CN105049231B - 一种分层跨域的网络管理控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于计算机网络领域，具体涉及一种分层跨域的网络管理控制系统，用于支持在网络的控制平面对网络进行分域管理与控制，以提高网络的可扩展性。所述技术方案包括：将网络交换节点划分为多个域，每个域由一个本地控制节点进行管理，包括网络域的拓扑学习、跨域流的转发规则生成、负载均衡决策等功能；存在一个中心控制节点用于负责各个本地控制节点之间的协调；本地控制节点负责域内的转发规则生成与下发、为跨域通信发起转发规则请求，并实现了负载感知、执行迁移命令、执行主备切换命令等功能。本申请的系统和方法，能够提高网络的可扩展性，并可为各类新型网络架构或技术提供试验平台。

Description

一种分层跨域的网络管理控制系统

技术领域

本发明属于计算机网络领域，具体涉及一种分层跨域的网络管理控制系统。

背景技术

随着互联网规模的不断增长和新型网络服务的不断涌现，数据转发平面和路由控制层面紧耦合的模式使得交换机/路由器设备控制功能的高度复杂，极大地增加了网络维护和管理的难度和成本。因此，研究人员提出了将控制逻辑与数据转发相分离的思想，用以降低网络核心设备的复杂性并提高网络管理和控制的灵活性。软件定义网络（SoftwareDefined Network, SDN）就是转发与控制分离这一思想的具体实现。在SDN中，所有底层交换机的数据转发规则都是由控制器来生成的，并通过OpenFlow协议，以流表项的形式下发给各个交换机，交换机完全按照流表中定义的转发规则进行网络数据转发。

控制器是一种集中式的管理节点，若整个网络只采用单个控制器，则网络的可扩展性和可靠性都难以得到保障。假如某一时刻用户并发访问量突然急剧增加，单个控制器可能将无法及时响应大量OpenFlow 交换机的并发请求，就会导致OpenFlow 交换机无法对大量到达的报文进行转发，使网络的整体性能下降。而且只采用单个控制器时，若该控制器出现故障，则交换机将无法应对新出现的网络流。因此，采用多控制器进行分布式管理成为了SDN的发展方向。但是多控制器的管理环境也存在一系列问题，如：跨控制域的流表如何生成和下发、各个控制域之间如何保证负载均衡等等。而现有的SDN框架对这些问题没有给出标准的解决方案，因此，为了使类似SDN这种基于转发与控制分离思想的网络能在分域状态下正常运行，需要设计一种新的网络管理控制系统。

本发明实现了一种分层跨域的网络管理与控制系统，该系统面向的环境是转发与控制分离的数据传输网络。系统将网络中的控制节点划分为本地控制节点和中心控制节点。本地控制节点负责一个控制域内的转发规则生成和控制命令下发，中心控制节点负责域间传输路径的生成以及负载均衡决策、主备切换触发等功能。系统能够支持多控制节点的协同管理与控制，提高了网络的可扩展性。

发明内容

本发明针对现有技术存在采用单个控制器时，若该控制器出现故障，则交换机将无法应对新出现的网络流，采用多控制器进行分布式管理现有技术为给出标准的解决跨控制域的流表如何生成和下发、各个控制域之间如何保证负载均衡等问题，提出一种分层跨域的网络管理与控制系统。

本发明的技术方案是：一种分层跨域的网络管理控制系统，包括：中心控制节点和本地控制节点，中心控制节点管理多个本地控制节点，本地控制节点管理域内的交换节点；中心控制节点包括，拓扑学习模块、域间传输路径生成模块、负载均衡模块和网络状态数据库模块；本地控制节点包括，域信息上报模块、流表项的生成与下发模块、跨域转发规则请求上报模块、负载感知模块、交换节点迁移执行模块和主备切换模块；

拓扑学习模块：记录域间拓扑视图以及每个域的出口节点；

域间传输路径生成模块：生成跨域流的域间传递路径，并向该路径所涉及的源目的域以及途经域下发建立域内传递路径指令；

负载均衡模块：依据特定算法和本地控制节点提交的负载状况来进行负载均衡，生成管理域调整决策，下发给相应本地控制节点的交换节点迁移模块；

网络状态数据库模块：记录各个域的连接拓扑、边界出口、地址网段信息，以及各个本地控制节点的运行状态、负载情况、IP地址信息；

域信息上报模块：负责向中心控制节点汇报本域内所有主机的地址信息，以及域边界节点和链路的信息；

流表项的生成与下发模块：接收中心控制节点下发的跨域传输路径，根据该路径指定的下一跳信息，确定跨域流在域内的出口节点，并生成跨域流在本域内的转发策略，以流表项的形式下发给交换节点；

跨域转发规则请求上报模块：监听交换节点向本地控制节点发送的转发规则请求消息，如请求消息中的目的节点在域内，则直接生成域内的转发规则，由流表项生成与下发模块进行下发，若目的节点不在本域，则将该消息转发给中心控制器；

负载感知模块：将本地控制节点的负载情况通告给中心控制节点；

交换节点迁移执行模块：执行中心控制节点下发的交换节点迁移指令，将自己管理的某个交换节点转交给其他本地控制节点进行控制，并修改自身记录的域内拓扑；

主备切换模块：当本地控制节点不可用以后，备用控制节点将接管域内所有节点的控制权，并向中心控制节点进行通告。

所述的分层跨域的网络管理控制系统，所述跨域转发规则请求上报模块针对跨域流的转发规则生成方法包括以下步骤：

步骤101：交换节点如果发现某个网络流无法找到匹配的转发规则，则将该流的目的地址等信息封装为转发规则请求，并将其上报给本地控制节点；

步骤102：本地控制节点收到转发规则请求后对其进行解析；

步骤103：如果目的地址在本域范围内，则执行步骤104；如果目的地址不在本域范围内，则执行步骤105；

步骤104：本地控制节点利用其维护的域内拓扑和最短路径算法计算出网络流在域内的传输路径，然后为该路径上的每个交换节点生成相应的转发规则并下发；

步骤105：将转发规则请求发送给中心控制节点；

步骤106：中心控制节点若收到转发规则请求，则首先定位目的地址属于哪个域，然后利用其维护的域间拓扑和最短路径算法计算出网络流在域间的传递路径，并将计算结果通告给该路径所涉及的本地控制节点；

步骤107、本地控制节点收到中心控制节点的通告以后，按照域间路径来指定网络流在本域内的源节点和目的节点，然后根据域内拓扑生成源节点到目的节点的最短路径，最后为该路径上的每个交换节点生成相应的转发规则并下发；

所述的分层跨域的网络管理控制系统，所述主备切换模块实现负载均衡和主备切换功能包括以下步骤：

步骤201：中心控制节点周期性地向各个本地控制节点查询负载状态；

步骤202：中心控制节点检查所有本地控制节点是否都返回了响应，若收到响应，则执行步骤203；若存在本地控制节点没有返回响应，则执行步骤207；

步骤203：对收到的响应进行解析，获取所有本地交换节点的负载状态，本地控制器负载的度量指标是单位时间内收到的转发规则请求的数量；

步骤204：判断是否存在负载不均衡现象，如果存在则执行步骤205；如果不存在则流程结束；

步骤205：运行负载均衡算法，将部分交换节点从负载较高的本地控制节点的管理域迁移到相邻且负载较低的管理域；

步骤206：将负载均衡算法的计算结果转化成迁移命令下发给各个相关的本地控制节点；

步骤207：向未返回负载状态的本地控制节点再次发送负载状态查询消息；

步骤208：检查本地控制节点是否在规定时间内返回负载状态信息，如果收到信息则执行步骤203；如果没有收到信息则执行步骤209；

步骤209：发送命令，将没有回应的本地控制节点的备用控制节点切换为主控制节点。

本发明的有益效果是：本发明通过分级管理，提高了网络的可扩展性；通过维护不同层面的拓扑来生成跨域数据流的转发规则，与使用域间路由协议相比，降低了系统实现的复杂性，避免了路由震荡等潜在问题；通过实现负载均衡、主备切换等功能，提高了网络的稳定性和可靠性。

附图说明

图1为分层跨域的网络管理控制系统的管理模式示意图；

图2为分层跨域的网络管理控制系统的系统组成框架示意图；

图3为跨域流的转发规则生成方法的步骤流程示意图；

图4为主备切换模块实现负载均衡和主备切换功能的步骤流程示意图；

图中，1为中心控制节点，2为本地控制节点，3为交换节点。

具体实施方式

实施例1：结合图1-图4，一种分层跨域的网络管理控制系统，包括：中心控制节点和本地控制节点，中心控制节点管理多个本地控制节点，本地控制节点管理域内的交换节点；中心控制节点包括，拓扑学习模块、域间传输路径生成模块、负载均衡模块和网络状态数据库模块；本地控制节点包括，域信息上报模块、流表项的生成与下发模块、跨域转发规则请求上报模块、负载感知模块、交换节点迁移执行模块和主备切换模块。

一种分层跨域的网络管理控制系统，系统的管理模式如图1所示，底层的交换节点将被划分至多个管理域，每个管理域由一个控制节点来进行维护、管理以及转发规则的下发；每个交换节点只属于一个管理域，在某个管理域的负载过高时，交换节点可以由一个管理域迁移到另一个相邻的管理域。控制节点采用两层架构，一层控制节点称为本地控制节点，负责域内流表的生成与下发，二层控制节点称为中心控制节点，主要负责生成域间传输路径、管理域划分决策、主备切换协同等功能。交换节点在进行数据转发时，首先检查自身是否存在与该网络流相匹配的转发规则，如存在则按规则转发，不存在则向域内的本地控制节点发送转发规则请求消息，本地控制节点将根据网络流的目的地址来决定是由自身生成转发规则还是将该请求转发给中心控制节点。

一种分层跨域的网络管理控制系统，系统的组成框架如图2所示，其中，中心控制节点的主要功能模块包括：

拓扑学习模块：记录域间拓扑视图，包括每个域的出口节点；

域间传输路径生成模块：生成跨域流的域间传递路径，并向该路径所涉及的源\目的域以及途经域下发建立域内传递路径指令，该指令包括在源域中生成源端点到指定边界节点的路径、在途经域中生成指定的边界节点之间的路径、在目的域中生成边界节点到目的节点的路径。

负载均衡模块：依据特定算法和本地控制节点提交的负载状况来进行负载均衡，生成管理域调整决策，下发给相应本地控制节点的交换节点迁移模块。

网络状态数据库模块：记录各个域的连接拓扑、边界出口、地址网段等信息，以及各个本地控制节点的运行状态、负载情况、IP地址等信息。

本地控制节点的主要功能模块包括：

域信息上报模块：主要负责向中心控制节点汇报本域内所有主机的地址信息，以及域边界节点和链路的信息；

跨域转发规则请求上报模块：监听交换节点向本地控制节点发送的转发规则请求消息，如请求消息中的目的节点在域内，则直接生成域内的转发规则，由流表项生成与下发模块进行下发，若目的节点不在本域，则将该消息转发给中心控制器；

负载感知模块：将本地控制节点的负载情况通告给中心控制节点；

交换节点迁移执行模块：执行中心控制节点下发的交换节点迁移指令，将自己管理的某个交换节点转交给其他本地控制节点进行控制，并修改自身记录的域内拓扑；

主备切换模块：当本地控制节点不可用以后，备用控制节点将接管域内所有节点的控制权，并向中心控制节点进行通告。

跨域转发规则请求上报模块针对跨域流的转发规则生成方法包括以下步骤：结合图3对该方法流程进行介绍：

步骤101：交换节点如果发现某个网络流无法找到匹配的转发规则，则将该流的目的地址等信息封装为转发规则请求，并将其上报给本地控制节点；

步骤102：本地控制节点收到转发规则请求后对其进行解析

步骤103：如果目的地址在本域范围内，则执行步骤104；如果目的地址不在本域范围内，则执行步骤105；

步骤104：本地控制节点利用其维护的域内拓扑和最短路径算法计算出网络流在域内的传输路径，然后为该路径上的每个交换节点生成相应的转发规则并下发；

步骤105：将转发规则请求发送给中心控制节点；

步骤106：中心控制节点若收到转发规则请求，则首先定位目的地址属于哪个域，然后利用其维护的域间拓扑和最短路径算法计算出网络流在域间的传递路径，并将计算结果通告给该路径所涉及的本地控制节点；

步骤107、本地控制节点收到中心控制节点的通告以后，按照域间路径来指定网络流在本域内的源节点和目的节点，然后根据域内拓扑生成源节点到目的节点的最短路径，最后为该路径上的每个交换节点生成相应的转发规则并下发。

主备切换模块实现负载均衡和主备切换功能，结合图4对该功能的流程进行介绍：

步骤201：中心控制节点周期性地向各个本地控制节点查询负载状态；

步骤202：中心控制节点检查所有本地控制节点是否都返回了响应，若收到响应，则执行步骤203；若存在本地控制节点没有返回响应，则执行步骤207；

步骤203：对收到的响应进行解析，获取所有本地交换节点的负载状态，本地控制器负载的度量指标是单位时间内收到的转发规则请求的数量；

步骤204：判断是否存在负载不均衡现象，如果存在则执行步骤205；如果不存在则流程结束；

步骤205：运行负载均衡算法，将部分交换节点从负载较高的本地控制节点的管理域迁移到相邻且负载较低的管理域；

步骤206：将负载均衡算法的计算结果转化成迁移命令下发给各个相关的本地控制节点；

步骤207：向未返回负载状态的本地控制节点再次发送负载状态查询消息；

步骤208：检查本地控制节点是否在规定时间内返回负载状态信息，如果收到信息则执行步骤203；如果没有收到信息则执行步骤209；

步骤209：发送命令，将没有回应的本地控制节点的备用控制节点切换为主控制节点。

Claims (2)

1.一种分层跨域的网络管理控制系统，包括：中心控制节点和本地控制节点，其特征在于：中心控制节点管理多个本地控制节点，本地控制节点管理域内的交换节点；中心控制节点包括，拓扑学习模块、域间传输路径生成模块、负载均衡模块和网络状态数据库模块；本地控制节点包括，域信息上报模块、流表项的生成与下发模块、跨域转发规则请求上报模块、负载感知模块、交换节点迁移执行模块和主备切换模块；

拓扑学习模块：记录域间拓扑视图以及每个域的出口节点；

域间传输路径生成模块：生成跨域流的域间传递路径，并向该路径所涉及的源目的域以及途经域下发建立域内传递路径指令；

负载均衡模块：依据特定算法和本地控制节点提交的负载状况来进行负载均衡，生成管理域调整决策，下发给相应本地控制节点的交换节点迁移模块；

网络状态数据库模块：记录各个域的连接拓扑、边界出口、地址网段信息，以及各个本地控制节点的运行状态、负载情况、IP地址信息；

域信息上报模块：负责向中心控制节点汇报本域内所有主机的地址信息，以及域边界节点和链路的信息；

流表项的生成与下发模块：接收中心控制节点下发的跨域传输路径，根据该路径指定的下一跳信息，确定跨域流在域内的出口节点，并生成跨域流在本域内的转发策略，以流表项的形式下发给交换节点；

跨域转发规则请求上报模块：监听交换节点向本地控制节点发送的转发规则请求消息，如请求消息中的目的节点在域内，则直接生成域内的转发规则，由流表项生成与下发模块进行下发，若目的节点不在本域，则将该消息转发给中心控制器；

负载感知模块：将本地控制节点的负载情况通告给中心控制节点；

交换节点迁移执行模块：执行中心控制节点下发的交换节点迁移指令，将自己管理的某个交换节点转交给其他本地控制节点进行控制，并修改自身记录的域内拓扑；

主备切换模块：当本地控制节点不可用以后，备用控制节点将接管域内所有节点的控制权，并向中心控制节点进行通告；

所述跨域转发规则请求上报模块针对跨域流的转发规则生成方法包括以下步骤：

步骤101：交换节点如果发现某个网络流无法找到匹配的转发规则，则将该流的目的地址信息封装为转发规则请求，并将其上报给本地控制节点；

步骤102：本地控制节点收到转发规则请求后对其进行解析；

步骤103：如果目的地址在本域范围内，则执行步骤104；如果目的地址不在本域范围内，则执行步骤105；

步骤104：本地控制节点利用其维护的域内拓扑和最短路径算法计算出网络流在域内的传输路径，然后为该路径上的每个交换节点生成相应的转发规则并下发；

步骤105：将转发规则请求发送给中心控制节点；

步骤106：中心控制节点若收到转发规则请求，则首先定位目的地址属于哪个域，然后利用其维护的域间拓扑和最短路径算法计算出网络流在域间的传递路径，并将计算结果通告给该路径所涉及的本地控制节点；

步骤107、本地控制节点收到中心控制节点的通告以后，按照域间路径来指定网络流在本域内的源节点和目的节点，然后根据域内拓扑生成源节点到目的节点的最短路径，最后为该路径上的每个交换节点生成相应的转发规则并下发。

2.根据权利要求1所述的分层跨域的网络管理控制系统，其特征在于：所述主备切换模块实现负载均衡和主备切换功能包括以下步骤：

步骤201：中心控制节点周期性地向各个本地控制节点查询负载状态；

步骤202：中心控制节点检查所有本地控制节点是否都返回了响应，若收到响应，则执行步骤203；若存在本地控制节点没有返回响应，则执行步骤207；

步骤203：对收到的响应进行解析，获取所有本地交换节点的负载状态，本地控制器负载的度量指标是单位时间内收到的转发规则请求的数量；

步骤204：判断是否存在负载不均衡现象，如果存在则执行步骤205；如果不存在则流程结束；

步骤205：运行负载均衡算法，将部分交换节点从负载较高的本地控制节点的管理域迁移到相邻且负载较低的管理域；

步骤206：将负载均衡算法的计算结果转化成迁移命令下发给各个相关的本地控制节点；

步骤207：向未返回负载状态的本地控制节点再次发送负载状态查询消息；

步骤208：检查本地控制节点是否在规定时间内返回负载状态信息，如果收到信息则执行步骤203；如果没有收到信息则执行步骤209；

步骤209：发送命令，将没有回应的本地控制节点的备用控制节点切换为主控制节点。