CN105471633A - 一种应用于sdn的图形化编程方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于软件定义网络技术领域，提供了一种应用于SDN的图形化编程方法，包括：根据收入封包消息获取网络的拓扑信息；结合所述拓扑信息和交换机特性参数生成网络逻辑结构；根据交换机信息与网络拓扑信息生成网络逻辑视图。本发明所实现的有益效果为：降低了SDN网络控制的难度，使之成为一个可编程的网络。

Description

一种应用于SDN的图形化编程方法

技术领域

本发明属于软件定义网络技术领域，尤其涉及一种应用于SDN的图形化编程方法。

背景技术

本发明的目的在于降低现有SDN体系中网络建设的难度，降低网络从业的门槛，使软件定义网络真正成为一个可编程的网络。

SDN控制器下发流表理论上应该使用控制器中具体应用运算出相应的转发规则，并调用宿主控制器的应用接口下发。但当前的情况在于，SDN尚未有一个统一并且规范的北向接口，且自动运算的算法问题等依然是一个有待商榷的问题，因此预计在很长一段时间内，手动编辑SDN网络的转发流程将是一个主流。

而在目前基于Openflow的SDN网络中，流表和组表、计量表等其它功能相结合后逻辑十分复杂，导致编辑网络繁琐且易出错，因此需要相当量的时间来设计、实施和测试网络。此外，各控制器厂商UI设计的不同，可能导致网络配置可读性差，且配置不可移植。即使在网络具备一定程度的自动运算能力后，因安全性、兼容性等因素，在某些场景下，网络很大程度上依然依赖于全局的手动控制。因此SDN对网络管理人员要求较高，从而提升了网络运行和维护的成本。

因此，现有技术需要一种简单高效且通用性强的方法来使得网络管理人员能够直观的修改和配置当前网络，引入一种图形化的网络编程语言使得整个SDN网络成为一个真正可编程的网络，挖掘出SDN设计的最大价值。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种应用于SDN的图形化编程方法，以解决现有技术的问题。

本发明实施例是这样实现的，一方面本发明实施例提供了一种应用于SDN的图形化编程方法，所述方法包括以下步骤：

根据收入封包消息获取网络的拓扑信息；

结合所述拓扑信息和交换机特性参数生成网络逻辑结构；

根据交换机信息与网络拓扑信息生成网络逻辑视图。

优选的，所述网络逻辑视图包括：

一个或者多个图形控制组件，其中，每个组件对应一族实现其功能的程序代码；

其中，所述控制组件根据交换机特性分类，交换机的相关功能封装为由一个或者多个图形控制组件封装而成的形式呈现。

优选的，所述方法还包括：

编程所述图形控制组件所对应的程序代码；

编译所述网络逻辑视图所包含的各图形控制组件所构成的程序，得到可执行对象。

优选的，所述根据收入封包消息获取网络的拓扑信息，具体包括：

获取交换机的packet-in消息，从所述packet-in消息中解析出网络的拓扑结构。

优选的，所述图形控制组件包括：flow控件、meter控件、group控件、action类控件、band类控件、bucket控件、port控件、flowtable控件、metertable控件、grouptable控件、packet统计控件、byte统计控件、逻辑与控件、逻辑或控件和逻辑非控件，所述各控件根据Openflow协议标准生成。

另一方面，本发明实施例还提供了一种应用于SDN的图形化编程系统，所述系统包括：可视化编辑界面、可编译后台、资源库：

所述可视化编辑界面，用于呈现一个或者多个图形控制组件，其中，所述控制组件根据交换机特性分类，每个组件对应一族实现其功能的程序代码；

所述资源库，用于存储交换机的相关功能与所述图形控制组件的映射关系，用于根据所述交换机的相关功能参数生成网络逻辑结构；还用于存储所述一个或者多个图形控制组件和对应程序代码；

可编译后台，用于编译网络逻辑结构所包含的程序代码。

优选的，所述图形控制组件包括flow控件、meter控件、group控件、action类控件、band类控件、bucket控件、port控件、flowtable控件、metertable控件、grouptable控件、packet统计控件、byte统计控件、逻辑与控件、逻辑或控件和逻辑非控件，所述各控件根据Openflow协议标准生成。

优选的，所述可视化编辑界面包括两级编辑：

第一级编辑为表的编辑，具体的展示表与表、表与端口之间的关联；

第二级编辑为转发流程的编辑，具体为表与表之间关联关系编辑。

本发明实施例提供的一种应用于SDN的图形化编程方法的有益效果包括：本发明所实现的有益效果为：降低了SDN网络控制的难度，使之成为一个可编程的网络。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种应用于SDN的图形化编程方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的SDN图形化编程系统的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的图形化编程界面示意图；

图4为本发明实施例提供的flow组件的设计图；

图5为本发明实施例提供的group组件的设计图；

图6为本发明实施例提供的meter组件的设计图；

图7a-图7f为本发明实施例提供的action组件的设计图；

图8为本发明实施例提供的bucket组件的设计图；

图9a-图9b为本发明实施例提供的band组件的设计图；

图10为本发明实施例提供的flowtable组件的设计图；

图11为本发明实施例提供的grouptable组件的设计图；

图12为本发明实施例提供的metertable组件的设计图；

图13为本发明实施例提供的packet组件的设计图；

图14为本发明实施例提供的byte组件的设计图；

图15为本发明实施例提供的典型L2转发的程序图；

图16为本发明实施例提供的典型L3转发的程序图；

图17本发明实施例提供的典型L4转发的程序图；

图18a-图18b本发明实施例提供的典型多级流水线的程序图；

图19本发明实施例提供的典型组播的程序图；

图20本发明实施例提供的典型路由聚合的程序图；

图21本发明实施例提供的典型多径的程序图；

图22本发明实施例提供的典型流量工程的程序图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

实施例一

如图1所示为本发明实施例提供的一种应用于SDN的图形化编程方法的流程示意图，所述方法包括以下步骤：

在步骤201中，根据收入封包消息获取网络的拓扑信息。

在步骤202中，结合所述拓扑信息和交换机特性参数生成网络逻辑结构。

其中，交换机特性参数通过Openflow协议的feature_desc、port_desc、table_feature消息获取，具体包括表项容量、接口数、交换机各类描述信息。

在步骤203中，根据交换机信息与网络拓扑信息生成网络逻辑视图。

本发明所实现的有益效果为：降低了SDN网络控制的难度，使之成为一个可编程的网络。

结合本发明实施例所提出的方法，所述网络逻辑视图在一种具体实现方式中是由一个或者多个图形控制组件构成，并且，所述一个或者多个图形控制组件之间具有特定的关联关系。

其中，每个组件对应一族实现其功能的程序代码；所述控制组件根据交换机特性分类；并且，交换机的相关功能封装为由一个或者多个图形控制组件封装而成的形式呈现。

结合本发明实施例所述的方法，除了上述步骤201-步骤203以外，作为本实施例一的延续实现功能，还可以包括以下执行步骤：

在步骤204中，编程所述图形控制组件所对应的程序代码。

在步骤205中，编译所述网络逻辑视图所包含的各图形控制组件所构成的程序，得到可执行对象。

可选的，在得到所述可执行对象后，还可以进一步执行所述可执行对象；或者，还可以进一步的通过编译所述网络逻辑视图所包含的各图形控制组件所构成的程序，生成一个模拟环境，用于与所架设的环境进行模拟测试。

结合本发明实施例，在步骤201所执行的根据收入封包消息获取网络的拓扑信息，具体可以通过以下方法完成：

获取交换机的packet-in消息，从所述packet-in消息中解析出网络的拓扑结构。

进一步的，本发明实施例还基于Openflow协议标准提供了几种具体的控制组件的分类，包括：flow控件、meter控件、group控件、action类控件、band类控件、bucket控件、port控件、flowtable控件、metertable控件、grouptable控件、packet统计控件、byte统计控件、逻辑与控件、逻辑或控件和逻辑非控件等。

实施例二

本发明实施例还提供了一种应用于SDN的图形化编程系统，用于实现如实施例一中所述的方法，其中，所述系统包括：可视化编辑界面、可编译后台、资源库，具体的：

所述可视化编辑界面，用于呈现一个或者多个图形控制组件，其中，所述控制组件根据交换机特性分类，每个组件对应一族实现其功能的程序代码；

所述资源库，用于存储交换机的相关功能与所述图形控制组件的映射关系，用于根据所述交换机的相关功能参数生成网络逻辑结构；还用于存储所述一个或者多个图形控制组件和对应程序代码；

可编译后台，用于编译网络逻辑结构所包含的程序代码。

本发明实施例所提出的图形控制组件，具体是基于Openflow协议标准生成的，包括：flow控件、meter控件、group控件、action类控件、band类控件、bucket控件、port控件、flowtable控件、metertable控件、grouptable控件、packet统计控件、byte统计控件、逻辑与控件、逻辑或控件和逻辑非控件等。

结合本发明实施例，所述系统的可视化编辑界面，在优选的实现方式中包括两级编辑：

第一级编辑为表的编辑，具体的展示表与表、表与端口之间的关联；

第二级编辑为转发流程的编辑，具体为表与表之间关联关系编辑。

实施例三

在实施例一所公开的一种应用于SDN的图形化编程方法以及实施二所公开的一种应用于SDN的图形化编程系统的基础上，本实施例通过细化的步骤以及结合具体图形控制组件方式阐述如何完成SDN的网络编程，如图2所示，包括以下步骤：

步骤101：开始SDN网络图形化编程。

步骤102：获取网络中各个交换机的信息，通过multipart类报文读取交换机各类参数，并通过交换机的packet-in消息获知网络的拓扑结构。

步骤103：通过真实网络拓扑结构，生成逻辑网络结构。该过程实际上一个建立数据库的过程。

步骤104：双击需要编程的交换机节点，打开编程界面，对交换机进行编程。

图3为一个编程界面的实施例，其包含了Openflow交换机的三大组成要素，即flowtable、grouptable和metertable，该界面为一个编程实施例的一级界面，概要的显示了flow、group和meter之间的关联，同时通过这几类控件和port控件的连接，揭示流的转发过程；

一个交换机控件包含一个或多个图10所示flowtable控件，多个flowtable控件可组成Openflow的多级流水线程序，当flowtable控件隶属于一个多级流水线时，grade管脚指向上一级流表，一个flowtable控件包含若干flow控件，具体数量由交换机能力所限；

一个交换机控件包含一个图11所示grouptable控件，grouptable控件中包含若干group控件，具体数量由交换机能力所限；

一个交换机控件包含一个图12所示metertable控件，metertable控件中包含若干meter控件，具体数量由交换机能力所限；

当需要编写具体flow、group和meter时，双击任意一张表，对具体流程进行编程。

步骤105：选择所需要控件，根据流程编写网络程序，该窗口为一个二级窗口；

图4为flow控件，其包括定义一个flow所需要的match参数，和instruction参数，在一个flow控件中，match参数的种类是可裁剪的，即不需要匹配的字段可不在控件中显示；

对于可以进行mask的字段，在需要进行mask时，字段的参数可填写为“A/M”的形式，其中M可以是以十进制表示的掩码长度，也可以是十六进制表示的掩码的具体值；

meter管脚连接该flow绑定的meter；gototable管脚连接该流水线的下一级表；

与instruction的管脚相连接的是action控件，图7a-图7f所示的六个action控件包含了所有流操作过程；

图5为group控件，flow管脚连接action为group的action,bucket管脚连接该group绑定的bucket控件；

bucket控件如图8所示，action管脚连接该bucket相关的所有action控件；

图6为meter控件，banddrop管脚连接一个或多个banddrop控件；banddscpremark管脚连接一个或者多个banddscpremark控件；

同时，为了便于对当前网络程序进行调试，直观的了解当前网络的流分类情况，本发明还提供了统计信息组件，图13为一个packet统计组件，用于显示该线路中包的统计数；图14为一个byte统计组件，用于显示该线路字节数的统计；

根据网络所期望实现的转发流程，选择以上几种组件构建当前的网络程序。

步骤106：根据步骤105中所选择的控件，结合网络所需功能，在控件中设置相关参数，让网络能够完成转发。

步骤107：将逻辑相关联控件的管脚相连，连线实际代表了网络中流的逻辑走向；

完成绘制后返回一级编程窗口，对于添加的flow、group和meter，会自动添加到相应的表中，并在表直接自动生成逻辑连接；

一个程序流程的终点始终在窗口的port栏。

步骤108：编写完一个交换机节点的程序后，可继续执行步骤104编写另一个交换机节点的程序，或者点击编译按钮，执行步骤109。

步骤109：编译器对源代码进行转换，并进行词法分析、语法分析和语义分析，将其转换成控制器平台支持的编程代码。

步骤110：执行编译获得的代码，调用控制器层控制接口，向交换机下发控制协议报文。

步骤111：编程结束。

实施例四

下面给出多个实施例，本发明的各项实施例涉及网络转发，网络转发可以是2层转发、3层转发、4层转发或者多协议标签交换(multi-protocollabelswitch，简写为：MPLS)转发；本发明的各项实施例还涉及网络功能，网络功能可以是组播/广播、路由聚合、快速故障恢复、流量工程；

图15出示运用本发明编写一个交换机L2线速转发的网络程序的实施例。

该实施例的目的是：将在端口1501上输入的源MAC地址为01-02-03-04-05-06、目的MAC为00-04-67-90-00-01、且打上VLAN标签100的数据流转发到1504的端口4；

根据转发逻辑编写网络程序：在组件1502中，指定了用于L2转发的匹配字段，包括源MAC，目的MAC，以太网类型和VLANID，以及匹配流的输入端口，此外还指定了流的闲置超时时间和硬超时时间、优先级等相关参数；

对从端口1501中输入的数据流，与flow1的匹配字段相匹配后，执行组件1503，组件1503执行output操作将流转发至1504的端口4。

图16出示运用本发明编写一个交换机L3线速转发的网络程序的实施例。

该实施例的目的是：将在端口1601上输入的源IP地址为1.1.1.1、目的IP为2.2.2.2、以太网类型为IP数据流转发到1605的端口4；同时将数据流的源IP地址更改为3.3.3.3；

根据转发逻辑编写网络程序：在组件1602中，指定了用于L3转发的匹配字段，包括源IP，目的IP，以太网类型，以及匹配流的输入端口，此外还指定了流的闲置超时时间和硬超时时间、优先级等相关参数；

在组件1603中，执行将数据流源IP地址更改为3.3.3.3的action；

对从端口1601中输入的数据流，与flow1的匹配字段相匹配后，执行组件1603，发生了更改的数据流继续执行组件1604，组件1604执行output操作将流转发至1605的端口4。

图17出示运用本发明编写一个交换机L4线速转发的网络程序的实施例。

该实施例的目的是：将在端口1701上输入的源端口号为1000、目的端口号为2000、以太网类型为IP的TCP数据流转发到1705的端口4；同时将数据流的TTL更改为128；

根据转发逻辑编写网络程序：在组件1702中，指定了用于L4转发的匹配字段，包括源端口号，目的端口号，IP协议号，以太网类型，以及匹配流的输入端口，此外还指定了流的闲置超时时间和硬超时时间、优先级等相关参数；

在组件1703中，执行将数据流的TTL设置为128的action；

对从端口1701中输入的数据流，与flow1的匹配字段相匹配后，执行组件1703，发生了更改的数据流继续执行组件1704，组件1704执行output操作将流转发至1705的端口4。

图18a-图18b出示运用本发明中一个典型的多级流水线的程序图的实施例。

多级流水线的处理流程涉及多个flowtable中的多个flow，其将匹配一条流的一个flow拆分为多个flow，分层次完成流的查找和分类，从而提高表项的灵活度。在本实施例中，将一个从端口1需要精确匹配L2和L3关键字的流进行二级流水线查找，同时为了提高查找的精确度，在多级流水线之间引入了metadata查找，最终将数据流转发至1807的端口8；

图18a为本实施例的第一级流水线操作，组件1802指定了第一级流水线的匹配规则，即匹配数据流的源MAC、目的MAC、以太网类型以及端口号，同时组件1802在数据流中加入metadata的值，以便于二级流水线的查找，以上操作结束后，通过gototable管脚将数据流指向组件1803中所示的下一级流水线的table；

图18b为本实施例的第二级流水线操作，组件1805指定了第二级流水线的匹配规则，除依然需要匹配输入端口以及以太网类型外，该级的匹配规则与第一级的规则完全不同，该级匹配源IP、目的IP，此外，为了精确的对应一级流水线，在组件1805中加入metadata的参数作为查表关键字；

以上查找流程结束后，最终组件1806执行output操作将流转发至端口1807。

图19出示运用本发明中一个典型的组播的程序图的实施例。

该实施例的目的是：将在端口1上输入的源IP为1.1.1.1、目的IP为2.2.2.2、以太网类型为IP的数据流，组播到端口1911的8、9、10；

根据转发逻辑编写网络程序：在组件1902中，指定了用于L3转发的匹配字段，包括源IP，目的IP，以太网类型，以及匹配流的输入端口，此外还指定了流的闲置超时时间和硬超时时间、优先级等相关参数；组件1903的action控件将本数据流输出到group1；

组件1904为group控件，将该控件的类型参数设置为ALL，这种类型的group会执行其下所有bucketaction，即组件1905、组件1907、组件1909中的action组件1906、组件1908、组件1900会全部同时执行，这三个action组件分别将数据流输出到1911的8、9、0号端口，则该流程实现了预期的组播功能。

图20出示运用本发明中一个典型的路由聚合的程序图的实施例。

该实施例的目的是：将在端口2001上输入的源IP为1.1.1.1、目的IP为2.2.2.2、以太网类型为IP的数据流；将在端口2002上输入的源IP为1.1.1.10、目的IP为2.2.2.2、以太网类型为IP的数据流，这两条不同的flow执行相同的action操作；

根据转发逻辑编写网络程序：在组件2002中，指定了用于L3转发的匹配字段，包括源IP1.1.1.1，目的IP2.2.2.2，以太网类型，以及匹配流的输入端口；在组件2003中，指定了用于L3转发的匹配字段，包括源IP1.1.1.10，目的IP2.2.2.2，以太网类型，以及匹配流的输入端口；此外在这两个组件中还指定了流的闲置超时时间和硬超时时间、优先级等相关参数；组件2004和组件2005的action控件将相应数据流输出到group1；

组件2006为group控件，将该控件的类型参数设置为indirect，这种类型的group仅执行一个bucketaction，即组件2007，组件2007中的action控件2008将数据流转发至端口2009；通过组件2006的group控件实现了将flow21和flow22两条flow的聚合。

图21出示运用本发明中一个典型的多径的程序图的实施例。

该实施例的目的是：将在端口2101上输入的源IP为1.1.1.1、目的IP为2.2.2.2、以太网类型为IP的数据流，通过2111的端口8、9、10进行多径；

根据转发逻辑编写网络程序：在组件2102中，指定了用于L3转发的匹配字段，包括源IP，目的IP，以太网类型，以及匹配流的输入端口，此外还指定了流的闲置超时时间和硬超时时间、优先级等相关参数；组件2103的action控件将本数据流输出到group1；

组件2104为group控件，将该控件的类型参数设置为select，这种类型的group会随机执行其下所有bucketaction中的一个，即组件2105、组件2107、组件2109中的action组件2106、组件2108、组件2110每次选择一个执行，这三个action组件分别在不同时刻根据其权重将数据流分别输出到2111的8、9、10号端口，则该流程实现了预期的多径功能。

图22出示运用本发明中一个典型的流量工程的程序图的实施例。

该实施例的目的是：将在端口1上输入的源IP为1.1.1.1、目的IP为2.2.2.2、以太网类型为IP的数据流，限速为满速率的90％，并转发至2208的端口10；

根据转发逻辑编写网络程序：在组件2202中，指定了用于L3转发的匹配字段，包括源IP，目的IP，以太网类型，以及匹配流的输入端口，此外还指定了流的闲置超时时间和硬超时时间、优先级等相关参数；

在本实施例中额外加入了流统计控件，组件2203和组件2207可用于在调试模式下实时监控meter的限速结果；

组件2204为meter控件，该类型的控件通过其下挂载的band控件对流进行限速，组件2205为一个banddscpremark控件，其参数rate将当前流限速设定为90％，同时preclevel参数设定了dscp操作值；

流在经过组件2204后限速为满速率的90％，通过组件2206发送至2208的端口10。

本发明实现SDN网络的手动可编程及其方法，能够实现网络设备的可编程；仅通过直观可视化的图形化编程组件抽象出了SDN交换机的各项功能，极大的降低了网络设备管理的难度；简化了操作人员对网络设备进行逐一操作的工作量，极大的提高了网络部署效率，

本发明的另一个优点在于可用调试模式实时监控现有网络的流转发情况，对现有网络程序设计的评估提供了直观全面的数据，有益于对现有网络进行分析。

本领域普通技术人员还可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，包括ROM/RAM、磁盘、光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种应用于SDN的图形化编程方法，其特征在于，所述方法包括：

根据收入封包消息获取网络的拓扑信息；

结合所述拓扑信息和交换机特性参数生成网络逻辑结构；

根据交换机信息与网络拓扑信息生成网络逻辑视图。

2.根据权利要求1所述的图形化编程方法，其特征在于，所述网络逻辑视图包括：

一个或者多个图形控制组件，其中，每个组件对应一族实现其功能的程序代码；

其中，所述控制组件根据交换机特性分类，交换机的相关功能封装为由一个或者多个图形控制组件封装而成的形式呈现。

3.根据权利要求2所述的图形化编程方法，其特征在于，所述方法还包括：

编程所述图形控制组件所对应的程序代码；

编译所述网络逻辑视图所包含的各图形控制组件所构成的程序，得到可执行对象。

4.根据权利要求1-3任一所述的图形化编程方法，其特征在于，所述根据收入封包消息获取网络的拓扑信息，具体包括：

获取交换机的packet-in消息，从所述packet-in消息中解析出网络的拓扑结构。

5.根据权利要求1-3所述的图形化编程方法，其特征在于，所述图形控制组件包括：flow控件、meter控件、group控件、action类控件、band类控件、bucket控件、port控件、flowtable控件、metertable控件、grouptable控件、packet统计控件、byte统计控件、逻辑与控件、逻辑或控件和逻辑非控件，所述各控件根据Openflow协议标准生成。

6.一种应用于SDN的图形化编程系统，其特征在于，所述系统包括：可视化编辑界面、可编译后台、资源库：

所述可视化编辑界面，用于呈现一个或者多个图形控制组件，其中，所述控制组件根据交换机特性分类，每个组件对应一族实现其功能的程序代码；

所述资源库，用于存储交换机的相关功能与所述图形控制组件的映射关系，用于根据所述交换机的相关功能参数生成网络逻辑结构；还用于存储所述一个或者多个图形控制组件和对应程序代码；

可编译后台，用于编译网络逻辑结构所包含的程序代码。

7.根据权利要求6所述的图形化编程系统，其特征在于，所述图形控制组件包括flow控件、meter控件、group控件、action类控件、band类控件、bucket控件、port控件、flowtable控件、metertable控件、grouptable控件、packet统计控件、byte统计控件、逻辑与控件、逻辑或控件和逻辑非控件，所述各控件根据Openflow协议标准生成。

8.根据权利要求6或7所述的图形化编程系统，其特征在于，所述可视化编辑界面包括两级编辑：

第一级编辑为表的编辑，具体的展示表与表、表与端口之间的关联；

第二级编辑为转发流程的编辑，具体为表与表之间关联关系编辑。