CN106713177A - 一种多控制器的wmSDN组网方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种多控制器的wmSDN组网方法，步骤包括：交换机使用wmSDN网络协议来发现基础路径并转发控制流量，而交换机对数据流量则通过控制器下发的流表来确定转发路径；控制器通过读取与之直连的交换机中的wmSDN网络协议模块来得到wmSDN全网络的状态信息，并选举一个控制器作为主控制器，剩下则作为从控制器；主控制器对全部从控制器和交换机进行分区；主控制器随时检查自身的负载状态，若主控制器的负载过重，则会触发主控选举程序，从控制器间重新选举主控制器；从控制器周期性地检查主控制器的有效性，若发现主控制器失效则触发主控选举程序。本发明既很好地解决单控制器的劣势，又可以解决目前现有的多控制器组网方式的局限性。

Description

一种多控制器的wmSDN组网方法
技术领域
本发明涉及计算机网络技术领域，尤其涉及一种多控制器的wmSDN组网方法。
背景技术
无线Mesh网(WMN)是一种新型的无线宽带网络，具有容量高、稳定性好、结构灵活和部署简便等特点，在网络拓扑上，无线Mesh网网络节点移动性小，拓扑变化少，目前WMN较多应用于接入网和回程网中。
SDN是一种新型的网络架构，它强调网络设备控制平面和数据平面的分离，控制平面的功能完全汇聚到网络中的控制器来实现，比如说网络拓扑的收集、路由的计算、流表的生成和下发、网络的管理与控制等功能；而数据平面的交换机仅仅负责数据流量的转发和控制器策略的执行，本身并无决策功能。通过将转发与控制的分离，SDN控制器可以得到全网络的拓扑和各种资源信息，从而可以针对全网络的状态确定最优的策略，实现网络资源的高效利用。同时由于控制策略是通过控制器上的应用来实现的，所以当网络中的策略需要改变时只需要更改控制器上的应用程序即可，而不需要改变网络中众多的交换机。
通过将SDN与WMN结合起来，利用wmSDN网络协议来建立基础路径并转发控制流量，而数据流量的转发路径则通过控制器来决定，这样可以将SDN的优点与WMN的优点结合起来。
OpenFlow是实现SDN架构中控制器与交换机通信的协议规范，在OpenFlow体系中，控制器方式实现简单，一般情况下整个网络由单个控制器控制，单控制器虽然带来了控制上的便利性，但使用在wmSDN网络中时存在以下问题：第一，流向单一控制器的控制流量会随着网络规模的增长而增长，而单一控制器与交换机之间的带宽是有限的；第二，当网络规模很大时，则远离控制器的交换机会遭受长时间的流表建立时延，从而大大降低数据平面的转发速率；第三，整个系统的性能会受到单一控制器处理能力的约束，从而限制网络规模的增大；第四，单一控制器会使整个网络缺乏强壮性，即当控制器因为链路断开或其他原因失效时则整个网络会崩溃。
目前也有一些多控制器的组网方式，但这些方案有以下不足：第一，在现有的组网方式中，控制器和交换机的匹配方式基本都是人为匹配的，这样不具有灵活性；第二，由于多控制器方案中所有控制器需要有一致的全网络拓扑，因此现有方式中基本都需要一个第三方的存储介质来存放全网络的拓扑，相应地也需要控制器与该第三方的存储介质间的通信支持；第三，在现有方式中，控制器间的通信需要另外单独建立信道进行通信。因此，本发明提出一个多控制器组网方法，既可以很好地解决单控制器的问题，又可以解决目前现有的多控制器组网方式的局限性。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种多控制器的wmSDN组网方法，既可以很好地解决单控制器的劣势，又可以解决目前现有的多控制器组网方式的局限性。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种多控制器的wmSDN组网方法，包括如下步骤：
S1、交换机使用wmSDN网络协议来发现基础路径并转发控制流量，而交换机对数据流量则通过控制器下发的流表来确定转发路径；
S2、控制器通过读取与之直连的交换机中的wmSDN网络协议模块来得到wmSDN全网络的状态信息，不同控制器之间选举出负载最小或处理能力最强的一个控制器作为主控制器，剩下的控制器则作为从控制器；
S3、主控制器将wmSDN全网络的从控制器和交换机进行分区，一个分区包括一个从控制器和多个交换机；
S4、主控制器随时检查自身的负载状态，若主控制器的负载过重，则会触发主控选举程序，此时，所有从控制器重新选举出负载最小或处理能力最强的一个从控制器作为主控制器；
S5、从控制器周期性地检查主控制器的有效性，若发现主控制器失效则触发主控选举程序，此时，从控制器间重新选举出负载最小或处理能力最强的一个从控制器作为新的主控制器。
进一步地，所述步骤S1中，所述控制流量和数据流量，虽然通过不同的逻辑信道传输，但两者均采用同一物理信道进行转发。
进一步地，所述数据流量，当其源节点和目的节点在不同控制器的管理区域时，源节点所在区域的控制器称源控制器、交换机成为源交换机，所述源控制器收到由源交换机发来的请求流表消息后根据全网络的拓扑确定转发路径，并将该转发路径通过控制器信道发送到相关控制器，相关控制器按照该路径下发相应区域交换机的流表项。
进一步地，所述步骤S3中进行分区，其具体为：一个分区的信息同步发送至所有控制器，主控制器根据该分区的信息来决定交换机由哪个从控制器管理，选中的从控制器则连接并管理相应的交换机；其中，每个从控制器分配多少个交换机，是根据从控制器的负载和位置所决定。
进一步地，所述步骤S3的主控制器，其周期性地检查网络拓扑变化，当网络中有节点失效或加入时则会触发主控制器的分区操作，使主控制器重新对从控制器和交换机进行分区配对。
进一步地，所述步骤S3的主控制器，其周期性地检查从控制器的负载，若发生从控制器负载过重情况，则触发主控制器的分区操作，使主控制器重新对从控制器和交换机进行分区配对。
进一步地，所述步骤S5的有效性指的是主控制器是否正常工作，即主控制器是否正常连接在wmSDN全网络中，从控制器通过定期检查是否收到来自主控制器的心跳信息来判断主控制器是否失效。
进一步地，所述交换机均运行wmSDN网络协议，且每个交换机上均包括全网络的状态信息，因此控制器可以从任意一个连接的交换机中读取到全网络的状态信。
采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：
(1)本发明很好地解决了wmSDN网络单控制器的脆弱性问题、扩展性问题和性能约束问题；
(2)本发明主控制器通过各个控制器负载动态分配控制器和交换机的映射列表，可以避免控制器过载，确保数据稳定高效传输；
(3)本发明控制器之间通过控制信道通信，不需要在控制器之间再建立其他物理路径，这样方便实施；
(4)本发明会周期性地检查主控制器的负载情况，若过载则启动主控选举程序，选举一个负载最小或处理能力最强的控制器作为主控制器，这样可以保证主控制器可以快速执行功能，避免主控制器成为全网络的瓶颈；
(5)本发明中控制器可以从任意一个连接的交换机中的wmSDN网络协议模块中读取到全网络的状态信息，这样可以有效解决控制器的隐藏问题，增强网络的安全性。
附图说明
图1为本发明一种多控制器的wmSDN组网方法的网络拓扑图；
图2为本发明一种多控制器的wmSDN组网方法的选择主控制器的步骤流程图；
图3为本发明一种多控制器的wmSDN组网方法的主控制器对网络进行分区步骤流程图；
图4为本发明一种多控制器的wmSDN组网方法的数据流量转发步骤流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供一种多控制器的wmSDN组网方法，在wmSDN网络中设有多个控制器，每个控制器管理若干个交换机，控制器中有一个主控制器，负责协调其他的控制器工作。wmSDN网络在网络路由协议信息交换机制的基础上，通过增加新的信息域，以携带网络的各种状态信息，实现交换机之间、交换机与控制器之间的信息交换。在网络刚启动时，交换机中的wmSDN网络协议模块发现链路并保存全网络的拓扑，各个控制器则通过读取与之相连交换机中的wmSDN网络协议模块得到全网络拓扑。
本发明一种多控制器的wmSDN组网方法的主要方式为：
(1)在每个wmSDN交换机上运行wmSDN网络协议，用wmSDN网络协议建立的普通信道转发控制流量，数据流量则由控制器下发流表建立的SDN信道来转发；
(2)控制器之间选举出负载最小或处理能力最强的作为主控制器，其他控制器则相应地成为从控制器，主控制器负责根据各个控制器的负载和链路状态对控制器与交换机进行分区，然后将分区信息通过控制信道传输到各个控制器之中；
(3)每个控制器根据分区信息连接并控制相应的交换机，控制器通过读取与之相连的交换机的wmSDN网络协议模块就可以得到全网络的实时拓扑，根据该拓扑可以制定不同策略得到数据流的不同转发路径；
(4)主控制器周期性地检测全网络的拓扑是否发生变化，一旦有交换机或控制器退出加入则拓扑发生变化，此时触发主控制器重新进行控制器与交换机的分区操作；
(5)主控制器周期性地检查从控制器的负载，一旦有从控制器负载过重情况发生则触发主控制器的分区操作，使主控制器重新对控制器和交换机进行分区配对；
(6)当属于不同控制器控制的交换机要传输数据时，源交换机发送请求流表消息给源控制器，源控制器检查到目的ip地址是否在其他区域，如果在其他区域则源控制器根据全网络的拓扑确定转发路径后将该路径通过控制信道传输到相关控制器，相关控制器按照该路径来下发相应区域的流表到交换机；
(7)当有从控制器失效时，即会导致网络拓扑变化，主控制器检测到拓扑变化后即会触发映射配对程序重新分配控制器和交换机的映射列表；相应地，从控制器会周期性地检查主控制器的有效性，一旦主控制器失效则其他控制器会重新选举出主控制器；
(8)本发明中主控制器的选举过程是根据控制器的内存和处理器使用情况定量计算出来的负载最轻来决定的，每个控制器分配的交换机数量也通过控制器的负载来决定，这样可以保证网络高效运行。
如图2所示，本发明控制器的wmSDN组网方法，首先交换机之间、交换机和控制器之间、控制器之间使用交换机wmSDN网络协议模块的wmSDN网络协议发现链路并建立拓扑，接着控制器通过直连的节点读取全网络拓扑，然后选择主控制器。由于刚开始或主控制器突然失效时，网络中没有主控制器，因此可以按照事先安排好的规则先选择一个主控制器，比如给所有控制器编号，选择编号最小的控制器作为主控制器，随之主控制器比较所有控制器负载，如果是主控制器负载最轻则选定该控制器为主控制器，如果当前主控制器负载不是最轻的则启动主控制器选举程序，直到选举出负载最轻的控制器担任主控制器。正常工作之后主控制器周期性检查自身负载是否超载，从控制器也周期性地检查主控制器是否失效，以上两个条件触发一个就立刻启动主控制器选择程序。
如图3所示，主控制器正常工作后周期性地检测网络拓扑是否发生改变，同时检查从控制器是否过载，一旦发现拓扑发生变化或某个从控制器过载，则主控制器根据各个控制器的负载和链路状态重新对控制器与交换机进行分区，随后将该分区信息通过控制信道发送到所有控制器上，控制器根据分区信息连接到相应的交换机上。
如图4所示，数据流到达交换机后交换机首先查询自身流表，如无匹配项则将数据包打包成请求流表消息发送给该域的控制器，即源控制器，源控制器检查目的ip地址是否在自己管理的区域内，如果是则直接下发流表，如果目的ip地址在其他控制器的管理域中则源控制器根据全网络的拓扑建立转发路径，然后将该数据流的匹配域和转发路径通过控制信道发送到相关控制器，相关控制器通过该转发路径下发相应的流表到相关交换机。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解的是，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (8)

1.一种多控制器的wmSDN组网方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、交换机使用wmSDN网络协议来发现基础路径并转发控制流量，而交换机对数据流量则通过控制器下发的流表来确定转发路径；
S2、控制器通过读取与之直连的交换机中的wmSDN网络协议模块来得到wmSDN全网络的状态信息，不同控制器之间选举出负载最小或处理能力最强的一个控制器作为主控制器，剩下的控制器则作为从控制器；
S3、主控制器将wmSDN全网络的从控制器和交换机进行分区，一个分区包括一个从控制器和多个交换机；
S4、主控制器随时检查自身的负载状态，若主控制器的负载过重，则会触发主控选举程序，此时，所有从控制器重新选举出负载最小或处理能力最强的一个从控制器作为主控制器；
S5、从控制器周期性地检查主控制器的有效性，若发现主控制器失效则触发主控选举程序，此时，从控制器间重新选举出负载最小或处理能力最强的一个从控制器作为新的主控制器。
2.根据权利要求1所述的一种多控制器的wmSDN组网方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述控制流量和数据流量，虽然通过不同的逻辑信道传输，但两者均采用同一物理信道进行转发。
3.根据权利要求1或2所述的一种多控制器的wmSDN组网方法，其特征在于，所述数据流量，当其源节点和目的节点在不同控制器的管理区域时，源节点所在区域的控制器称源控制器、交换机成为源交换机，所述源控制器收到由源交换机发来的请求流表消息后根据全网络的拓扑确定转发路径，并将该转发路径通过控制器信道发送到相关控制器，相关控制器按照该路径下发相应区域交换机的流表项。
4.根据权利要求1所述的一种多控制器的wmSDN组网方法，其特征在于，所述步骤S3中进行分区，其具体为：一个分区的信息同步发送至所有控制器，主控制器根据该分区的信息来决定交换机由哪个从控制器管理，选中的从控制器则连接并管理相应的交换机；其中，每个从控制器分配多少个交换机，是根据从控制器的负载和位置所决定。
5.根据权利要求1或4所述的一种多控制器的wmSDN组网方法，其特征在于，所述步骤S3的主控制器，其周期性地检查网络拓扑变化，当网络中有节点失效或加入时则会触发主控制器的分区操作，使主控制器重新对从控制器和交换机进行分区配对。
6.根据权利要求1或4所述的一种多控制器的wmSDN组网方法，其特征在于，所述步骤S3的主控制器，其周期性地检查从控制器的负载，若发生从控制器负载过重情况，则触发主控制器的分区操作，使主控制器重新对从控制器和交换机进行分区配对。
7.根据权利要求1所述的一种多控制器的wmSDN组网方法，其特征在于，所述步骤S5的有效性指的是主控制器是否正常工作，即主控制器是否正常连接在wmSDN全网络中，从控制器通过定期检查是否收到来自主控制器的心跳信息来判断主控制器是否失效。
8.根据权利要求1所述的一种多控制器的wmSDN组网方法，其特征在于，所述交换机均运行wmSDN网络协议，且每个交换机上均包括全网络的状态信息，因此控制器可以从任意一个连接的交换机中读取到全网络的状态信。
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