记录网络连接目的IP地址和源IP地址，并根据全局网络拓扑信息下发流表至交换设备，建立逻辑链路；
3)无线网络中的任意客户漫游时，控制器通过ARP数据包确定客户位置，在客户漫游过程中，存在三种状态：1.客户所在位置有且只有一个无线AP，客户可以选择任意一块网卡连接AP获得网络服务；2.客户所在位置有多个无线AP，客户两块网卡各连接一个互不相同的AP，控制器将发送给请求网络服务的网卡的信息复制并更改其目的IP地址和MAC地址，转发给另一块网卡；3.客户所在位置中断原先请求服务的网卡，控制器将数据转发至另一块网卡；
4)无线网络中的任意客户漫游至新的AP时，网卡分配新的IP地址。控制器根据MAC地址识别客户，并将数据流目的IP地址修改至新IP地址，下发新流表至交换设备。
所述的公告两块网卡信息，具体为：客户接入无线网络后，发送三字节数据包至控制器，第一字节控制命令，第二字节为第一网卡MAC地址，第三字节为第二网卡MAC地址。
所述的确定客户存活，具体为：控制器定时向网络中发送目的地址为客户的ARP请求包，收到客户回复，则认为客户网卡此时连接至网络，否则客户网卡断开连接。
所述的全局网络拓扑，具体为：交换机与控制器建立TCP连接进行心跳反应，控制器下发LLDP数据包获取交换机间链路信息，并通过ARP信息获得客户位置信息。
所述的识别客户，具体为：控制器记录客户MAC地址和相应IP地址，客户接入新AP发送ARP数据包，控制器解析ARP数据包判别其MAC地址与控制器记录MAC地址是否相同，相同则为原先用户，不相同，则为新用户。
一种基于软件定义网络的无线网络无缝移交装置包括
拓扑发现模块，用于识别交换机间链路和客户无线接入。交换机间链路信息是由交换机间发送LLDP报文检测得知。LLDP基于二层网络，允许网络设备在本地子网中通告自己的设备标识和性能。客户无线接入信息是当客户接入无线网络时，其发出ARP请求包转发至控制器，控制器解析ARP包源地址得到。
流表控制模块，用于对客户端发送的数据包进行包头解析，并根据解析的目的地址字段匹配自身拓扑信息，下发相应流表至相应交换机，
建立逻辑链路；
双网卡接入模块，用于配置客户端两块网卡数据链路，控制器检测客户端两块网卡接入，复制汇聚交换机发送给客户网卡一的数据并转发至客户网卡二，随后在客户网卡二的接入AP处修改其目的IP、目的MAC地址；
移交控制模块，用于客户在无线网络范围内漫游时，控制器依据解析客户新接入AP发出ARP包地址变化判定客户发生漫游行为，并依据网络拓扑信息和之前下发流表信息，下发新的流表至相应交换机，重定向数据至用户漫游位置。
实施例：
1. 拓扑发现模块
网络拓扑发现分为交换机间链路发现和客户无线接入发现。交换机间链路信息是由交换机间发送LLDP报文检测得知。LLDP基于二层网络，允许网络设备在本地子网中通告自己的设备标识和性能。客户无线接入信息是当客户接入无线网络时，其发出ARP请求包转发至控制器，控制器解析ARP包源地址得到。
2. 流表控制模块
交换设备将流入数据包与自身流表进行匹配，匹配成功的数据包按相应的流表项转发，否则将数据包发送至控制器。控制器解析由交换设备转发的数据包，并根据数据包中的目的地址匹配全局拓扑信息，转发数据包，并下发相应流表至交换设备。
3. 双网卡接入模块
控制器识别到客户双网卡接入无线网络时，为两块网卡构建不同的流表，并下发相应指令至交换设备。其中，提供客户接入的两个无线AP的汇聚交换机将服务器发送给客户端网卡一的数据包进行复制，分发给客户两个接入无线AP；提供网卡二接入的无线AP修改目的IP地址和目的MAC地址为网卡二信息。此时，客户两块网卡均能收到来自服务器的数据包。
4. 移交模块
客户在进行无线网络漫游时，控制器通过拓扑发现模块判定客户发生移交行为。控制器根据客户当前位置下发流表至相应交换设备，交换设备收到流表后更新自身流表，将传输至客户原先位置的数据流重定向至客户当前位置。

Claims (6)

1.一种基于软件定义网络的无线网络无缝移交方法，其特征在于它的步骤如下：
1)无线网络中的任意客户接入无线网络时，向控制器公告客户两块网卡的MAC地址，控制器定时传输ARP数据包确定网络中客户是否存活；
2)无线网络中的任意客户发起网络连接，控制器记录网络连接目的IP地址和源IP地址，并根据全局网络拓扑信息下发流表至交换设备，建立逻辑链路；
3)无线网络中的任意客户漫游时，控制器通过ARP数据包确定客户位置，在客户漫游过程中，存在三种状态：1.客户所在位置有且只有一个无线AP，客户可以选择任意一块网卡连接AP获得网络服务；2.客户所在位置有多个无线AP，客户两块网卡各连接一个互不相同的AP，控制器将发送给请求网络服务的网卡的信息复制并更改其目的IP地址和MAC地址，转发给另一块网卡；3.客户所在位置中断原先请求服务的网卡，控制器将数据转发至另一块网卡；
4)无线网络中的任意客户漫游至新的AP时，网卡分配新的IP地址；
控制器根据MAC地址识别客户，并将数据流目的IP地址修改至新IP地址，下发新流表至交换设备。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的向控制器公告客户两块网卡的MAC地址，具体为：客户接入无线网络后，发送三字节数据包至控制器，第一字节为控制命令，第二字节为第一网卡MAC地址，第三字节为第二网卡MAC地址。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的确定网络中客户是否存活，具体为：控制器定时向网络中发送目的地址为客户的ARP请求包，收到客户回复，则认为客户网卡此时连接至网络，否则客户网卡断开连接。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的全局网络拓扑，具体为：交换机与控制器建立TCP连接进行心跳反应，控制器下发LLDP数据包获取交换机间链路信息，并通过ARP信息获得客户位置信息。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的识别客户，具体为：控制器记录客户MAC地址和相应IP地址，客户接入新的AP发送ARP数据包，控制器解析ARP数据包并判别其MAC地址与控制器记录的MAC地址是否相同，相同则为原先用户，不相同，则为新用户。
6.一种基于软件定义网络的无线网络无缝移交装置，其特征在于，包括
拓扑发现模块，用于识别交换机间链路和客户无线接入；
交换机间链路信息是由交换机间发送LLDP报文检测得知；
LLDP基于二层网络，允许网络设备在本地子网中通告自己的设备标识和性能；
客户无线接入信息是当客户接入无线网络时，其发出ARP请求包转发至控制器，控制器解析ARP包源地址得到；
流表控制模块，用于对客户端发送的数据包进行包头解析，并根据解析的目的地址字段匹配自身拓扑信息，下发相应流表至相应交换机，
建立逻辑链路；
双网卡接入模块，用于配置客户端两块网卡数据链路，控制器检测客户端两块网卡接入，复制交换机发送给客户网卡一的数据并转发至客户网卡二，随后在客户网卡二的接入AP处修改其目的IP、目的MAC地址；
移交控制模块，用于客户在无线网络范围内漫游时，控制器依据解析客户新接入AP发出的ARP包地址变化判定客户是否发生漫游行为，并依据网络拓扑信息和之前下发流表信息，下发新的流表至相应交换机，重定向数据至用户漫游位置。
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