CN105227378A - 综合管理WiFi网络和有线网络的软件定义系统以及方法 - Google Patents

Abstract

一种综合管理WiFi网络和有线网络的软件定义系统以及方法，首先在WiFi终端和有线终端上扩充太极代理模块，并制定用于SDN控制器与太极代理模块之间的太极控制协议；其次，SDN控制器感知流经有线网络和WiFi网络AP流量及其分布信息，并根据控制策略进行决策；第三，通过向OpenFlow交换机下发流表或者向太极代理模块下发决策信息来控制管理有线网络部分，通过向太极代理模块下发决策信息来控制管理无线网络部分。本发明具有易于实施支持增量部署，支持有线/无线网络的管理一体化以及与具体网络应用无关和应用前景宽等优点。

Description

综合管理WiFi网络和有线网络的软件定义系统以及方法

技术领域

本发明属于网络数据通信领域，具体地讲是提出一种软件定义综合管理WiFi网络和有线网络的系统与方法。

背景技术

目前，随着网络技术的发展，无线终端数量呈爆炸式增长，无线WiFi技术逐渐成为因特网占统治地位的最后一跳技术[1、CiscoT.Ciscovisualnetworkingindex:globalmobiledatatrafficforecastupdate,2012–2017.CiscoPublicInformation,2013]。各种WiFi移动终端的快速增长，引发了安全性、负载均衡和节能环保等方面的严重问题，对网络基础设施和网络管理提出了挑战。然而，现有网络体系结构对WiFi无线网络部分缺乏有效管控能力，当WiFi终端通过无线接入点(AccessPoint,AP)与互联网连接时，由于WiFi终端只能根据AP的无线信号强度来决定与某个AP关联，由此会出现有的AP因有大量WiFi终端关联而流量过载，而邻近另一些AP却极度轻载，网络资源得不到优化利用，网络管理因管理功能有限、管理区域只限于有线网络等原因而产生服务质量下降、安全等级不够或能源浪费等问题。究其主要原因是因WiFi无线网络是网络管理的盲区所致：一是AP功能有限，各厂商都以私有协议方式扩展AP功能；二是网络终端功能有限，它们无法得知网络信息，只能按预设简单算法工作。

软件定义网络(SoftwareDefinedNetworking,SDN)是近年来发展起来的一种新型网络体系结构，为强化网络管理、缩短网络创新周期和解决互联网存在难题提供了有效的方法[2、McKeownN,AndersonT,BalakrishnanH,etal.OpenFlow:enablinginnovationincampusnetworks.ACMSIGCOMMComputerCommunicationReview,2008,38(2):69-74]。然而，目前SDN技术研究和应用主要集中在数据中心网络等有线网络中，将SDN用于管理控制无线网络和有线网络设备本身的研究较少。在这些研究中，有些要求增加特殊控制器并修改AP的软件[3、SureshL,Schulz-ZanderJ,MerzR,etal.TowardsprogrammableenterpriseWLANSwithOdin.ProceedingsofthefirstworkshoponHottopicsinsoftwaredefinednetworks.ACM,2012:115-120]，有些要求建立新的网络体系结构并要求修改WiFi终端的协议栈[4、R.Murty,J.Padhye,A.Wolman,andM.Welsh.Dyson:anarchitectureforextensiblewirelessLANs.InProceedingsofthe2010USENIXconferenceonUSENIXannualtechnicalconference,2010；5、P.Zerfos,G.Zhong,J.Cheng,H.Luo,S.Lu,andJ.J.-R.Li.DIRAC:asoftware-basedwirelessroutersystem.InProceedingsofthe9thannualinternationalconferenceonMobilecomputingandnetworking,2003]。

发明内容

本发明针对目前WiFi网络是网络管理盲区的问题，提出一种综合管理WiFi网络和有线网络的软件定义方法及其系统。首先在WiFi终端和有线终端上扩充太极代理模块，并制定用于SDN控制器与太极代理模块之间的太极控制协议；其次，SDN控制器感知流经有线网络和WiFi网络AP流量及其分布信息，并根据控制策略进行决策；第三，通过向OpenFlow交换机下发流表或者向太极代理模块下发决策信息来控制管理有线网络部分，通过向太极代理下发决策信息来控制管理无线网络部分。本发明具有易于实施支持增量部署，支持有线/无线网络的管理一体化以及与具体网络应用无关和应用前景宽等优点。

本发明的技术方案是：

一种综合管理WiFi网络和有线网络的软件定义系统，它包括：

一台SDN控制器：它与本管理域内的OpenFlow交换机相连，通过运行软件定义的管理应用程序读取OpenFlow交换机流表项来获取本管理域的流量分布情况，和向OpenFlow交换机下发流表项来控制网络行为；

一台或多台OpenFlow交换机：它与SDN控制器相连，接受该控制器软件定义的逻辑控制；有线终端、有线太极终端、AP通过有线链路与之相连；它们在本管理域有线区域都采用OpenFlow规范转发分组；

多台AP设备：WiFi终端、WiFi太极终端通过无线WiFi链路与AP相连，各AP均与OpenFlow交换机的某个端口相连；

多台WiFi终端：提供WiFi接口的互联网终端；

多台WiFi太极终端：具有WiFi终端的功能且能通过太极协议与SDN控制器交换信息的终端；

多台有线终端：提供以太网接口的互联网终端；

多台有线太极终端：具有有线终端的功能且能通过太极协议与SDN控制器交换信息的终端。

综合管理WiFi网络和有线网络的软件定义系统遵从图1所示的网络体系结构。

本发明的WiFi太极终端包括太极控制代理模块，有线太极终端也包括太极控制代理模块，所述的太极控制代理模块与SDN控制器之间采用太极控制协议通信。

一种综合管理WiFi网络和有线网络的软件定义方法，

在无线网络部分，WiFi终端和WiFi太极终端通过无线采用IEEE802.11协议与AP通信，AP再通过有线链路与OpenFlow交换机进行通信；WiFi太极终端采用太极控制协议与SDN控制器进行通信；SDN控制器能够将相关网络信息传送给WiFi太极终端，供太极控制代理模块独立决策。

在有线网络部分，有线终端和有线太极终端与OpenFlow交换机相连，均采用IEEE802.3协议与OpenFlow交换机通信；有线太极终端采用太极控制协议与SDN控制器进行通信；SDN控制器能够将相关网络信息传送给有线太极终端，供太极控制代理模块独立决策或实施控制。

本发明包括以下步骤：

A、WiFi太极终端或有线太极终端与网络连接后，这两种终端上的太极控制代理模块利用太极控制协议向SDN控制器注册；

B、SDN控制器上运行的管理应用程序，利用太极控制协议向WiFi太极终端或有线太极终端上的太极控制代理发送控制报文；

C、太极控制协议报文格式至少包括以下字段：类型、参数、身份标识和序号等，其中类型字段用于标识请求方向及所请求的管理应用程序的功能，参数字段用于放置对应类型字段所使用的具体参数，身份标识字段用于标识某个特定的WiFi太极终端或有线太极终端的特征值，序号字段用于标识报文的次序；

所述的请求方向是指：是WiFi太极终端或有线太极终端向SDN控制器发送信息，还是SDN控制器向WiFi太极终端或有线太极终端发送信息；

所述的功能包括：注册，即WiFi太极终端或有线太极终端向SDN控制器注册；控制，即SDN控制器向WiFi太极终端或有线太极终端发送的命令，要求它们立即执行某种管理应用程序定义的功能；信息，即SDN控制器向WiFi太极终端或有线太极终端发送的流量分布或统计数据。

本发明的管理应用程序所执行的功能包括：推送网络状态，即SDN控制器告知WiFi太极终端或有线太极终端相关AP和OpenFlow网络上的流量情况，以供WiFi太极终端能够基于信号强度和流量负载等信息优化选择关联的AP，以供有线太极终端能够基于流量分布及负载大小等进行优化控制；AP切换，即SDN控制器要求WiFi太极终端立即将相关流切换到指定的AP上；安全接入：SDN控制器指令WiFi太极终端或有线太极终端从特定接入点或路径入网；绿色节能：SDN控制器发现某些AP或有线线路流量较小时，先启动AP切换功能，再指令太极代理切断相关AP或OpenFlow交换机的供电电源。

本发明的有益效果：

本发明无需改变WiFi网络体系结构、AP软硬件和WiFi终端。在无需改变WiFi终端软硬件结构情况下，就能方便扩展WiFi太极代理功能。WiFi太极终端或有线太极终端能够在现有网络架构下工作，并且现有WiFi终端和有线网络终端也能在图2所示架构下工作，易于增量部署。即使仅有部分WiFi终端为WiFi太极终端，也能达到优化网络全局资源的目的。

本发明将SDN管理能力延伸到无线网络部分，使有线/无线网络的管理一体化，解决了WiFi网络是网络管理盲区的问题。

本发明与具体网络应用无关，能够为解决有线/无线网络一体化管理的问题提供一种通用的解决方案，应用前景宽。

附图说明

图1是综合管理WiFi网络和有线网络的软件定义系统的体系结构图。

图2是WiFi太极终端或有线太极终端与SDN控制器交互过程示意图。

图3为综合管理WiFi网络和有线网络的软件定义系统的部署示意图。

图4是本发明的太极代理工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

一种综合管理WiFi网络和有线网络的软件定义系统，它包括：

一台或多台OpenFlow交换机：它与SDN控制器相连，接受该控制器软件定义的逻辑控制；有线终端、有线太极终端、AP通过有线链路与之相连；它们在本管理域有线区域都采用OpenFlow规范转发分组；

多台AP设备：WiFi终端、WiFi太极终端通过无线WiFi链路与AP相连，各AP均与OpenFlow交换机的某个端口相连；

多台WiFi终端：提供WiFi接口的互联网终端；

多台WiFi太极终端：具有WiFi终端的功能且能通过太极协议与SDN控制器交换信息的终端；

多台有线终端：提供以太网接口的互联网终端；

多台有线太极终端：具有有线终端的功能且能通过太极协议与SDN控制器交换信息的终端。

其中，无线AP通过OpenFlow交换机接入互联网，SDN控制器利用OpenFlow协议对OpenFlow交换机进行管理，利用WiFi太极协议对WiFi太极终端和有线太极终端进行管理。

SDN控制器是一个包括有线网络部分和无线网络部分的网络管理域的核心，主要完成三项功能。第一，负责收集网络流量及其分布信息并根据策略进行决策；第二，根据应用逻辑通过OpenFlow协议向OpenFlow交换机下发流表管理控制有限网络部分运行；第三，根据应用逻辑，通过太极控制协议向WiFi太极代理以管理控制无线网络部分；第四，根据应用逻辑，通过太极控制协议向有线太极代理下发控制和信息报文以管理控制有线网络部分。

实施例

本实施例给出了在如图4所示的网络环境中（如大中型会场、机场、火车站场合），利用本发明内容实现负载均衡的例子。该系统中包括1台SDN控制器、1台OpenFlow交换机、3台无线AP和许多台WiFi终端和多台WiFi太极终端，以及一个用于控制AP2电源的有线太极代理终端。如果采用目前WiFi体系结构，所有WiFi终端因离AP1较近（尽管它们也在AP2、AP3覆盖范围中），它们都通过AP1连接到网络中，进而导致AP1流量过载，而AP2和AP3却几乎闲置。当采用本发明的技术，SDN控制器通过获取全网的流量信息，将检测到这一负载不均衡问题。随后，SDN控制器可将AP上的负载信息通知WiFi太极终端，WiFi太极代理将自行选择流量较小的AP2或AP3入网，从而达到负载均衡的目的，改善用户体验。即使有部分WiFi终端未安装WiFi太极代理，也不影响上述结论。

另一个是实现绿色节能的例子。到了夜间，所有的AP都处于轻载状态。这时假定AP2上还有1个WiFi太极终端正在通信。此时，SDN控制器可以指令相关WiFi太极终带出先将应用流切换到AP1上，然后向有线太极代理终端发出关闭AP1电源的指令，已关闭AP2。到第二天上午上班时间，SDN控制器发现AP1上的WiFi终端数量超过某个阈值时，它会指令有线太极代理终端打开AP2电源，使其投入工作。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种综合管理WiFi网络和有线网络的软件定义系统，其特征在于，它包括：

一台SDN控制器：它与本管理域内的OpenFlow交换机相连，通过运行软件定义的管理应用程序读取OpenFlow交换机流表项来获取本管理域的流量分布情况，和向OpenFlow交换机下发流表项来控制网络行为；

一台或多台OpenFlow交换机：它与SDN控制器相连，接受该控制器软件定义的逻辑控制；有线终端、有线太极终端、AP通过有线链路与之相连；它们在本管理域有线区域都采用OpenFlow规范转发分组；

多台AP设备：WiFi终端、WiFi太极终端通过无线WiFi链路与AP相连，各AP均与OpenFlow交换机的某个端口相连；

多台WiFi终端：提供WiFi接口的互联网终端；

多台WiFi太极终端：具有WiFi终端的功能且能通过太极协议与SDN控制器交换信息的终端；

多台有线终端：提供以太网接口的互联网终端；

多台有线太极终端：具有有线终端的功能且能通过太极协议与SDN控制器交换信息的终端。

2.根据权利要求1所述的综合管理WiFi网络和有线网络的软件定义系统，其特征是所述的WiFi太极终端包括太极控制代理模块，有线太极终端也包括太极控制代理模块，所述的太极控制代理模块与SDN控制器之间采用太极控制协议通信。

3.一种综合管理WiFi网络和有线网络的软件定义方法，其特征在于，

在无线网络部分，WiFi终端和WiFi太极终端通过无线采用IEEE802.11协议与AP通信，AP再通过有线链路与OpenFlow交换机进行通信；WiFi太极终端采用太极控制协议与SDN控制器进行通信；SDN控制器能够将相关网络信息传送给WiFi太极终端，供太极控制代理模块独立决策；

在有线网络部分，有线终端和有线太极终端与OpenFlow交换机相连，均采用IEEE802.3协议与OpenFlow交换机通信；有线太极终端采用太极控制协议与SDN控制器进行通信；SDN控制器能够将相关网络信息传送给有线太极终端，供太极控制代理模块独立决策或实施控制。

4.根据权利要求3所述的综合管理WiFi网络和有线网络的软件定义方法，其特征是它包括以下步骤：

A、WiFi太极终端或有线太极终端与网络连接后，这两种终端上的太极控制代理模块利用太极控制协议向SDN控制器注册；

B、SDN控制器上运行的管理应用程序，利用太极控制协议向WiFi太极终端或有线太极终端上的太极控制代理发送控制报文；

C、太极控制协议报文格式至少包括以下字段：类型、参数、身份标识和序号等，其中类型字段用于标识请求方向及所请求的管理应用程序的功能，参数字段用于放置对应类型字段所使用的具体参数，身份标识字段用于标识某个特定的WiFi太极终端或有线太极终端的特征值，序号字段用于标识报文的次序；

所述的请求方向是指：是WiFi太极终端或有线太极终端向SDN控制器发送信息，还是SDN控制器向WiFi太极终端或有线太极终端发送信息；

所述的功能包括：注册，即WiFi太极终端或有线太极终端向SDN控制器注册；控制，即SDN控制器向WiFi太极终端或有线太极终端发送的命令，要求它们立即执行某种管理应用程序定义的功能；信息，即SDN控制器向WiFi太极终端或有线太极终端发送的流量分布或统计数据。

5.根据权利要求4所述的综合管理WiFi网络和有线网络的软件定义方法，其特征是管理应用程序所执行的功能包括：推送网络状态，即SDN控制器告知WiFi太极终端或有线太极终端相关AP和OpenFlow网络上的流量情况，以供WiFi太极终端能够基于信号强度和流量负载等信息优化选择关联的AP，以供有线太极终端能够基于流量分布及负载大小等进行优化控制；AP切换，即SDN控制器要求WiFi太极终端立即将相关流切换到指定的AP上；安全接入：SDN控制器指令WiFi太极终端或有线太极终端从特定接入点或路径入网；绿色节能：SDN控制器发现某些AP或有线线路流量较小时，先启动AP切换功能，再指令太极代理切断相关AP或OpenFlow交换机的供电电源。