CN105409167A - 通过软件定义网络在隧道中传输报文的方法、通过软件定义网络智能控制报文流的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于通过软件定义网络(SDN)在隧道中传输报文的方法、一种通过SDN网络智能控制报文流的方法，以及一种系统。所述通过SDN在隧道中传输报文的方法包括：从执行包括可编程指令的应用程序的处理器向SDN控制器发送所述可编程指令，其中所述可编程指令包括关于处理报文以便根据隧道协议通过隧道进行传输的原语操作；所述第一SDN控制器根据所述可编程指令配置流表；以及所述SDN交换机根据所述流表处理并分发所述报文。所述方法可以在没有使所述SDN交换机的实施方式复杂化的情况下使系统支持多种隧道技术，并且可以在不需要更新所述SDN交换机的情况下使所述系统支持新的隧道技术，从而降低所述SDN交换机的复杂度。

Description

通过软件定义网络在隧道中传输报文的方法、通过软件定义网络智能控制报文流的方法和系统

本发明要求2013年8月5日向美国专利商标局递交的发明名称为“基于软件定义网络的通用隧道(SOFTWAREDEFINEDNETWORKBASEDGENERICTUNNELING)”的第61862400号美国临时申请案的在先申请优先权，该在先申请的内容以引入的方式并入本文本中，如全文再现一般。

技术领域

本发明实施例涉及通信领域，尤其涉及一种通过软件定义网络在隧道中传输报文的方法、一种通过SDN网络智能控制报文流的方法，以及一种在SDN中使用的通过隧道进行传输的系统。

背景技术

传统的软件定义网络(SDN)技术，例如用于连接SDN控制器和SDN交换机的Openflow协议，只能向选择的隧道技术或协议，例如GRE、MPLS、VLAN，提供有限支持。传统技术通常不支持许多常用的隧道协议，例如IP-in-IP隧道、VXLAN、NVGRE等。此外，基于传统技术，SDN系统的实施方式通常被定制以支持特定隧道技术，例如完全基于本地逻辑根据报文做出决策。如果SDN系统的实施方式将用于支持更多的隧道技术，则转发计划往往会变得相当复杂并且通常涉及使用每个添加的隧道技术进行的更新。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种通过SDN在隧道中传输报文的通信方法、一种通过SDN网络智能控制报文流的计算机实现的方法，以及一种在SDN中使用的通过隧道进行传输的系统。

本发明实施例的技术方案包括以下内容：

一种通过SDN在隧道中传输报文的通信方法包括：

从执行包括可编程指令的应用程序的处理器向SDN控制器发送所述可编程指令，其中所述可编程指令包括关于处理报文以便根据隧道协议通过隧道进行传输的原语操作；

所述第一SDN控制器根据所述可编程指令配置流表；以及

所述SDN交换机根据所述流表处理并分发所述报文。

一种在SDN中使用的通过隧道进行传输的系统包括：

SDN控制器，用于接收包括根据隧道协议向报文添加隧道信息和从报文中移除隧道信息的操作的指令，所述指令从执行应用程序的处理器发送；以及根据所述指令配置与SDN交换机关联的流表；以及

SDN交换机，耦合至所述SDN控制器以及用于基于所述流表执行动作以根据所述隧道协议通过所述SDN网络分发所述报文。

一种通过SDN网络智能控制报文流的计算机实现的方法，所述方法包括配置关于处理报文以便根据隧道协议通过隧道进行传输的原语操作，

其中所述原语操作包括根据所述隧道协议向报文添加隧道信息和/或从报文中移除隧道信息，

所述原语操作由SDN控制器使用以配置流表，以及

所述流表由SDN交换机使用来执行所述原语操作以根据所述隧道协议分发和/或接收报文。

本发明实施例的优势在于本方法可以在没有使SDN交换机的实施方式复杂化的情况下使SDN系统支持多种隧道技术，并且可以在不需要更新SDN交换机的情况下使SDN系统支持传统技术还不支持的新隧道技术，该方法通过SDN在隧道中实现报文传输并降低SDN交换机的复杂性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，而且本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是根据本发明实施例的SDN网络的示意结构图；

图2是根据本发明实施例的实施方法的流程图；

图3是根据本发明实施例的可以用于PBB隧道协议的报文格式的示意图；

图4A是根据本发明实施例的可以用于DS-Lite隧道协议的报文格式的示意图；

图4B是根据本发明实施例的利用DS-Lite隧道方法的SDN网络的示意结构图；

图5是根据本发明实施例的VxLAN报头格式的示意图；

图6是根据本发明实施例的NVGRE报头格式的示意图；

图7是根据本发明实施例的MPLS报头格式的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

因此，提供一种方法在没有使SDN交换机的实施方式复杂化的情况下使SDN系统支持多种隧道技术是有利的。在不需要更新SDN交换机的情况下使SDN系统支持传统技术还不支持的新隧道技术也是有利的。

因此，本发明实施例利用包含指令的应用程序来使用原语操作配置SDN交换机流表以实现通过隧道进行传输。这些原语操作包括在隧道的入口点向报文添加隧道信息或封装报文，以及在隧道的出口点从报文中移除隧道信息或解封装报文。该隧道信息可包括各个常见报文格式规范所规定的报头信息。这些原语操作可包括压入和弹出报头信息以配置隧道报文。本发明实施例还可向元数据压入隧道信息。这些原语操作可实现为应用程序中的数据结构。SDN控制器，例如中央控制器，可以基于原语操作以及应用程序提供的其它指令在各个SDN交换机内配置流表。各个SDN交换机随后可基于该流表对该报文采取行动。因此，隧道技术的详情被放在应用程序中，而SDN交换机用于实现一组原语操作。该机制有利地提供了一种广义的、可扩展的方法来支持多种隧道技术，包括非标准隧道技术。

图1是根据本发明实施例的图示能够支持多种隧道技术的数据传输网络的示例性SDN网络的方框图。各种应用程序，例如包括用于通过隧道传输报文的指令，可以在网络中配置SDN交换机以随着协议的不同调整数据报文。隧道应用程序特定于各个隧道技术，例如IPv4-in-IPv6、IPv6-in-IPv4、Vxland等。此类程序可包含处理数据报文的隧道技术的详情，例如压入和弹出对应报头。然而，隧道技术可以对SDN交换机是透明的，该SDN交换机执行隧道应用程序定义的指令。因此，通用SDN交换机的优点是能够支持各种隧道技术。

正如本领域技术人员将会理解的那样，本发明不局限于任意特定类型的隧道技术。仅举数例，本发明可以支持MPLS、PBB、IP-in-IP(IPv4-in-IPv6、IPv6-in-IPv4)、GRE、VXLAN、NVGRE、GPRS、PPPoE、CAPWAP等。

表1

表1提供了根据本发明实施例的定义在报文上压入和弹出MAC报头的动作的示例性数据结构。可以在隧道入口点执行push_mac操作向报文添加报头，并且可以在隧道节点出口点执行pop_mac操作从报文中移除报头。参数，例如src_mac、dst_mac、ethertype，按照MAC协议规定进行定义。在某个实施例中，MAC报头被压入/弹出为报文最外面的报头，例如作为默认值。

表2

表2提供了根据本发明实施例的定义在报文上压入和弹出VLAN报头的操作的示例性数据结构。压入数据结构包括压入报头的报文位置、以太网类型、VLANID，以及优先级。弹出数据结构包括弹出报头的位置，例如最外面的报头或者MAC报头之后的报头。

表3

表3提供了根据本发明实施例的定义在报文上压入和弹出IP报头的操作的示例性数据结构。在该示例中，这些数据结构不包括IP报文格式规定的所有报头字段。正如本领域技术人员所理解的那样，在一些实施例中，额外报头字段的其它参数可以被添加至数据结构。在一些实施例中，SDN交换机可以能够为数据结构中未指定的报头字段填入默认值，同时执行动作。或者，那些未指定的报头字段的值可以从内层报头中包含的信息中获得。例如，如果应用程序被配置用于IPv4-in-IPv6隧道，则外部IPv6报文报头的一些报头字段可以从内部IPv4报文报头中获得，例如TTL。

表4

表4提供了根据本发明实施例的定义在报文上压入和弹出传输层(TCP/UDP)报头的操作的示例性数据结构。例如，位置指定在何处将TCP/UDP报头压入/弹出至报文。例如，位置＝1意味着在报文的开始压入/弹出TCP/UDP报头，或者位置＝0意味着若存在MAC报头或VLAN报头，在它们之后压入/弹出TCP/UDP报头。在该示例中，这些数据结构不包括TCP/UDP报文格式规定的所有报头字段。正如本领域技术人员所理解的那样，在一些实施例中，额外报头字段的其它参数可以被添加至数据结构。

根据本发明实施例，将添加至报文中的基本隧道信息还可以被添加至报文中作为元数据。该方法对于支持实验性的、非标准的，或未来的新隧道技术尤其有用。在一些实施例中，元数据的内容可以对SDN交换机是透明的。因此，通用SDN交换机可以用于支持多种隧道协议和新的隧道协议，这样可极大地简化SDN交换机的实施方式，并且规避SDN交换机更新或升级的需要以支持新的隧道技术。然而，正如本领域技术人员将会理解的那样，本发明不局限于任意特定类型的SDN交换机。SDN交换机仅仅对于所选的隧道协议而言是通用的。它可包括为所选隧道技术定制的本地逻辑，但是仍然能够根据API中包含的原语操作支持其它隧道技术。

表5

表5提供了根据本发明实施例的定义在报文上压入、弹出和修改元数据的操作的示例性数据结构。参数“掩码”可以用于指定将写入/读取哪些位。例如，如果总长度为64位并且将写入低16位，那么掩码值可以为0x000000000000FF。结构push_metadata包括位置、长度和元数据内容。在一些实施例中，位置参数可以从以下选择

位置定义：

0默认值(在mac、vlan、ip、tcp/udp之后)

1报文的起点

2在MAC之后

3在VLAN之后

4在IP之后

5在TCP/UDP之后

结构metadata_to_flow包括用于从元数据提取值并使用这些值进行流表匹配的参数。结构metadata_to_packet定义用于修改报文中的元数据部分的参数，例如修改GRE报文的参数。

表6

当处理封装在具有元数据的隧道报头内的报文时，报头中部分或所有元数据可以放入流结构的元数据字段中用于流表查找。表6是根据本发明实施例的包括元数据字段的示例性流结构。此类数据结构，或部分数据结构，可以用作流表查找的键值。该结构中的元数据字段可以具有固定或可变的长度。

当SDN交换机接收报文时，它从该报文中提取相关信息用于流表查找，例如MAC报头或IP报头中的信息。对于SDN交换机无法识别的字段，例如元数据字段，SDN交换机可能无法处理该字段和对应的隧道协议。因此，作为元数据的一部分的隧道信息可以被添加至流表查找以例如基于NVGRE中的TNI或VxLAN中的VNI进行处理，而无需将所有元数据添加至查找表。图2是图示从元数据中提取指定长度的数据进行流表查找的示例性方法的流程图。流查找表可以由包含隧道原语操作的对应应用程序提供。该查找表包括存储从报文元数据中提取的信息的元数据字段。

图3示出了根据本发明实施例的可以用于PBB隧道协议的示例性报文格式。PBB隧道报文包括MAC报头、VLAN报头、包含标志的PBB字段、24位的I-SID，以及净荷。例如，如果含有目的地地址为AA:BB:CC:DD:EE:FF的MAC报文将在隧道中封装，则PBB隧道应用程序可以向SDN交换机分发流表，如表7所示。

表7

如果SDN交换机接收包含PBB封装的报文，则它可以执行如表8所示的解封装过程。正如本领域技术人员所理解的那样，任意其它合适的流结构可以用于根据本发明实施类似的方法。

表8

包含IPv4-in-IPv6和IPv6-in-IPv4的IP-in-IP隧道在IPv6转换技术中广泛使用。例如，DS-Lite、MAP-E、LW4over6、4RD等利用IPv4-in-IPv6隧道；6RD利用IPv6-in-IPv4隧道。图4A示出了根据本发明实施例的可以用于DS-Lite(IPv4-in-IPv6)隧道协议的示例性报文格式。图4B示出了根据本发明实施例的利用DS-Lite隧道方法的示例性SDN网络。

表9

表9提供了根据本发明实施例的分别在DS-Lite隧道的上游方向和下游方向的示例性动作。

表10提供了根据本发明实施例的IP-in-IP隧道中使用的压入动作的示例性指令。在该实施例中，当压入IP报头时，默认该报头被插入在MAC报头之后；如果存在VLAN报头，则该报头被插入在VLAN报头之后。如果插入了IPv4报头，则MAC报头或VLAN报头中的以太网类型字段可以设置为0x800；如果插入了IPv6报头，则为0x86DD。

如果插入的IP报头之上的净荷为IPv4，则插入的IPv4报头的协议字段或IPv6的下一报头字段被设置为4。如果插入的IP报头之上的净荷为IPv6，则插入的IPv4报头的协议字段或IPv6的下一报头字段被设置为41。插入的IP报头的其它字段可以从净荷中的IP报头中获得，或者取默认值。如果插入的IP报头和原始IP报头属于不同的地址族，例如IPv4和IPv6，则可以使用映射过程，这可能导致某个字段的丢失。IPv6中的流标签可能不映射到IPv4报头。

表10

表11提供了根据本发明实施例的IP-in-IP隧道中使用的弹出动作的示例性指令。当移除IP报头后，底层MAC或VLAN报头中的以太网类型字段应当相应地更新。

表11

图5示出了根据本发明实施例的可以被处理的VxLAN报头格式。表12提供了使用元数据的VXLAN隧道报文的示例性隧道封装和解封装过程。

表12

图6示出了根据本发明实施例的可以被处理的NVGRE报头格式。图7示出了根据本发明实施例的可以被处理的MPLS报头格式。

在本发明实施例中，GRE的全称是通用路由封装，并且GRE是通用路由封装的缩写。MPLS的全称是多协议标记交换，并且GRE是多协议标记交换的缩写。IP的全称是互联网协议，并且IP是互联网协议的缩写。VXLAN的全称是虚拟扩展局域网，并且VXLAN是虚拟扩展局域网的缩写。NVGRE的全称是使用通用路由封装的网络虚拟化，并且NVGRE是使用通用路由封装的网络虚拟化的缩写。IPv4的全称是第四版互联网协议，并且IPv4是第四版互联网协议的缩写。IPv6的全称是第六版互联网协议，并且IPv6是第六版互联网协议的缩写。PBB的全称是运营商骨干网桥，并且PBB是运营商骨干网桥的缩写。

在本发明实施例中，GPRS的全称是通用分组无线业务，并且GPRS是通用分组无线业务的缩写。PPPoE的全称是点对点以太网承载协议，并且PPPoE是点对点以太网承载协议的缩写。CAPWAP的全称是无线接入点控制协议，并且CAPWAP是无线接入点控制协议的缩写。MAC的全称是介质访问控制，并且MAC是介质访问控制的缩写。VLAN的全称是虚拟局域网，并且VLAN是虚拟局域网的缩写。TTL的全称是生存时间，并且TTL是生存时间的缩写。TCP的全称是传输控制协议，并且TCP是传输控制协议的缩写。UDP的全称是用户数据报协议，并且UDP是用户数据报协议的缩写。

在本发明实施例中，API的全称是应用编程接口，并且API是应用编程接口的缩写。TNI的全称是租户网络标识，并且TNI是租户网络标识的缩写。VNI的全称是VXLAN网络标识，并且VNI是VXLAN网络标识的缩写。I-SID的全称是骨干业务实例标识，并且I-SID是骨干业务实例标识的缩写。DS-Lite的全称是轻量级双协议栈，并且DS-Lite是轻量级双协议栈的缩写。MAP-E的全称是使用封装的地址和端口映射，并且MAP-E是使用封装的地址和端口映射的缩写。LW4over6的全称是轻量级4over6，并且LW4over6是轻量级4over6的缩写。4RD的全称是IPv4剩余部署，并且4RD是IPv4剩余部署的缩写。6RD的全称是IPv6快速部署，并且6RD是IPv6快速部署的缩写。

本领域普通技术人员应该了解方法实施例的所有或部分方法步骤可以通过对相关硬件做出指示的计算机程序来实施。这些程序可能存储在计算机可读存储媒介中。当程序运行时，执行方法实施例的步骤。上述存储介质包括：可以存储程序代码的任意介质，例如ROM、RAM、磁盘或光盘。

上述描述仅是本发明的示例性具体实施例但并非旨在限制本发明的保护范围。本领域技术人员在本发明所公开的技术范围中很容易发现的任意变体或替代应落入本发明的保护范围内。

Claims (18)

1.一种通过软件定义网络(SDN)在隧道中传输报文的通信方法，其特征在于，所述方法包括：

执行包括可编程指令的应用程序的处理器向SDN控制器发送所述可编程指令，其中所述可编程指令包括关于处理报文以便根据隧道协议通过隧道进行传输的原语操作；

所述第一SDN控制器根据所述可编程指令配置流表；以及

所述SDN交换机根据所述流表处理并分发所述报文。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可编程指令对所述SDN交换机是透明的。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可编程指令包括在隧道入口点压入SDN交换机的报头操作，和/或在隧道出口点弹出SDN交换机的报头操作。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可编程指令包括在隧道入口点压入SDN交换机的元数据操作，和/或在隧道出口点弹出SDN交换机的元数据操作，其中所述元数据包括用于处理报文以便通过隧道进行传输的信息。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述隧道协议从包含以下项的组中选择：MPLS、PBB、IP-in-IP(IPv4-in-IPv6、IPv6-in-IPv4)、GRE、VXLAN、NVGRE、GPRS、PPPoE和CAPWAP。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可编程指令从执行应用程序的处理器发送，所述可编程指令被配置为所述应用程序中的数据结构。

7.一种在软件定义网络(SDN)中使用的通过隧道进行传输的系统，其特征在于，包括：

SDN控制器，用于接收包括根据隧道协议向报文添加隧道信息和从报文中移除隧道信息的操作的指令，所述指令从执行应用程序的处理器发送；以及根据所述指令配置与SDN交换机关联的流表；以及

SDN交换机，耦合至所述SDN控制器以及用于基于所述流表执行动作以根据所述隧道协议通过所述SDN网络分发所述报文。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述指令独立于所述SDN交换机。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述指令包括在隧道入口点压入SDN交换机的报头操作，和/或在隧道出口点弹出SDN交换机的报头操作。

10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述指令包括在隧道入口点压入SDN交换机的元数据操作，和/或在隧道出口点弹出SDN交换机的元数据操作，其中所述元数据包括用于处理报文以便通过隧道进行传输的信息。

11.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述隧道协议从包含以下项的组中选择：MPLS、PBB、IPv4-in-IPv6、IPv6-in-IPv4、GRE、VXLAN、NVGRE、GPRS、PPPoE和CAPWAP。

12.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述指令从执行应用程序的处理器发送，所述指令被配置为所述应用程序中的数据结构。

13.一种通过SDN网络智能控制报文流的计算机实现的方法，其特征在于，所述方法包括配置关于处理报文以便根据隧道协议通过隧道进行传输的原语操作，

其中所述原语操作包括根据所述隧道协议向报文添加隧道信息和/或从报文中移除隧道信息，

所述原语操作由SDN控制器使用以配置流表，以及

所述流表由SDN交换机使用来执行所述原语操作以根据所述隧道协议分发和/或接收报文。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述原语操作被配置为各个数据结构。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述SDN交换机对于隧道协议是通用的。

16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述原语操作包括在隧道入口点压入SDN交换机的报头操作，和/或在隧道出口点弹出SDN交换机的报头操作。

17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述指令包括在隧道入口点压入SDN交换机的元数据操作，和/或在隧道出口点弹出SDN交换机的元数据操作，其中所述元数据包括用于处理报文以便通过隧道进行传输的信息。

18.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述隧道协议从包含以下项的组中选择：MPLS、PBB、IP-in-IP(IPv4-in-IPv6、IPv6-in-IPv4)、GRE、VXLAN、NVGRE、GPRS、PPPoE和CAPWAP。