CN105144652A - 软件定义的网络中的地址解析 - Google Patents

Abstract

提供了一种软件定义的网络中的地址解析的方法。在网络设备上接收地址解析协议（ARP）请求消息。将地址解析协议（ARP）请求消息从网络设备转发到OpenFlow控制器。做出OpenFlow控制器是否包括标识对应于来自地址解析协议（ARP）请求消息的接收设备的IP地址的媒体访问控制（MAC）地址的信息的确定。取决于OpenFlow控制器是否包括所述信息而生成响应。

Description

软件定义的网络中的地址解析

背景技术

网际协议（IP）地址是分配给将网际协议用于通信的计算机网络中的每一个设备的逻辑地址。为了在网络中定位设备，逻辑IP地址被转换成物理机器地址（也称为媒体访问控制或MAC地址）。该过程称为“地址解析”。网际协议版本4（IPv4）和网际协议版本6（IPv6）中的地址解析的功能分别通过地址解析协议（ARP）和邻居发现协议（NDP）处理。

附图说明

为了更好地理解解决方案，现在将纯粹通过示例的方式参照附图来描述实施例，在附图中：

图1是根据示例的基于软件定义的联网（SDN）架构的网络系统的示意性框图。

图2是根据示例的图1的OpenFlow（开放流）控制器系统的示意性框图。

图3示出根据示例的方法的流程图。

图4是根据示例的托管在计算机系统上的OpenFlow控制器系统的示意性框图。

具体实施方式

取决于网际协议（IP）版本，地址解析协议（ARP）或邻居发现协议（NDP）用于将IP网络地址映射到硬件地址。例如，在ARP的情况中，过程可以如下工作。当意在用于局域网（LAN）上的主机机器的传入分组到达网关时，网关要求ARP找到匹配IP地址的物理主机（或MAC地址）。ARP首先检查ARP高速缓存并且如果找到地址，将分组转发到正确的主机机器。如果在ARP高速缓存中没有找到针对IP地址的条目，ARP向LAN上的所有机器广播请求分组。当从将IP地址识别为其自己的机器接收到响应时，ARP向该机器发送分组。

随着云计算的出现，网络中的虚拟机的使用增加。例如，在数据中心环境中，大量虚拟机得以部署。网络环境中的虚拟机的这种增加的使用的结果是在网络节点之间可能发生大量分组交换以用于地址解析。这进而可以导致网络过载。

所提出的是一种基于软件定义的联网（SDN）架构（换言之，“软件定义的网络”）的计算机网络中的地址解析的解决方案。所提出的解决方案使用OpenFlow控制器以用于基于SDN的网络中的地址解析。

在软件定义的联网（SDN）架构中，控制平面实现在从网络装置分离的软件中并且数据平面实现在网络装置中。OpenFlow是用于SDN架构的主导协议。在OpenFlow网络中，网络设备上的数据转发通过由管理用于该网络的控制平面的OpenFlow控制器填入的流表条目来控制。在其接口上接收分组的网络设备查找其流表以检查需要在所接收的帧上采取的行动。默认地，启用OpenFlow的（OpenFlowenabled）网络设备创建默认的流表条目来向OpenFlow控制器发送不匹配表中的任何特定流条目的所有分组。以此方式，OpenFlow控制器变得了解在设备上传入的所有新的网络业务并且在接收方网络设备上编程对应于新的业务模式的流表条目以用于该流的后续分组转发。

图1是根据示例的基于软件定义的联网（SDN）架构的网络系统的示意性框图。

网络系统100包括源系统110、网络设备112、114、116、118、120、122、124、OpenFlow控制器126和主机计算机系统128、130、132。

OpenFlow控制器系统126通过网络（可以是有线的或无线的）连接到网络设备112、114、116、118、120、122、124、源系统110和主机计算机系统128、130、132。网络可以是诸如因特网之类的公共网络，或者诸如内联网之类的私有网络。图1中图示的网络设备112、114、116、118、120、122、124的数目是通过示例而非限制的方式。部署在网络系统100中的网络设备的数目在其它实现方式中可以变化。类似地，在其它实现方式中可以存在附加的源系统、OpenFlow控制器和主机计算机系统。

源系统110是可以作为网络系统100中的数据分组的源的计算系统（例如计算机服务器、台式计算机等）。例如，在实现方式中，源系统100可以主控多播内容。多播内容可以包括数据、图像、音频、视频、多媒体和其它类似内容。存在于源系统100上的多播内容可以通过网络设备112、114、116、118、120、122、124与主机计算机系统128、130、132共享。

网络设备112、114、116、118、120、122、124可以是但不限于，网络交换机、虚拟交换机或路由器（例如边缘路由器、订户边缘路由器、提供商间边界路由器或核心路由器）。在实现方式中，网络设备112、114、116、118、120、122、124是启用Open-Flow的设备。网络设备112、114、116、118、120、122、124从源系统向最终用户系统或设备传送源数据。

OpenFlow控制器系统126是经由OpenFlow协议控制OpenFlow逻辑交换机的软件（机器可执行指令）。关于OpenFlow控制器的更多信息可以例如从web链接http://www.openflow.org/documents/openflow-spec-v1.0.0.pdf和https://www.opennetworking.org/images/stories/downloads/of-config/of-config-1.1.pdf获得。OpenFlow是给出通过网络对网络交换机或路由器的转发平面的访问权的开放标准通信协议。其提供了开放协议以在网络设备（诸如路由器）中对流表进行编程从而控制在网络中路由数据分组的方式。通过OpenFlow，网络设备的数据和控制逻辑分离，并且控制逻辑被移动到外部控制器，诸如OpenFlow控制器系统126。OpenFlow控制器系统126维护所有网络规则并且向网络设备112、114、116、118、120、122、124分发适当的指令。其本质上使网络智能集中化，而同时网络通过启用OpenFlow的网络设备维护分布式转发平面。在图2中图示并且在以下描述OpenFlow控制器系统126的组件。

主机计算机系统128、130、132可以是台式计算机、笔记本计算机、平板计算机、计算机服务器、移动电话、个人数字助理（PDA）等。在示例中，主机计算机系统128、130、132可以包括用于从主控多播内容的源系统110接收多播数据的客户端或多播应用。

图2是根据示例的图1的OpenFlow控制器系统的示意性框图。

OpenFlow控制器系统126可以包括和/或支持标准OpenFlow控制器组件。在实现方式中，OpenFlow控制器系统126包括地址解析模块202。在示例中，地址解析模块202在网络设备上接收地址解析协议（ARP）请求消息，将地址解析协议（ARP）请求消息从网络设备转发到OpenFlow控制器，确定OpenFlow控制器是否包括标识对应于来自地址解析协议（ARP）请求消息的网络中的主机设备的IP地址的媒体访问控制（MAC）地址的信息，并且取决于OpenFlow控制器是否包括所述信息而生成响应。

图3示出软件定义的网络中的地址解析的方法的流程图。在实现方式中，软件定义的网络利用OpenFlow协议。涉及OpenFlow协议的细节可以从web链接https://www.opennetworking.org/standards/intro-to-openflow获得。在描述期间对图1做出参照以说明地址解析机制。如之前提到的，图1描绘了软件定义的网络，其在实现方式中可以是基于OpenFlow协议的。因此，换言之，所提出的解决方案可以实现在基于OpenFlow的网络中，参照图1其可以包括源系统110、网络设备112、114、116、118、120、122、124、OpenFlow控制器系统126和主机计算机系统128、130、132。

在块302处，在基于OpenFlow的网络（或SDN网络）的网络设备上接收地址解析协议（ARP）请求消息。可以从存在于基于OpenFlow的网络上的主机设备（或请求设备）接收请求消息。为了提供参照图1的说明，让我们假设主机计算机系统（或请求设备）128向网络设备116（例如交换机）发送针对主机计算机系统（或接收设备）134的ARP请求消息。除其它细节之外，ARP请求消息尤其包括请求设备128和接收设备134的IP地址。发送ARP请求消息背后的目的是获得网络上的设备的物理机器地址（媒体访问控制（MAC）地址）。在本说明中，主机计算机系统（或请求设备）128发送ARP请求消息以确定主机计算机系统（或接收设备）134的MAC地址。由于主机计算机系统（或请求设备）128连接到网络设备116，因此首先在网络设备116的接口处接收ARP消息。

在块304处，将由网络设备116接收到的地址解析协议（ARP）请求消息转发到OpenFlow控制器（例如图1的OpenFlow控制器系统126）。在基于OpenFlow的网络（诸如图1的网络100）中，通过网络设备上的流表条目控制网络设备（诸如网络设备116）上的数据平面转发并且流条目由管理用于该网络的数据平面的OpenFlow控制器推送。典型地，一旦网络设备在其接口上接收到数据分组，其查找流表以检查要在所接收到的帧上采取什么行动。在基于OpenFlow的网络的情况中，如果网络设备不能找到相关联的流条目，其向OpenFlow控制器发送数据分组。换言之，如果在网络设备上不存在将流条目匹配到目的地MAC地址的规则，将ARP请求消息被转发给OpenFlow控制器。参考参照1的本说明，网络设备将ARP消息转发给OpenFlow控制器系统126。

在块306处，做出OpenFlow控制器是否包括标识对应于来自地址解析协议（ARP）请求消息的接收设备（网络中的主机设备）的IP地址的媒体访问控制（MAC）地址的信息的确定。一旦OpenFlow控制器接收到ARP消息，其检查其记录（例如存在于诸如表之类的储存库中）以确定是否存在对应于存在于ARP消息中的接收设备的IP地址的相关联的MAC地址条目。在参照1的本说明的上下文中，网络设备116将会检查其储存库以确定对应于主机计算机系统134（接收设备）的IP地址的MAC地址是否存在于其记录中。

在块308处，由OpenFlow控制器取决于其是否包括标识对应于来自地址解析协议（ARP）请求消息的接收设备的IP地址的媒体访问控制（MAC）地址的信息而生成适当的响应。如果OpenFlow控制器标识出相关联的MAC地址，其创建ARP响应消息并且将其发送到请求主机计算机系统。ARP响应消息将会包含接收主机计算机系统的MAC地址。在图1的上下文中，在OpenFlow控制器系统126包括对应于接收设备134的IP地址的MAC地址的情况中，其创建包含所述MAC地址的ARP消息并且将其发送到请求设备128。

另一方面，如果OpenFlow控制器不具有标识对应于接收设备的IP地址的媒体访问控制（MAC）地址的信息，其可以向存在于网络上的所有设备广播请求消息，或者其可以取决于OpenFlow控制器的当前操作模式而丢弃请求数据分组。在广播请求消息的情况下，OpenFlow控制器等待将IP地址（在ARP请求消息中）识别为其自身的主机设备利用如此指示的消息进行响应。换句话说，一旦网络中的主机设备将IP地址识别为其自身的，其向OpenFlow控制器返回指示其识别的回复。在图1的上下文中，一旦主机计算机系统134将广播中的IP地址识别为自身的，其向OpenFlow控制器126发送包含其MAC地址的响应消息。当从主机设备124接收到这样的响应时，OpenFlow控制器将IP地址与主机设备134的MAC地址相关联。OpenFlow控制器还更新其储存库以供将来参考并且向回复的主机设备（接收设备134）的MAC地址发送分组。以类似的方式，OpenFlow控制器针对网络中的每一个主机设备构建所有逻辑IP地址到MAC地址关联性并且在其储存库中维护这些关联性。

将来，如果OpenFlow控制器从另一主机设备接收到针对其IP地址到MAC地址关联性已经以以上描述的方式被记录的主机设备的ARP请求消息，OpenFlow控制器检查这样的关联性并且如果其在其记录中找到关联性信息则将所述关联性信息提供给请求主机设备。例如在图1的情况中，一旦OpenFlow控制器系统126针对主机计算机系统134构建IP地址到MAC地址关联性信息，将来如果诸如主机计算机系统130之类的主机计算机发送针对主机计算机系统134的ARP请求，OpenFlow控制器可以在检查其记录之后提供该信息。

如果控制器操作在安全模式中，其将仅在MAC地址存在（对于请求消息中的给定IP地址）于储存库中的情况下返回MAC地址，否则其丢弃分组。安全模式操作可以通过具有静态推送的IP地址到MAC地址关联性或基于动态主机配置协议（DHCP）分组交换构建IP地址到MAC地址关联性来实现。在非安全模式中，OpenFlow控制器可以转发分组并且更新其储存库。

所提出的地址解析解决方案提供了避免来自ARP请求消息的网络洪泛的高效机制。该机制因此节约宝贵的网络带宽并且挽救网络上的过载。

图4是根据示例的托管在计算机系统上的OpenFlow控制器系统的示意性框图。

计算机系统402可以包括处理器404、存储器406、OpenFlow控制器系统126和通信接口408。OpenFlow控制器系统126包括地址解析模块202。计算系统402的组件可以通过系统总线410耦合在一起。

处理器404可以包括解释并执行指令的任何类型的处理器、微处理器或处理逻辑。

存储器406可以包括随机存取存储器（RAM）或另一类型的动态存储设备，其可以非暂时性地存储信息和指令以供处理器404执行。例如，存储器406可以是SDRAM（同步DRAM）、DDR（双数据速率SDRAM）、RambusDRAM（RDRAM）、RambusRAM等或存储存储器介质，诸如软盘、硬盘、CD-ROM、DVD、随身存储器（pendrive）等。存储器406可以包括当由处理器404执行时实现OpenFlow控制器系统126的指令。

通信接口408可以包括任何收发器式机制，其使得计算设备402能够经由通信链路与其它设备和/或系统通信。通信接口408可以是软件程序、硬件、固件或其任何组合。通信接口408可以使用各种通信技术以使得能够实现计算机系统402与另一计算机系统或设备之间的通信。为了提供几个非限制性示例，通信接口408可以是以太网卡、调制解调器、集成服务数字网络（“ISDN”）卡等。

OpenFlow控制器系统126可以以包括诸如程序代码之类的计算机可执行指令的计算机程序产品的形式实现，所述计算机可执行指令可以运行在结合诸如MicrosoftWindows、Linux或UNIX操作系统之类的合适操作系统的任何合适的计算环境上。本解决方案的范围内的实施例还可以包括包含用于承载或具有存储在其上的计算机可执行指令或数据结构的计算机可读介质的程序产品。这样的计算机可读介质可以是可以由通用或专用计算机访问的任何可用介质。通过示例的方式，这样的计算机可读介质可以包括RAM、ROM、EPROM、EEPROM、CD-ROM、磁盘储存器或其它存储设备，或者可以用于以计算机可执行指令的形式承载或存储期望的程序代码并且可以由通用或专用计算机访问的任何其它介质。

在实现方式中，可以将OpenFlow控制器系统126从诸如数据存储设备之类的另一计算机可读介质或者经由通信接口408从另一设备读取到存储器406中。

为了清楚起见，如本文档中所使用的术语“模块”可以意指包括软件组件、硬件组件或其组合。模块通过示例的方式可以包括诸如软件组件之类的组件、进程、任务、协同例程、功能、属性、过程、驱动器、固件、数据、数据库、数据结构、专用集成电路（ASIC）和其它计算设备。模块可以驻留在易失性或非易失性存储介质上并且被配置成与计算机系统的处理器交互。

将领会到，图4中描绘的系统组件仅仅是出于图示的目的，并且实际的组件可以取决于部署用于实现本解决方案的计算系统和架构而变化。以上描述的各种组件可以托管在单个计算系统或通过合适装置连接在一起的包括服务器的多个计算机系统上。

应当指出的是，本解决方案的以上描述的实施例仅仅是出于说明的目的。尽管已经结合其特定实施例描述了解决方案，但是在本质上不脱离于本文所描述的主题的教导和优点的情况下大量修改是可能的。可以在不脱离于本解决方案的精神的情况下做出其它置换、修改和改变。

Claims (15)

1.一种软件定义的网络中的地址解析的方法，包括：

在网络设备上接收地址解析协议（ARP）请求消息；

将地址解析协议（ARP）请求消息从网络设备转发到OpenFlow控制器；

确定OpenFlow控制器是否包括标识对应于来自地址解析协议（ARP）请求消息的网络中的主机设备的IP地址的媒体访问控制（MAC）地址的信息；以及

取决于OpenFlow控制器是否包括所述信息而生成响应。

2.根据权利要求1所述的方法，其中网络设备是启用OpenFlow的设备。

3.根据权利要求1所述的方法，其中响应包括在OpenFlow控制器包括所述信息的情况下向请求设备提供对应于主机设备的IP地址的媒体访问控制（MAC）地址。

4.根据权利要求1所述的方法，其中响应包括在OpenFlow控制器不包括标识主机设备的所述信息的情况下向存在于网络中的所有网络设备广播地址解析协议（ARP）请求消息。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括根据从主机设备接收到的响应消息确定对应于主机设备的IP地址的MAC地址。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括在OpenFlow控制器中创建对应于主机设备的IP地址的MAC地址的记录。

7.一种用于软件定义的网络中的地址解析的系统，包括：

接收地址解析协议（ARP）请求消息的网络设备；

计算机，包括：

从网络设备接收地址解析协议（ARP）请求消息的OpenFlow控制器，其中OpenFlow控制器包括地址解析模块以：

确定OpenFlow控制器是否包括标识对应于来自地址解析协议（ARP）请求消息的网络中的主机设备的IP地址的媒体访问控制（MAC）地址的信息；以及

取决于OpenFlow控制器是否包括所述信息而生成响应。

8.根据权利要求7所述的系统，其中网络设备是网关设备。

9.根据权利要求7所述的系统，其中网络设备是网络交换机或路由器。

10.根据权利要求7所述的系统，其中主机设备是计算机系统或虚拟机。

11.根据权利要求7所述的系统，其中OpenFlow控制器包括储存库以存储对应于网络中的主机设备的IP地址的媒体访问控制（MAC）地址。

12.一种用于软件定义的网络中的地址解析的计算机系统，包括：

从网络设备接收地址解析协议（ARP）请求消息的OpenFlow控制器，其中OpenFlow控制器包括地址解析模块以：

确定OpenFlow控制器是否包括标识对应于来自地址解析协议（ARP）请求消息的网络中的主机设备的IP地址的媒体访问控制（MAC）地址的信息；以及

取决于OpenFlow控制器是否包括所述信息而生成响应。

13.根据权利要求12所述的系统，其中地址解析请求消息源自计算机系统或虚拟机。

14.根据权利要求12所述的系统，其中响应包括在OpenFlow控制器包括所述信息的情况下向请求设备提供对应于主机设备的IP地址的媒体访问控制（MAC）地址或者在OpenFlow控制器不包括标识主机设备的所述信息的情况下向存在于网络中的所有网络设备广播地址解析协议（ARP）请求消息。

15.一种非暂时性处理器可读介质，非暂时性处理器可读介质包括机器可执行指令，机器可执行指令在由处理器执行时使处理器：

在网络设备上接收地址解析协议（ARP）请求消息；

将地址解析协议（ARP）请求消息从网络设备转发到OpenFlow控制器；

确定OpenFlow控制器是否包括标识对应于来自地址解析协议（ARP）请求消息的网络中的主机设备的IP地址的媒体访问控制（MAC）地址的信息；以及

取决于OpenFlow控制器是否包括所述信息而生成响应。