CN105391636A - 一种自治系统内sdn子网与ip子网的互连机制 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自治系统内SDN子网与IP子网的互连机制,将整个网络划分为三个基本区域:由传统网络设备构成的骨干区域Area?0和子网区域Area?1;由转换器、OpenFlow交换机及控制器构成的SDN子网区域;子网区域Area?1通过区域边界路由器、SDN区域通过转换器分别连接到Area?0;整个系统的运作流程包括SDN网络与IP网络各自内部转发规则的制定、IP网络连接信息向SDN网络的传递和SDN网络连接信息向IP网络的传递。本发明借助于OSPF协议实现了SDN网络与传统网络互连,具有易于部署和使用、可扩展性良好和自动化程度高等优点。

Description

一种自治系统内SDN子网与IP子网的互连机制
技术领域
本发明是一套在自治系统内使用的新型的SDN子网与IP子网互连机制,主要使用OSPF协议解决自治系统内SDN子网与IP子网的互连问题,属于计算机网络应用技术领域。
背景技术
软件定义网络(SDN)被认为是未来网络的发展趋势。目前最主流的SDN架构由ONF提出,分为基础设施层、控制层和应用层。这种体系结构具有以下三个特点:转发和控制的物理分离;集中控制;可编程的网络和标准化的开放接口。在引入SDN技术后,会带来很多好处:网络配置不再需要管理员逐一登录每台网络设备进行操作,而是通过应用层以软件的方式指挥控制器进行配置,网络功能的调整和升级也只需要通过软件的更新来实现;网络设备由封闭变为开放,成本和设备复杂度都得到降低;通过集中控制,SDN控制器能感知整个网络的状态,实现整个网络的全局优化;网络将具备更多的灵活性,网络技术的发展将更加具有创新性。
虽然SDN具有众多优点,但由于其体系结构与传统网络体系结构具有非常大的差异,目前SDN网络和传统网络并不能实现直接互连通信。对于SDN网络的推广,推翻现有网络从头构建一个纯SDN的网络是不现实的,推广过程中必然出现SDN网络和传统IP网络共存的现象。因此,SDN网络和传统IP网络的互连机制成为研究热点。目前针对SDN网络与传统IP网络互连问题的解决方案主要有两个:RouteFlow和控制器BGP组件。RouteFlow方案中,当SDN网络中的OpenFlow交换机收到传统网络发来的路由协议报文时,该报文被发送到控制器,最终报文被送到虚拟网络环境中由Quagga按照传统网络的方式进行处理,处理结果最后经由控制器转发给OpenFlow交换机,然后发送给传统网络。这样,通过把传统网络与SDN网络的交互转换为传统网络与RouteFlow中虚拟网络的交互,间接实现了传统网络与SDN网络的互连。虽然思路很简单,但由于RouteFlow中每台OpenFlow交换机都必须对应一台虚拟机,当交换机数目较多时构建虚拟机的开销将变得很大,这大大限制了RouteFlow的应用范围。控制器BGP组件方案通过给控制器添加一个BGP组件与传统网络的路由器进行交互,使得整个SDN自治系统对外来说就像一个单独的路由器一样。但这种方案一般用于规模较大的自治系统AS之间的互连,而AS内早期的SDN网络建设与实验规模都较小,并不需要采用该方案。
综上所述,现有解决方案并不能适用于所有应用场景,为此本发明针对自治系统内的SDN子网与IP子网互连问题提出了一种新机制。
参考文献
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发明内容
本发明的目的是提供一种自治系统内SDN子网与IP子网的互连机制,以解决现有的软件定义网络解决方案不能适用于所有应用场景的问题。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种自治系统内SDN子网与IP子网的互连机制,按照OSPF协议规范将整个网络划分为三个基本区域:由传统网络设备构成的骨干区域Area0和子网区域Area1;由转换器、OpenFlow交换机及控制器构成的SDN子网区域;所述子网区域Area1通过区域边界路由器、SDN区域通过转换器分别连接到Area0;其中转换器是IP子网和SDN子网通信的唯一中转站,包括OSPF协议守护进程、信息转换模块和转换器通信模块三部分;控制器包括控制器通信模块、可达网络提取模块、SDN拓扑发现模块、ARP代理模块、SDN网络操作界面、日志模块和流表项管理应用;整个系统的运作流程包括SDN网络与IP网络各自内部转发规则的制定、IP网络连接信息向SDN网络的传递和SDN网络连接信息向IP网络的传递。
所述的流表项管理应用计算转发路径时采用Dijkstra算法。
所述的SDN网络内部转发规则制定方法为:
(1a)控制器的SDN拓扑发现模块进行链路发现;
(1b)通过SDN网络操作界面添加SDN网络;
(1c)通过SDN网络操作界面设定各链路的代价值;
(1d)遍历所有SDN网络信息,对每一条SDN网络信息,找出其直连的交换机,然后使用Dijkstra算法计算其他交换机到该直连交换机的最短路径,得到要到达该直连交换机,其他交换机各自应从哪个端口发出;
(1e)下发流表项,使得目的地址是对应SDN网络的报文,从步骤(1d)中确定的端口发出。
所述的IP网络内部转发规则制定方法为:按照OSPF协议计算并安装路由项。
所述的IP网络连接信息向SDN网络的传递过程如下:
(2a)转换器的OSPF协议守护进程与传统网络的区域边界路由器按照OSPF协议进行交互,计算出从转换器到传统网络的转发路径,并添加到转换器的路由表中;
(2b)转换器的OSPF协议守护进程更新路由表时触发转换器信息转换模块执行IP网络连接信息提取操作;
(2c)将当前的IP网络连接信息与旧的IP网络连接信息做对比,找出IP网络的变化,即传统网络添加或删除;
(2d)转换器通信模块向控制器通信模块发送指令告知变化;
(2e)控制器通信模块解析转换器通信模块发来的指令,如果是要添加一个传统网络,则计算并下发流表项,使得目的地址为该传统网络的报文,先转发到边界OpenFlow交换机上,再经过转换器发送给传统网络的区域边界路由器,然后按照各路由器的路由表项转发到目的主机;如果是要删除一个传统网络,则向所有交换机下发删除该传统网络相关流表项的指令。
所述的SDN网络连接信息向IP网络的传递过程如下:
(3a)当边界OpenFlow交换机的流表项发生变化时,触发可达网络提取模块执行传统网络可达的SDN网络连接信息提取操作:获取边界OpenFlow交换机的流表项,并参照系统存储的SDN网络连接信息,找出有对应流表项的SDN网络,这些网络加上边界OpenFlow交换机直连的网络就构成了当前传统网络可达的SDN网络连接信息;
(3b)将当前可达SDN网络连接信息与旧的可达SDN网络连接信息做对比,找出可达SDN网络的变化,即SDN网络添加或删除;
(3c)控制器通信模块向转换器通信模块发送指令告知变化;
(3d)转换器通信模块解析控制器通信模块发来的指令,如果是要添加一个SDN网络,则将其添加到SDN网络信息库中;如果是要删除一个SDN网络,则将其从SDN网络信息库中删除;如果要求进行路由聚合计算,则遍历SDN网络信息库,首先将所有SDN网络信息转换为网络地址形式,然后对所有网络地址进行一次路由聚合计算;
(3e)将最新计算得到的路由聚合结果与旧的路由聚合结果做对比,如果两者不一致,且当前不是初始化阶段,则应删除转换器上与旧路由聚合结果相关的路由项,并由转换器OSPF协议守护进程向传统网络区域边界路由器通告撤销原路由聚合结果;如果是初始化阶段,则不需执行删除和撤销操作;再在转换器上添加与最新路由聚合结果相关的路由项,并由转换器OSPF协议守护进程向传统网络的区域边界路由器发送OSPF协议类型号为3的NetworkSummaryLSA,告知最新的路由聚合结果;
(3f)传统网络中的各路由器根据新收到的NetworkSummaryLSA感知到对端SDN网络的变化,更新路由表项,使得目的地址为SDN网络的报文,先通过传统网络区域边界路由器发送到转换器,然后由转换器按路由表项转发给边界OpenFlow交换机,再按照各OpenFlow交换机中的流表项转发到目的主机。
所述步骤(3a)中所述边界OpenFlow交换机的流表项发生变化的时机包括:
(1)利用SDN网络操作界面添加新SDN网络;
(2)OpenFlow交换机之间的链路添加或断开;
(3)连接SDN网络的OpenFlow交换机端口断开。
需要注意的是,SDN网络中可能出现链路或网络端口闪断闪连的现象,如果一发现断开就执行相关操作,可能在闪连之后又要重新调整,而这是不必要的。因此,本发明中链路或网络端口断开之后,并不马上执行相关操作,而是等待一定时间,再次检查发现确实断开后再执行相关操作。等待时间具体数值初始化时在配置文件中指定,系统还提供相应接口可以在运行中根据需要对该值进行修改。
SDN网络中的主机间进行通信前,源主机都会先发送ARP请求:如果是进行跨网段的三层通信,源主机发送ARP请求查询的是网关的MAC地址,而这个网关实际是不存在的,由控制器的ARP代理模块作为一个虚拟网关来进行应答;如果是进行同网段的三层通信,源主机发送ARP请求查询的是目的主机的MAC地址,本发明不采用传统网络中将查询进行广播的处理方式,而改为也由ARP代理模块用虚拟网关的MAC地址做应答。也就是说,报文在OpenFlow交换机之间转发过程中,目的MAC地址都是虚拟网关的MAC地址。ARP代理模块会在适当的时机发送ARP请求查询真正目的主机的MAC地址,并下发相关流表项在报文到达真正目的主机前进行MAC地址的修改。
控制器的日志模块则用于记录系统运行过程中产生的各种信息,方便用户了解系统的运行状态。记录的信息包括:流表项安装、删除;链路断开、连接;端口断开、连接;SDN网络添加、删除;传统网络添加、删除;传统网络可达的SDN网络改变;与转换器的通信记录等。
以下为本发明中的英文名词解释:
OSPF,OpenShortestPathFirst开放式最短路径优先
IP,InternetProtocol因特网协议
SDN,SoftwareDefinedNetworking软件定义网络
ARP,AddressResolutionProtocol地址解析协议
LSA,LinkStateAdvertisement链路状态公告
MAC,MediaAccessControl媒介访问控制
AS,AutonomousSystem自治系统
本发明的有益效果是:
本发明是一套在自治系统内使用,利用OSPF协议实现SDN子网与IP子网互连的方案。该方案给SDN区域边界添加一个转换器,一方面转换器利用OSPF协议从传统网络区域边界路由器获得传统网络信息,并将其传递给SDN网络控制器;另一方面,转换器从SDN控制器获得SDN网络信息,并将其通过OSPF协议传递给传统网络区域边界路由器。当传统网络或SDN网络发生变化时,对方网络能及时感知这种变化并做出转发规则的调整。此外,功能模块的划分使得该方案具有很好的可扩展性。相比于现有技术,有以下优点:
(1)易于部署和使用。本发明中SDN区域边界的转换器与传统网络的区域边界路由器间的路由信息传递依托于现有成熟的OSPF协议,不需要对传统网络做任何修改,对SDN网络的改动也仅限于添加一个转换器并进行简单配置,部署简单。SDN网络操作界面使得用户可以通过浏览器完成SDN网络的配置、查看流表项信息等,方便快捷。
(2)良好的可扩展性。本发明中转换器和控制器的设计都采取了模块化的方法,不同功能划分到不同模块实现,在将来需求发生变化,需要更新部分功能时,只需要替换相应模块即可。
(3)自动化程度高。当传统网络发生变化,转换器的OSPF协议守护进程更新路由表时,会自动触发转换器信息转换模块进行新的提取操作;SDN网络端口或链路断开时,系统能自动发现这些变化并做出处理,如删除相应信息、调整转发规则等。
附图说明
图1是系统总体架构图;
图2是转换器相关数据流图;
图3是控制器相关数据流图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明提出了一套利用OSPF协议实现自治系统内SDN子网与IP子网互连的方案,总体架构图如附图1所示。在自治系统内,按照OSPF协议规范,将整个网络划分为三个基本区域:由传统网络设备构成的骨干区域Area0和子网区域Area1;由转换器、OpenFlow交换机及控制器构成的SDN子网区域;Area1通过区域边界路由器、SDN区域通过转换器分别连接到Area0;其中转换器是IP子网和SDN子网通信的唯一中转站,包括OSPF协议守护进程、信息转换模块和转换器通信模块三部分;控制器包括控制器通信模块、可达网络提取模块、SDN拓扑发现模块、ARP代理模块、SDN网络操作界面、日志模块和流表项管理应用。
使用本发明的步骤为:
(1)启动转换器各模块;
(2)启动控制器上的SDN网络操作界面,执行添加SDN网络操作:指定新添加SDN网络连接的交换机、端口号,以及SDN网络地址、网关地址;
(3)启动控制器上的其他模块;
(4)通过SDN网络操作界面设定各链路的代价值;
(5)接下来系统将由转换器和控制器协同配合,自动完成各项操作,实现SDN网络与传统网络的互连。但有一种情况是需要人为干预的:系统运行过程中发生网络端口重连或者链路重连时,向用户发送通知,请求重新配置端口连接的网络或链路代价。
转换器工作时的相关数据流图如附图2所示。一方面,转换器从传统网络区域边界路由器处获得传统网络信息,并将其传递给SDN网络控制器,过程如附图2中实线所示:
(1)转换器OSPF协议守护进程与传统网络的区域边界路由器按照OSPF协议进行交互,计算出从转换器到传统网络的转发路径,并修改转换器的路由表;
(2)转换器OSPF协议守护进程更新路由表时向信息转换模块发送修改通知,触发转换器信息转换模块执行传统网络信息提取操作:将转换器连接区域边界路由器的端口命名为T2T(TranslatortoTradition)端口,则分析转换器路由表,提取出和T2T端口相关路由表项的目的网络和掩码两列信息,就可以得到当前的IP网络连接信息;
(3)将当前的IP网络连接信息与旧的IP网络连接信息对比,找出IP网络的变化:当前连接信息里有、旧连接信息里没有的即是新添加的网络,当前连接信息里没有、旧连接信息里有的即是删除的网络;
(4)转换器通信模块按以下指令格式向控制器通信模块发送指令告知变化:
指令码 网络信息 保留位
其中指令码表示要进行的操作,取值为0或1:0表示删除网络,1表示添加网络;网络信息即相应的传统网络,由网络IP和掩码构成,比如“172.16.0.0/255.255.0.0”;保留位是为以后的指令扩展预留的,本系统暂时不处理保留位,默认值为0。例如,“(1,172.16.0.0/255.255.0.0,0)”表示添加传统网络172.16.0.0/255.255.0.0。
另一方面,转换器从SDN控制器获得SDN网络信息,并将其传递给传统网络区域边界路由器,过程如附图2中虚线所示:
(1)控制器通信模块按以下指令格式向转换器通信模块发送指令告知SDN网络信息的变化:
指令码 网络信息 是否计算标记 保留位
其中指令码表示要进行的操作,取值为0、1或2:0表示删除网络,1表示添加网络,2表示强制进行聚合计算(此时后面三个元素均为0,即2,0,0,0);网络信息即相应的SDN网络,由网络IP和掩码构成;是否计算标记1表示立即进行聚合计算,0表示不进行聚合计算,如果要连续发送多条SDN网络信息,只在最后一条指令中将此标记置为1可以减少进行路由聚合计算的次数,提高效率;保留位是为以后的指令扩展预留的,本系统暂时不处理保留位,默认值为0。例如,“(1,192.168.4.0/27,1,0)”表示添加SDN网络192.168.4.0/27,并进行聚合计算。
(2)转换器通信模块解析转换器通信模块发来的指令,如果是要添加一个SDN网络,则将其添加到SDN网络信息库中;如果是要删除一个SDN网络,则将其从SDN网络信息库中删除。
(3)如果要求进行路由聚合计算,则信息转换模块会遍历SDN网络信息库,首先将所有SDN网络信息转换为网络地址形式(SDN网络信息库中的有些SDN网络信息是主机地址形式,如“192.168.3.2/24”,应先将其转换为网络地址形式,即“192.168.3.0/24”),然后对所有网络地址进行一次路由聚合计算。
(4)将最新计算得到的路由聚合结果与旧的路由聚合结果做对比,如果两者不一致,且当前不是初始化阶段,则应删除转换器上与旧路由聚合结果相关的路由项,并由转换器OSPF协议守护进程向传统网络区域边界路由器通告撤销原路由聚合结果;如果是初始化阶段,则不需执行删除和撤销操作。再在转换器上添加与最新路由聚合结果相关的路由项,并由转换器OSPF协议守护进程向传统网络的区域边界路由器发送OSPF协议类型号为3的NetworkSummaryLSA,告知最新的路由聚合结果。
控制器工作时的相关数据流图如附图3所示。不管是要生成传统网络相关的流表项还是SDN网络相关的流表项,控制器首先都要完成拓扑发现,获得SDN网络信息和链路信息:
(1)控制器拓扑发现模块获得链路信息;
(2)通过SDN网络操作界面添加SDN网络,并指定链路代价值;
(3)存储SDN网络信息和链路信息。
一方面,控制器从转换器获得传统网络信息,计算并下发与传统网络相关的流表项,过程如附图3中实线所示:控制器通信模块解析转换器通信模块发来的指令,如果是要添加一个传统网络,则流表项管理应用计算并下发流表项,使得目的地址为该传统网络的报文,先转发到边界OpenFlow交换机上,再经过转换器发送给传统网络的区域边界路由器,然后按照各路由器的路由表项转发到目的主机;如果是要删除一个传统网络,则流表项管理应用会向所有交换机下发删除该传统网络相关流表项的指令。
另一方面,如附图3中虚线所示,当边界OpenFlow交换机的流表项发生变化时,控制器的可达网络提取模块会查询边界OpenFlow交换机的流表项,并结合系统存储的SDN网络信息、旧可达SDN网络信息,分析出可达SDN网络的变化,由控制器通信模块发送给转换器。边界OpenFlow交换机的流表项发生变化的时机包括:
(1)利用SDN网络操作界面添加新SDN网络;
(2)OpenFlow交换机之间的链路添加或断开;
(3)连接SDN网络的OpenFlow交换机端口断开。
此外,需要注意的是,SDN网络中可能出现链路或网络端口闪断闪连的现象,如果一发现断开就执行相关操作,可能在闪连之后又要重新调整,而这是不必要的。因此,本发明中链路或网络端口断开之后,并不马上执行相关操作,而是等待一定时间,再次检查发现确实断开后再执行相关操作。等待时间具体数值初始化时在配置文件中指定,系统还提供相应接口可以在运行中根据需要对该值进行修改。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种自治系统内SDN子网与IP子网的互连机制,其特征在于:按照OSPF协议规范将整个网络划分为三个基本区域:由传统网络设备构成的骨干区域Area0和子网区域Area1;由转换器、OpenFlow交换机及控制器构成的SDN子网区域;所述子网区域Area1通过区域边界路由器、SDN区域通过转换器分别连接到Area0;其中转换器是IP子网和SDN子网通信的唯一中转站,包括OSPF协议守护进程、信息转换模块和转换器通信模块三部分;控制器包括控制器通信模块、可达网络提取模块、SDN拓扑发现模块、ARP代理模块、SDN网络操作界面、日志模块和流表项管理应用;整个系统的运作流程包括SDN网络与IP网络各自内部转发规则的制定、IP网络连接信息向SDN网络的传递和SDN网络连接信息向IP网络的传递;
其中,SDN网络内部转发规则制定方法为:
(1a)控制器的SDN拓扑发现模块进行链路发现;
(1b)通过SDN网络操作界面添加SDN网络;
(1c)通过SDN网络操作界面设定各链路的代价值;
(1d)遍历所有SDN网络信息,对每一条SDN网络信息,找出其直连的交换机,然后使用Dijkstra算法计算其他交换机到该直连交换机的最短路径,得到要到达该直连交换机,其他交换机各自应从哪个端口发出;
(1e)下发流表项,使得目的地址是对应SDN网络的报文,从步骤(1d)中确定的端口发出;
IP网络内部转发规则制定方法为:按照OSPF协议计算并安装路由项;
IP网络连接信息向SDN网络的传递过程如下:
(2a)转换器的OSPF协议守护进程与传统网络的区域边界路由器按照OSPF协议进行交互,计算出从转换器到传统网络的转发路径,并添加到转换器的路由表中;
(2b)转换器的OSPF协议守护进程更新路由表时触发转换器信息转换模块执行IP网络连接信息提取操作;
(2c)将当前的IP网络连接信息与旧的IP网络连接信息做对比,找出IP网络的变化,即传统网络添加或删除;
(2d)转换器通信模块向控制器通信模块发送指令告知变化;
(2e)控制器通信模块解析转换器通信模块发来的指令,如果是要添加一个传统网络,则计算并下发流表项,使得目的地址为该传统网络的报文,先转发到边界OpenFlow交换机上,再经过转换器发送给传统网络的区域边界路由器,然后按照各路由器的路由表项转发到目的主机;如果是要删除一个传统网络,则向所有交换机下发删除该传统网络相关流表项的指令;
所述的SDN网络连接信息向IP网络的传递过程如下:
(3a)当边界OpenFlow交换机的流表项发生变化时,触发可达网络提取模块执行传统网络可达的SDN网络连接信息提取操作:获取边界OpenFlow交换机的流表项,并参照系统存储的SDN网络连接信息,找出有对应流表项的SDN网络,这些网络加上边界OpenFlow交换机直连的网络就构成了当前传统网络可达的SDN网络连接信息;
(3b)将当前可达SDN网络连接信息与旧的可达SDN网络连接信息做对比,找出可达SDN网络的变化,即SDN网络添加或删除;
(3c)控制器通信模块向转换器通信模块发送指令告知变化;
(3d)转换器通信模块解析控制器通信模块发来的指令,如果是要添加一个SDN网络,则将其添加到SDN网络信息库中;如果是要删除一个SDN网络,则将其从SDN网络信息库中删除;如果要求进行路由聚合计算,则遍历SDN网络信息库,首先将所有SDN网络信息转换为网络地址形式,然后对所有网络地址进行一次路由聚合计算;
(3e)将最新计算得到的路由聚合结果与旧的路由聚合结果做对比,如果两者不一致,且当前不是初始化阶段,则应删除转换器上与旧路由聚合结果相关的路由项,并由转换器OSPF协议守护进程向传统网络区域边界路由器通告撤销原路由聚合结果;如果是初始化阶段,则不需执行删除和撤销操作;再在转换器上添加与最新路由聚合结果相关的路由项,并由转换器OSPF协议守护进程向传统网络的区域边界路由器发送OSPF协议类型号为3的NetworkSummaryLSA,告知最新的路由聚合结果;
(3f)传统网络中的各路由器根据新收到的NetworkSummaryLSA感知到对端SDN网络的变化,更新路由表项,使得目的地址为SDN网络的报文,先通过传统网络区域边界路由器发送到转换器,然后由转换器按路由表项转发给边界OpenFlow交换机,再按照各OpenFlow交换机中的流表项转发到目的主机。
2.根据权利要求1所述的自治系统内SDN子网与IP子网的互连机制,其特征在于:所述的流表项管理应用计算转发路径时采用Dijkstra算法。
3.根据权利要求1所述的自治系统内SDN子网与IP子网的互连机制,其特征在于:所述步骤(3a)中所述边界OpenFlow交换机的流表项发生变化的时机包括:
(1)利用SDN网络操作界面添加新SDN网络;
(2)OpenFlow交换机之间的链路添加或断开;
(3)连接SDN网络的OpenFlow交换机端口断开。
4.根据权利要求1所述的自治系统内SDN子网与IP子网的互连机制,其特征在于:该互联机制中,链路或网络端口断开之后,等待一定时间,再次检查发现确实断开后再执行相关操作;等待时间的具体数值初始化时在配置文件中指定,系统还提供相应接口,在运行中根据需要对该值进行修改。
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