CN105024902A - 一种适用于企业级宽带移动通信系统的网络虚拟化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种企业级宽带移动通信系统的网络虚拟化实现方法，尤其涉及一种集传统隧道和新兴网络资源片技术为一体的资源片隧道网络虚拟化实现方法。本方法适用于支持OpenFlow协议的网络架构，通过定义一个OpenFlow(Version1.3)的扩展包来实现OpenFlow交换机对普通隧道技术的支持，通过改进传统的基于FlowVisor的集中式资源片管理器的虚拟化方法为分布式的基于资源片管理代理的虚拟化方法，提高了OpenFlow交换机对大量不同服务等级数据流进行细粒度的管理和交换能力，为企业数据中心提供了一个具有高扩展性和兼容性的，能够为不同宽带移动通信服务提供网络带宽、延时、丢包率等服务质量保证的网络基础架构。

Description

一种适用于企业级宽带移动通信系统的网络虚拟化方法

技术领域

本发明涉及一种企业级宽带移动通信系统的网络虚拟化实现方法，尤其涉及一种集传统隧道和新兴网络资源片技术为一体的资源片隧道网络虚拟化实现方法。本方法适用于支持OpenFlow协议的网络架构，通过定义一个OpenFlow(Version1.3)的扩展包来实现OpenFlow交换机对普通隧道技术的支持，通过改进传统的基于FlowVisor的集中式资源片管理器的虚拟化方法为分布式的基于资源片管理代理的虚拟化方法，提高了OpenFlow交换机对大量不同服务等级数据流进行细粒度的管理和交换能力，为企业数据中心提供了一个具有高扩展性和兼容性的，能够为不同宽带移动通信服务提供网络带宽、延时、丢包率等服务质量保证的网络基础架构。

背景技术

随着电路交换和IP交换的融合，基于IP交换的宽带移动通信服务系统正在得到愈来愈广泛的应用。这些基于IP交换的宽带移动通信服务，在服务等级(QoS)和计费等方面，与传统的移动通信服务相比，目前还有一定的差距，主要原因是当前基于IP的互联网架构不能满足电信级宽带移动通信应用对网络环境的要求。与电信级宽带移动通信应用的大容量、高可靠性和可管理性，以及灵活的计费策略相比，企业级宽带移动通信应用系统往往只针对企业内部的用户，无需精确计费或者根本不需要计费，能够容忍偶尔的服务降级，因此，企业没有必要象电信运营商一样，投入大量资金建设和维护一个专用的、支持电信级应用的网络平台。企业级宽带移动通信系统应该是一个低成本、具有一定扩展性、兼容当前IP网络架构，并且能够基于不同服务流进行QoS管理和计费的网络架构。

传统的企业IP架构是一个资源共享的粗粒度管理和交换系统，要想在其之上实现QoS的管理，不仅技术上困难，而且管理和维护成本很高，基本没有可行的解决方案。采用虚拟化技术后，企业网络虽然可以根据其行政架构将网络资源进行相对隔离，但这种划分，一种是在链路上实现信息的隔离，但在交换和路由节点上依然资源共享，难以支持基于业务流的QoS管理和交换，另一种是在交换和路由节点上实现资源的划分，支持基于业务流的QoS管理和交换，但业务流管理交换的机制还是无法支持复杂的网络拓扑结构，资源消耗大，难以满足企业网内部宽带通信业务流和普通办公业务流在容量、性能和可靠性上的要求。开发一种能够满足基于业务流的QoS管理和交换，又具有较高的交换和管理扩展性，兼容当前网络架构及其之上的交换路由协议，并具有较好可靠性的网络虚拟化技术，从而在企业网上实现宽带通信应用和办公应用的逻辑分离以及细粒度交换和管理，具有实际的意义。

隧道和资源片划分是当前两种流行的网络虚拟化技术。隧道虚拟化技术主要通过隧道协议在链路上实现信息的隔离，它对数据流的管理基于IP、MPLS和以太网，共享的交换和路由资源，具有高性能、高可靠性和扩展性，但是无法支持QoS管理和计费功能，是一种的支持粗粒度交换管理的方法；资源片划分技术主要用于支持OpenFlow协议的网络架构，通过一个集中式的资源片管理器对所有网络交换机和路由器进行资源片的定义的管理，通过在交换机内部对资源片的隔离实现了网络的虚拟化。由于支持OpenFlow的交换机和路由器能够对资源片进行递归定义和识别，进而能够实现对QoS管理和计费的细粒度数据流的管理和交换。但是这种细粒度数据流的管理和交换机制非常消耗资源，其集中式资源片管理器的模式难以支持企业网中宽带移动通信应用和普通办公应用流混杂，数据流量大，类型多，QoS需求多样化的要求，而且这个集中式资源片管理器是一个单点故障，有可能成为新的网络瓶颈。

缩写术语

IP   Internet Protocol             互联网协议

MPLS Multiple Protocol Label Switch多协议标签交换

QoS  Quality of Service            服务质量

发明内容

所要解决的技术问题：

针对以上不足，本发明提供了一种适用于企业级宽带移动通信系统的网络虚拟化方法，通过对OpenFlow协议的扩展，在支持OpenFlow协议交换机的内部实现了对隧道协议的支持，并通过隧道号对交换机的资源片进行匹配，将不同的资源片分配给不同隧道的数据流，从而在普通覆盖层上构建了一个OpenFlow覆盖层，不仅同时在链路和交换机层面对不同隧道的数据流实现了性能隔离，还提供了一个高性能的，具有良好扩展性和兼容性，同时支持对不同数据流进行基于流的细粒度的管理、交换和计费的网络虚拟化平台。

本发明通过扩展OpenFlow1.3协议，在支持OpenFlow协议的交换机内部实现了对隧道的支持。交换机提供两种交换方式：传统的和基于数据流的。由于企业网内部办公数据流对QoS没有特别的要求，交换机采用传统的交换方式提高交换的效率，降低对系统资源的消耗；对于对QoS有不同要求的宽带移动通信应用的数据流，交换机则采用基于数据流的细粒度的交换方式。本发明适用于企业的数据中心，支持通用的办公和宽带移动通信应用，无需应用进行修改和配置。交换机资源片的定义和配置通过一个统一的管理配置模块，写入一个逻辑上集中、物理上分布的全局数据库，通过一个置于交换机内部的资源片管理模块对隧道资源片进行管理。这种集中配置分布管理的模式提高了网络资源的使用率，减少了网络系统配置错误的机率和管理费用，同时消除了集中资源片管理器这个单点故障，提高了系统的性能和扩展性。同时，这个逻辑上集中、物理上分布的数据库支持对各交换机内部数据库的信息同步，当虚拟网络拓扑结构因为虚拟机迁移、控制器错误等原因发生变化时，可以自动对相关的本地数据库进行更新，避免了常规的地址学习机制对网络性能的影响，满足了大规模网络对性能和扩展性的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中，描述一种适用于企业级宽带移动通信系统的网络虚拟化方法的原理图。

图2是本发明实施例中，支持OpenFlow协议的交换机内部逻辑结构图。

图3是本发明实施例中，描述交换机内部资源片管理模块的内部逻辑结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细地说明。

如图1所示，本发明的一种适用于企业级宽带移动通信系统的网络虚拟化方法是一个面向基于OpenFlow网络架构的企业数据中心的网络虚拟化平台。通过对OpenFlow1.3协议和支持OpenFlow协议的控制器和交换机进行改进，实现了隧道技术和交换机资源片技术的融合，构建了一个集高扩展性，兼容性和细粒度流管理和交换的网络虚拟化平台。此平台实质上构建了一个在普通覆盖层上的OpenFlow覆盖层，每一个普通覆盖层表示了一个虚拟网络，每一个虚拟网络由一个虚拟网络控制器进行管理。覆盖层上的OpenFlow覆盖层表示了虚拟网络内部的一类数据流，交换机可以根据不同虚拟网络的QoS要求决定对其之上的数据流采取传统的交换方式还是细粒度的流交换方式，这种混合的交换模式通过一个嵌入在交换机内部的轻量级的资源片管理器结合隧道编解码模块实现，在保证系统性能和可扩展性的基础上保证了企业级宽带移动通信数据流的QoS需求。

本发明要求采用支持OpenFlow1.3的交换机和控制器，并需要对交换机和控制器分别进行改进。控制器的改进通过软件的更新来实现，交换机的改进需要硬件平台的支持，我们采用交换控制卡的方式实现。

本发明要求对OpenFlow1.3协议进行改进以便于交换机支持的隧道技术。改进后的OpenFlow1.3在原有的流匹配域中增加GRE隧道包头和隧道包的支持，并在流控制的方法中增加对GRE包头压栈，出栈，GRE隧道号设置方法的支持。为了支持隧道技术，OpenFlow交换机内部需要增加隧道的编码和解码模块，使得交换机可以根据隧道号决定采用哪种交换方式，并保证数据流的格式不因为流经交换机而发生变化。为了保证不同隧道数据流在交换机层面的数据隔离，我们将隧道影射到交换机的资源片上，交换机的资源片由一个嵌入在交换机的资源片管理模块实现。交换机内部还设计了一个本地数据库，对所有与本交换机相关的隧道、数据流、虚拟网络拓扑结构和QoS策略进行存储，并通过一个全局数据库的客户端与一个逻辑上集中、物理上分布的全局数据库进行同步(见附图2)。

本发明还设计了一个嵌入在交换机内部的资源片管理模块，此模块通过对一个开源的资源片集中控制软件(FlowVisor)进行裁剪来实现。现有的FlowVisor是一个集中的管理架构，对整个网络范围内的虚拟网络和交换机进行设置和管理。本发明通过裁剪其对多交换机支持及对本地数据库的管理，将其改进为一个轻量级的可以运行在CPU和内存资源相对较弱的交换机内部计算环境上。改进后的资源片管理模块逻辑原理见附图3。交换机和不同虚拟网络的控制器通过一个连接管理模块接入资源片管理模块，不同的虚拟网络通过一个资源片识别模块进行识别，并匹配到相应的资源片管理器上。资源片管理器与虚拟网一一对应，不同的虚拟网操作在不同的资源片上，由不同的资源片管理器进行管理，在管理层面上实现了信息的隔离。用嵌入在交换机内部的资源片管理模块取代集中的资源片管理节点，消除了系统的单点故障，提高了系统的性能，可扩展性，和安全性。

虚拟网络，资源片的配置和管理，不同虚拟网络数据流，不同资源片数据流的QoS需求，计费策略可以通过一个全局的配置和管理模块进行集中管理。这些保存在全局数据库中配置信息和策略可以通过服务同步到各相关交换机和控制器的本地数据库上，保证各节点对其相关的网络拓扑，配置和策略信息保持一致，实现了高效率的网络地址学习，动态的参数和策略配置，并提供了在接入虚拟交换机上实现基于流的交换路径计算和发布的机制。

本发明通过改进通用的隧道和资源片网络虚拟化技术，在交换机上实现了隧道和资源片的匹配。这种匹配在普通的覆盖层上建立了一个OpenFlow覆盖层，使得交换机可以用传统方式对低QoS要求的数据流进行交换，对高QoS要求的数据流进行细粒度的流交换，从而在保证可扩展性和兼容性的基础上实现了细粒度的流交换，以支持企业级宽带移动通信应用中面向不同应用服务的QoS管理的计费。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本具有发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (6)

1.一种适用于企业级宽带移动通信系统的网络虚拟化实现方法，其特征在于：通过扩展OpenFlow1.3协议和改进集中式资源片管理器模式为基于各交换机的分布式资源片管理模式，在交换机内部实现了对隧道和资源片技术的双重支持，从而在网络上构建了一个普通覆盖层之上的OpenFlow覆盖层。根据不同移动宽带系统对资源和QoS的不同要求，本网络虚拟化方法支持传统的和基于流的细粒度的混合交换方法，在保证系统扩展性，兼容性，和综合性能的基础上满足了不同应用数据流对QoS的要求。本实现方法适用于支持OpenFlow1.3协议的网络架构，采用开放源代码的虚拟交换机Open VSwitch，资源片管理器FlowVisor，和交换机控制器NOX作为开发平台。选择开放源代码的逻辑集中物理分布的数据仓库作为全局网络配置，状态，和策略数据库，本地数据库采用开源的Mysql。所有开发基于开放式架构和开源的平台，成本低，便于开发和维护。

2.根据权利要求1所述的一种适用于企业级宽带移动通信系统的网络虚拟化实现方法，其特征在于：OpenFlow1.3协议的改进通在原有的流匹配域中增加GRE隧道包头域和隧道包域，并在流控制的方法中增加对GRE包头压栈，出栈，GRE隧道号设置等三种方法。系统的交换机和控制器需要根据增强后的OpenFlow1.3协议进行改进。

3.根据权利要求1所述的一种适用于企业级宽带移动通信系统的网络虚拟化实现方法，其特征在于：支持扩展OpenFlow1.3协议的交换机提供两种交换方式，对普通的企业办公数据流采用传统的交换方式，对宽带移动通信应用得数据流采用基于流的细粒度交换方式。交换方式的选择通过对不同的数据流设置相应的优先级来实现，优先级被设置为0和1的流采用传统的交换方式。

4.根据权利要求1所述的一种适用于企业级宽带移动通信系统的网络虚拟化实现方法，其特征在于：嵌入在交换机内部的资源片管理模块通过裁剪集中式的资源片管理机来实现。主要的改进在于改原来对多交换机的支持为单交换机的支持，同时裁剪掉原有的对本地数据的配置和管理模块。

5.根据权利要求1所述的一种适用于企业级宽带移动通信系统的网络虚拟化实现方法，其特征在于：逻辑上集中但物理上分布的全局数据库系统存储了所有网络拓扑，虚拟网络配置，资源片配置，QoS策略等信息，这些信息通过一个同步服务将相关数据同步到各本地数据库上。

6.根据权利要求1所述的一种适用于企业级宽带移动通信系统的网络虚拟化实现方法，其特征在于：所有虚拟网络，资源片，QoS策略的配置通过一个集中的配置管理模块实现。各交换机和控制器内部数据库不需要进行本地的配置管理，其信息的更新通过在全局数据库中注册的监控服务进行实时的同步服务来实现。