CN105049351B - 基于sdn的多链接透明互联算法 - Google Patents

基于sdn的多链接透明互联算法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于SDN的多链路透明互联方法，包括步骤S1、SDN控制器根据LLDP协议感知SDN TRILL的网络拓扑结构；步骤S2、SDN控制器接收SDN交换机上报的链路状态信息；步骤S3、SDN控制器采用最短路径树算法，计算等价路由；步骤S4、SDN控制器根据等价路由的计算结果，下发流表至SDN交换机。本发明的基于SDN的多链路透明互联方法基于SDN框架，每个SDN交换机都将自身的链路状态上报给SDN控制器，由SDN控制器进行统一的最短路径树的计算，然后下发到每个SDN交换机，从而实现全网同步，收敛速度加快。

Description

基于SDN的多链接透明互联算法
技术领域
本发明涉及网络通信的技术领域，特别是涉及一种基于SDN(Software DefinedNetwork，软件定义网络)的多链路透明互联方法。
背景技术
生成树协议(Spanning Tree Protocol，STP)可在网络中建立树形拓扑，消除网络中的环路，并且可以通过一定的方法实现路径冗余。然而，STP协议虽然可以使二层网络的管理更为简单，但是所有冗余的链路不进行数据转发，造成了带宽资源的浪费，而且STP计算的路径并非最优传输路径。
现有技术中，多链接透明互联协议(Transparent Interconnection of Lots ofLinksTRILL)为了摆脱传统二层“交换”的弊端，在二层环境中实现类似三层IP的“路由”行为。运行TRILL协议的桥(Bridge)称之为RBridge，即具有路由转发特性的网桥设备；由RBridge构建的TRILL网络称之为TRILL campus。Rbridge通过运行自己的链路状态协议(通过IS-IS扩展的)认知TRILL campus的拓扑，并使用最短路径树算法生成从该Rbridge到达TRILL campus里的各个Rbridge的路由转发表。其中，路由转发表也称之为TRILL路由表。
但是，TRILL协议的最短路径树算法是在每个转发节点上计算的，存在同步的时差问题和收敛慢的问题。
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基于SDN的多链路透明互联方法，基于SDN框架，每个SDN交换机都将自身的链路状态上报给SDN控制器，由SDN控制器进行统一的最短路径树的计算，然后下发到每个SDN交换机，从而实现全网同步，收敛速度加快。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于SDN的多链路透明互联方法，包括以下步骤：步骤S1、SDN控制器根据LLDP协议感知SDN TRILL的网络拓扑结构；步骤S2、SDN控制器接收SDN交换机上报的链路状态信息；步骤S3、SDN控制器采用最短路径树算法，计算等价路由；步骤S4、SDN控制器根据等价路由的计算结果，下发流表至SDN交换机。
根据上述的基于SDN的多链路透明互联方法，其中：所述步骤S1中，需要增加新的LLDP TLV字段，所述新的TLV字段为TRILL端口类型，包括Access端口、Network端口和Hybrid端口。
根据上述的基于SDN的多链路透明互联方法，其中：所述SDN交换机的角色包括入口交换机、传送交换机和出口交换机。
根据上述的基于SDN的多链路透明互联方法，其中：根据权利要求1所述的基于SDN的多链路透明互联方法，其特征在于：所述步骤S1包括以下步骤：
11)SDN控制器通过Packet out消息封装LLDP协议报文并发送给所有SDN交换机；
12)SDN交换机接收封装了LLDP报文的Packet out消息，解析后填充TRILL端口类型的TLV字段以重新组装LLDP报文，再将LLDP报文从对应的端口发送出去；
13)邻居SDN交换机接收到重新组装的LLDP报文，匹配SDN控制器预先下发的流表条目，将LLDP报文封装成Packet in消息上送给SDN控制器；
14)SDN控制器接收到邻居SDN交换机上送的封装了LLDP报文的Packet in消息，完成两两交换机之间的链路发现，进而获取整个SDN TRILL网络的网络拓扑结构。
根据上述的基于SDN的多链路透明互联方法，其中：所述步骤S2中，所述链路状态信息包含系统MAC地址、SDN交换机的标识符和SDN交换机的角色。
根据上述的基于SDN的多链路透明互联方法，其中：所述步骤S2中，所述SDN交换机通过私有扩展的Experimenter报文上报链路状态信息。
根据上述的基于SDN的多链路透明互联方法，其中：所述步骤S2中，对于普通帧，SDN交换机上报学习到MAC地址、学习到MAC地址的端口和学习到VLAN ID；对于TRILL帧，SDN交换机上报学习到MAC地址、学习到MAC地址的端口、学习到VLAN ID和入口交换机id。
进一步地，根据上述的基于SDN的多链路透明互联方法，其中：所述SDN交换机最多上报128个学习条目。
进一步地，根据上述的基于SDN的多链路透明互联方法，其中：所述SDN交换机学习到新的条目后立即上报至SDN控制器。
根据上述的基于SDN的多链路透明互联方法，其中：所述步骤S2中，所述SDN控制器根据所述SDN交换机上报的链路状态信息和LLDP报文，生成SDN TRILL的MAC表、SDN TRILL的ECMP表、ECMP Group表和出口表和MAC表。
如上所述，本发明的基于SDN的多链路透明互联方法，具有以下有益效果：
(1)基于SDN框架，每个SDN交换机将自身的链路状态上报给SDN控制器，由SDN控制器进行统一的最短路径树的计算，然后下发到每个SDN交换机；
(2)能够实现最短路径树计算的全网同步，使得收敛速度加快；
(3)能够实现两点间多条路径同时转发流量，防止广播风暴。
(4)能够保持原有二层网络配置的简洁性，实现类似IP网络的平滑扩展。
附图说明
图1显示为本发明的基于SDN的TRILL二层网络的结构示意图；
图2显示为本发明的基于SDN的多链接透明互联方法的流程图；
图3显示为本发明中SDN控制器根据LLDP协议感知SDN TRILL的网络拓扑结构的示意图；
图4显示为本发明中SDN交换机上报链路状态信息的流程图；
图5显示为本发明的SDN控制器的处理流程示意图；
图6显示为本发明的Ingress RBridge的TRILL单播报文的转发过程；
图7显示为本发明的Transit RBridge的TRILL单播报文的转发过程；
图8显示为本发明的Egress RBridge的TRILL单播报文的转发过程；
图9显示为本发明的基于SDN的多链接透明互联方法的模拟测试环境示意图。
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。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明的基于SDN的多链路透明互联方法设计一种基于SDN的TRILL二层网络，如图1所示，使其能够不阻塞任何端口，所有链路均处于活动状态。具体地，本发明的基于SDN的多链路透明互联方法为纯二层网络塑造了一个控制平面，将原来的IS-IS技术进行了技术改造和移植，将其设计思路和SDN的架构引入到了二层组网技术中来。由于IS-IS可以封装在链路层报文中以支持多种网络层协议，为二层数据帧的转发提供路由服务，所以在TRILL中RBridge通过扩展IS-IS协议(简称TRILLis-is协议)来实现Rbridge的发现和学习，构建TRILL的网络拓扑结构。
本发明的基于SDN的多链路透明互联方法基于SDN架构，所有的控制都集中在SDN控制器上集中处理。参照图2，本发明的基于SDN的多链路透明互联方法具体包括以下步骤：
步骤S1、SDN控制器根据LLDP协议感知SDN TRILL的网络拓扑结构。
首先，SDN控制器根据LLDP协议感知SDN TRILL的网络拓扑结构时，需要增加新的LLDP TLV字段，如表1所示。
表1、TLV字段的定义及描述
其中，SDN交换机的角色包括入口交换机(Ingress Rbridge)、传送交换机(Transit Rbridge)和出口交换机(Egress Rbridge)等几种。Access端口仅存在于IngressRBridge和Egress Rbridge；Nentwork端口和Hybrid端口没有特殊的限制。
SDN控制器通过Packet out消息封装LLDP协议报文并发送给所有SDN交换机，并在Packet out消息中要求网元把其中携带的LLDP报文从某个网元端口发送出去。LLDP报文中携带的Chassis ID为SDN控制器获取的Datapath ID中包含的MAC地址，LLDP报文中携带的Port ID为SDN控制器获取的端口信息中包含的端口号。SDN交换机接收封装了LLDP报文的Packet out消息，解析后SDN交换机会重新组装LLDP报文，即填充TRILL端口类型的TLV字段，并按照指令将LLDP报文从对应的端口发送出去。邻居SDN交换机接收到LLDP报文，匹配SDN控制器预先下发的流表条目，将LLDP报文封装成Packet in消息上送给SDN控制器。SDN控制器接收到邻居SDN交换机上送的封装了LLDP报文的Packet in消息，完成两两交换机之间的链路发现，进而获取整个SDN TRILL网络的网络拓扑结构。
如图3所示，步骤S1包括以下步骤：
11)SDN控制器通过Packet out消息封装LLDP协议报文并发送给所有SDN交换机。
12)SDN交换机接收封装了LLDP报文的Packet out消息，解析后填充TRILL端口类型的TLV字段以重新组装LLDP报文，再将LLDP报文从对应的端口发送出去。
13)邻居SDN交换机接收到重新组装的LLDP报文，匹配SDN控制器预先下发的流表条目，将LLDP报文封装成Packet in消息上送给SDN控制器。
14)SDN控制器接收到邻居SDN交换机上送的封装了LLDP报文的Packet in消息，完成两两交换机之间的链路发现，进而获取整个SDN TRILL网络的网络拓扑结构。
SDN控制器接收到邻居交换机上送的封装了LLDP报文的Packet in消息后，解析LLDP报文中携带的Chassis ID、Port ID和TRILL端口类型的TLV字段，确定发送该LLDP报文的SDN交换机、端口和端口类型；解析Packet in消息中携带的入端口，确定收到该LLDP报文的SDN交换机及端口。
步骤S2、SDN控制器接收SDN交换机上报的链路状态信息。
其中，SDN交换机上报自身的链路状态信息时，需要对Experimenter报文进行私有扩展。SDN交换机通过私有扩展的Experimenter报文上报链路状态信息。具体地，链路状态信息包含系统MAC地址、SDN交换机的标识符(Bridge id)和SDN交换机的角色。
需要说明的是，SDN交换机的标识符必须满足全网唯一的要求。
链路状态信息还包括：对于普通帧，SDN交换机需要上报学习到MAC地址、学习到MAC地址的端口和学习到VLAN ID(最多上报128个学习条目)；对于TRILL帧，需要上报学习到MAC地址、学习到MAC地址的端口、学习到VLAN ID和Ingress Bridge id(最多上报128个学习条目)。
如图4所示，步骤S2包括以下步骤：
21)SDN交换机和SDN控制器建立连接，上报链路状态信息至SDN控制器。
22)SDN交换机学习到新的条目后立即上报至SDN控制器。
具体地，需要对SDN流表进行扩充，支持表2中的匹配条件和动作。
表2、扩充后的SDN流表的匹配条件和动作
匹配条件 动作 描述
目的MAC地址和VLAN ID 查询SDN TRILL的MAC表 获得Egress Bridge id
Egress Bridge id 查询SDN TRILL的ECMP表 ECMP Group
ECMP Group和当前Bridge id 查询ECMP Group表 下一跳Bridge id
下一跳Bridge id 查询SDN TRILL的出口表 出端口，下一跳MAC地址
目的MAC地址和VLAN ID 查询MAC表 获得出端口
SDN控制器根据SDN交换机上报的链路状态信息和LLDP报文，生成SDN TRILL的MAC表、SDN TRILL的ECMP表、ECMP Group表和出口表和MAC表。如图5所示，具体包括以下步骤：
91)SDN控制器根据SDN交换机上报的学习信息，生成SDN TRILL的MAC表。
92)SDN控制器根据SDN交换机上报的学习信息和LLDP报文生成SDN TRILL的ECMP表。
93)SDN控制器根据SDN交换机上报的学习信息和LLDP报文生成ECMP Group表。
94)SDN控制器根据SDN交换机上报的学习信息生成SDN TRILL的出口表。
95)SDN控制器根据SDN交换机上报的学习信息生成MAC表。
Ingress RBridge的TRILL单播报文的转发过程如图6所示。RB1从LAN网接收报文，根据目的MAC地址和VLAN ID匹配一级流表，如果匹配执行动作(查询SDN TRILL的MAC表)，获得Egress Bridge id(RB3)；然后再根据Egress Bridge id(RB3)匹配二级流表；如果匹配执行动作(查询SDN TRILL的ECMP表)，获得ECMP Group，再根据ECMP Group和当前Bridgeid匹配三级流表；如果匹配执行动作(查询ECMP Group表)，获得下一跳的Bridge id，再根据下一跳的Bridge id匹配四级流表；如果匹配执行动作(查询SDN TRILL的出口表)，获得出端口和下一跳MAC地址，最后封装报文到SDN TRILL隧道，并且学习源MAC地址、VLAN和接收端口，并立即上报给SDN控制器。
Transit RBridge的TRILL单播报文的转发过程如图7所示。RB2从RB1接收TRILL报文，根据TRILL头的Egress RBridge(RB3)匹配一级流表，如果匹配执行动作(查询SDNTRILL的ECMP表)，获得ECMP Group，再根据ECMP Group和当前Bridge id匹配二级流表；如果匹配执行动作(查询ECMP Group表)，获得下一跳的Bridge id，再根据下一跳的Bridgeid匹配三级流表；如果匹配执行动作(查询SDN TRILL的出口表)，获得出端口和下一跳MAC地址，最后替换外层L2头(用下一跳MAC地址替换目的MAC地址，用RB2的MAC地址替换源MAC地址)，在Transit RBridge无需任何学习动作。
Egress RBridge的TRILL单播报文的转发过程如图8所示。RB3从RB2接收TRILL报文，TRILL头的Egress RBridge(RB3)必须等于本bridge id；剥离TRILL头，终止TRILL隧道；根据C-DA和VLAN查询MAC表，获得出端口；最后学习C-SA，VLAN和TRILL头的IngressRBridge(RB1)，并上报给SDN控制器。
步骤S3、SDN控制器采用最短路径树算法，计算等价路由。
步骤S4、SDN控制器根据等价路由的计算结果，下发流表至SDN交换机。
本发明的基于SDN的多链接透明互联方法的模拟测试环境如图9所示。在该测试环境中，依次执行如下步骤：
1.按照图示方式组网；
2.从Host A到Host B有两种流量：一种是FTP流量，另外一种是TFTP流量。
3.控制器为FTP流量配置路径S5-S4-S3，为TFTP流量配置路径S5-S2-S3。
4.FTP流量会沿着S5-S4-S3转发，TFTP流量会沿着S5-S2-S3转发。
综上所述，本发明的基于SDN的多链路透明互联方法基于SDN框架，每个SDN交换机都将自身的链路状态上报给SDN控制器，由SDN控制器进行统一的最短路径树的计算，然后下发到每个SDN交换机，从而实现全网同步，收敛速度加快。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
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 (5)

1.一种基于SDN的多链路透明互联方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1、SDN控制器根据LLDP协议感知SDN TRILL的网络拓扑结构；
步骤S2、SDN控制器接收SDN交换机上报的链路状态信息；
所述SDN交换机学习到新的条目后立即上报至SDN控制器；
步骤S3、SDN控制器采用最短路径树算法，计算等价路由；
步骤S4、SDN控制器根据等价路由的计算结果，下发流表至SDN交换机；
所述步骤S1包括以下步骤：
11)SDN控制器通过Packetout消息封装LLDP协议报文并发送给所有SDN交换机；
12)SDN交换机接收封装了LLDP报文的Packetout消息，解析后填充TRILL端口类型的TLV字段以重新组装LLDP报文，再将LLDP报文从对应的端口发送出去；
13)邻居SDN交换机接收到重新组装的LLDP报文，匹配SDN控制器预先下发的流表条目，将LLDP报文封装成Packetin消息上送给SDN控制器；
14)SDN控制器接收到邻居SDN交换机上送的封装了LLDP报文的Packetin消息，完成两两交换机之间的链路发现，进而获取整个SDN TRILL网络的网络拓扑结构；
所述步骤S2中，所述SDN交换机通过私有扩展的Experimenter报文上报链路状态信息；所述链路状态信息包含系统MAC地址、SDN交换机的标识符和SDN交换机的角色；所述SDN交换机的角色包括入口交换机、传送交换机和出口交换机。
2.根据权利要求1所述的基于SDN的多链路透明互联方法，其特征在于：所述步骤S1中，需要增加新的LLDP TLV字段，所述新的TLV字段为TRILL端口类型，包括Access端口、Network端口和Hybrid端口。
3.根据权利要求1所述的基于SDN的多链路透明互联方法，其特征在于：所述步骤S2中，对于普通帧，SDN交换机上报学习到MAC地址、学习到MAC地址的端口和学习到VLAN ID；对于TRILL帧，SDN交换机上报学习到MAC地址、学习到MAC地址的端口、学习到VLAN ID入口交换机id。
4.根据权利要求3所述的基于SDN的多链路透明互联方法，其特征在于：所述SDN交换机最多上报128个学习条目。
5.根据权利要求1所述的基于SDN的多链路透明互联方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述SDN控制器根据所述SDN交换机上报的链路状态信息和LLDP报文，生成SDN TRILL的MAC表、SDN TRILL的ECMP表、ECMP Group表和出口表和MAC表。
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