CN107453924A - 一种软件定义FiWi网络中的多路径路由传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种软件定义FiWi网络中的多路径路由传输方法,在控制层运行多路径路由传输机制，并对流表结构进行了改进，整个选路过程在控制器内完成，实现了控制器对整个网络的集中控制，将控制与数据转发相分离，减少了传统FiWi网络中路径选取过程中的资源浪费，提升了网络带宽利用率，降低了网络传输时延。

Description

一种软件定义FiWi网络中的多路径路由传输方法
技术领域
本发明涉及一种软件定义光纤无线(FiWi, Fiber Wireless)混合网络中的多路径路由传输方法，属于光纤无线混合接入网络技术领域。
背景技术
FiWi网络融合了光与无线接入的双重优点，具有大容量、低功耗、移动、灵活多变等特点，作为宽带接入“最后一公里”的解决方案在近年来备受关注。随着对等(P2P,Peer-to-Peer)网络文件共享、视频会议、网络电视直播、视频点播等业务的发展，业务本地化趋势使宽带接入网的业务量急剧增大，给网络的带宽资源带来很大的负担，是当前面临的一个重要问题。网络数据的多路径传输，首先在发送节点处将数据分流并选出多条路径建立同步传输，然后在接收端将信息重组，此技术已经被用到FiWi网络中，在光线路终端(OLT,Optical Line Terminal)或光网络单元(ONU, Optical Network Unit)处进行多路径选取，以此来提高网络带宽资源利用率，减少网络拥塞。
现有在FiWi网络中部署多路径路由传输机制需要在发送数据前先发起一次路由发现过程，以此选出合适的多条路径进行数据的传输，在此过程中，对路径的选取控制与数据的转发是紧密结合在一起的，而路由发现过程消耗了大量网络资源，增加了网络时延。软件定义网络(SDN, Software Defined Network)作为新型技术，实现了网络设备控制面和转发面的解耦，并且提供对交换机直接集中式编程的能力，能够灵活地控制网络流量，为网络设计及应用开发提供一个创新平台。现有软件定义FiWi网络架构分为三层：基础设施层、控制层和应用层，在基础设施层部署所需要的网络节点，控制层集合了所有的控制功能，应用层部署一些网络应用。目前已有在软件定义网络中实现多路径路由传输机制的研究能够对网络资源利用率和时延等网络性能进行提升，但在软件定义FiWi网络中实现对FiWi网络中多路径路由传输的集中控制,解决路径选择及业务本地化趋势带来的问题尚未有明确定论。
发明内容
经分析，发现现有技术存在如下缺点：1）FiWi网络中，多路径的选取控制与数据的转发操作是紧密结合在一起的，在数据转发前，需要进行多路径的选取，增加了网络复杂度；2）FiWi网络中部署多路径路由传输机制，在路由发现过程中，为得到各节点之间的路径信息，选出最优路径，需要在所有节点间广播一个路由发现包，并不断地处理收到的回复包，消耗了大量的网络资源，增加了网络时延。
鉴于此，如何在软件定义FiWi网络架构上部署多路径路由传输机制，设计多路径路由选择算法，利用控制器实现对FiWi网络中多路径选取的集中控制，有效提升FiWi网络的整体性能，提高资源利用率，减少网络拥塞已经成为本领域的研究重点。
本发明的主要目的是在软件定义FiWi网络中实现一种多路径路由传输机制。在软件定义FiWi网络架构中提出一种多路径路由选择算法，并对控制流表进行改进，将多路径选取过程在控制器中实现，完成了由控制器对整个FiWi网络的集中控制，减少了传统FiWi网络中路径选取过程中的资源浪费，提升网络带宽利用率，降低网络传输时延。
本发明采用下述的技术方案：
一种软件定义光纤无线FiWi网络中的多路径路由传输方法，所述软件定义FiWi网络架构分为基础设施层、控制层和应用层，基础设施层包括光线路终端OLT、光网络单元网关节点ONU-MPP和无线接入点MAP；当有下行数据需要发送时，OLT首先将全部数据包广播给所有的ONU-MPP，在ONU-MPP处进行多路径的选取，其中控制层整体是一个控制器，分为网络信息模块和网络功能模块。基础设施层中的各节点都支持OpenFlow协议，每个流表都包含包头域、计数器和动作三个流表项；包头域包括进入接口、Ethernet源地址、Ethernet目的地址、Vlan id、包个数和包流号，包个数为每条路径转发的数据包个数，包流号记录了所有数据包的流编号，不同的ONU-MPP转发标有不同包流号的数据包；动作包括转发和丢弃。网络信息模块随时监测基础设施层中各节点的变化，记录所有节点的网络状态，并基于此生成网络拓扑结构虚拟视图；网络功能模块包括待选路由表和最优路径集合，根据所述网络拓扑结构虚拟视图运行多路径路由算法，生成流表并下发给对应节点，各节点按照流表进行数据处理。进一步地，流表包括带有路由转发命令的流表和带有数据包丢弃命令的流表，数据处理包括数据包的转发和数据包的丢弃。
进行多路径的选取时，控制器检查最优路径集合中是否有当前网络下所需要的路径信息，如果有，则按照已有信息，直接运行OpenFlow协议，生成流表，下发给相应节点，收到流表的节点按照流表进行数据的转发或丢弃操作；如果最优路径集合中没有所需的路径信息，则启动多路径路由算法。
多路径路由算法包括读取网络信息，生成待选路由表，从中选出最优的一条路径存储在最优路径集合中。待选路由表中存储了各ONU-MPP到达目的MAP的所有路径信息。进一步地，将最优路径中除目的MAP以外的所有节点在网络拓扑结构虚拟视图中隐藏，再基于新的网络拓扑结构生成待选路由表，重复选出当前网络下最优的一条路径存储在最优路径集合中，重复多次即可得到所需要的多条路径。
选择最优路径的权衡指标为：Qi=αTi+（1-α）Pi，其中Ti为第i条路径的总时延，Pi为丢包率，α根据时延和丢包率的比重在（0，1）之间可调；当需要进行选路时，通过计算出每个ONU-MPP到目的MAP的Qi值，选出Qi值最小的一条路径，存入最优路径集合中。
附图说明
图1为支持多路径路由传输的软件定义FiWi网络架构图；
图2为执行本发明的多路径选择算法的一个具体实施例；以及
图3为功能改进后的流表结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
支持多路径路由传输机制的软件定义FiWi网络架构如图1所示，整体自底向上分为基础设施层、控制层和应用层。其中基础设施层包含了所有负责转发数据的设备，如OLT、光网络单元网关节点(ONU-MPP, Optical Network Unit- Mesh Portal Point)和无线接入点(MAP, Mesh Access Point)，这些节点都支持OpenFlow协议。控制层整体是一个控制器，分为网络信息模块和网络功能模块。网络信息模块可随时监测基础设施层中各节点的变化，记录所有节点的链路、负载等网络状态，并基于此生成网络拓扑结构虚拟视图。网络功能模块可根据此网络拓扑结构虚拟视图运行多路径路由算法，生成相应的带有路由转发命令的流表和带有数据包丢弃命令的流表，并通过运行OpenFlow协议把流表下发给基础设施层的对应节点，收到流表的各节点按照自己的流表进行数据包的转发或丢弃操作。本发明中与现有软件定义FiWi网络不同的是在网络功能模块中使用多路径路由选择算法并对流表做出了改进。改进后的流表结构如图3所示，其中每个流表都包含包头域、计数器和动作三个流表项。包头域包括有进入接口、Ethernet源地址、Ethernet目的地址、Vlan id、包个数和包流号等；动作包括转发和丢弃。
本发明在软件定义FiWi网络中，所提出的多路径路由传输机制的数据转发过程是：OLT首先将来自骨干网的数据包广播给所有的ONU-MPP，在ONU-MPP处进行多路径的选取，即多个ONU-MPP同时进行数据包的转发操作，将不同的数据包分别发送到目的MAP。
软件定义FiWi网络架构及其多路径路由传输机制工作过程如图1所示。由于控制器可实时监测基础设施层各节点链路的变化情况，掌握了所有节点的负载、链路、丢包率、时延等相关信息，通过运行多路径路由选择算法即可选出最优的几条作为传输路径。具体地，在网络初始化过程中，网络信息模块通过监测基础设施层各节点的链路情况，更新网络拓扑结构虚拟视图，网络功能模块中的多路径路由传输机制通过读取网络信息，生成待选路由表，此表中存储了各ONU-MPP到达目的MAP的所有路径信息，从中选出最优的一条路径存储在最优路径集合中，再将这条路径中除目的MAP以外的所有节点在网络拓扑结构虚拟视图中隐藏，之后，再基于新的网络拓扑结构，再次生成待选路由表，重复选出当前网络下最优的一条路径存储在最优路径集合中，重复多次即可得到所需要的多条路径。
本发明中以路径的时延和丢包率作为路由判据，多路径选择算法具体执行如下：
假设第i条路径的总时延为Ti，丢包率为Pi，权衡指标为：Qi=αTi+（1-α）Pi，其中α根据时延和丢包率的比重在（0，1）之间可调。由于控制器掌握基础设施层节点的所有信息，在它的待选路由表中，存储着每个ONU-MPP到目的MAP的所有路径信息，当需要进行选路时，通过计算出每个ONU-MPP到目的MAP的Qi值，选出Qi值最小的一条路径，存入最优路径集合中，再将这条路径中除目的MAP以外的所有节点在网络拓扑结构虚拟视图中隐藏，之后，再基于新的网络拓扑结构，再次运算，找到当前网络中的最优路径，重复几次，选出最优的几条节点互不相关的独立路径。
以图2实例进行说明。假设在软件定义FiWi网络的基础设施层中共有1个OLT，3个ONU-MPP和16个MAP，ONU-MPP节点集合为O={O1，O2，O3}，MAP节点集合为M={M1，M2，……，M16}，所选的最优路径集合为P，目的节点为D。当有下行数据需要发送时，OLT首先将全部数据包广播给所有的ONU-MPP，在ONU-MPP处进行多路径的选取。由控制器检查最优路径集合P中是否有当前网络下所需要的路径信息，如果有，则按照已有信息，直接运行OpenFlow协议，生成流表，下发给相应节点，收到流表的节点按照流表进行数据的转发或丢弃操作；如果集合P中没有所需的路径信息，则启动多路径路由算法。
（1）控制器按照底层网络拓扑结构，以各条路径的时延和丢包率为依据，通过公式Qi=αTi+（1-α）Pi，计算出当前网络拓扑结构下，集合O中每个ONU-MPP到目的节点D的所有路径的Qi值，找到Qi值最小的一条为最优路径P1，将其放入最优路径集合P中，如图2(a)所示；
（2）更新集合M和集合O，将集合P中的路径上涉及到的所有节点（目的节点除外）分别在集合M和集合O中隐藏，更新网络拓扑结构虚拟视图，再基于新的网络拓扑结构重新计算出各ONU-MPP到目的节点的Qi值，再次选择Qi最小的一条最优路径P2，并将其放入最优路径集合P中，如图2(b)所示；
（3）重复步骤（2），找到第三条路径P3，如图2(c)所示；
（4）最后最优路径集合P中的三条节点不相交路径为所选路径，如图2（d）所示。
多路径路由传输一般选择两到三条路径同时进行数据包的转发，因此多路径路由选择算法重复两到三次即可。最后控制器将集合P中的几条路径变换成流表下发给对应ONU-MPP，同时生成带有丢弃数据包命令的流表，并将其下发给其余ONU-MPP，参与转发的ONU-MPP按照流表进行数据包的转发操作，而其余ONU-MPP收到流表后直接将所有数据包丢弃。此多路径的选择完全在控制器内完成，实现了控制与转发的分离，使网络更加智能化，减少多路径选取过程中网络资源的浪费，减少网络拥塞，实现负载均衡。
本发明在软件定义FiWi网络中部署多路径路由传输机制，为使控制器生成流表支持此功能，将流表做出改进。改进后的流表结构如图3所示。每个流表包括包头域、计数器和动作这三个流表项，其中包头域包括有进入接口、Ethernet源地址、Ethernet目的地址、Vlan id等，为了使其支持多路径路由传输，本发明中将包头域进行扩展，增加了“包个数”和“包流号”。包个数决定了在多路径转发过程中，每条路径转发的数据包个数；另外，在软件定义FiWi网络数据的下行转发过程中，OLT将数据包广播给所有ONU-MPP，即每个ONU-MPP都接收到了所有的需要转发的数据包，在多路径传输过程中，各个ONU-MPP之间要相互配合，不可转发相同的数据包。“包流号”记录了所有数据包的流编号，即OLT向ONU-MPP广播数据时，OLT每广播一个数据包，包流号加1，使每个数据包对应唯一的包流号。在数据转发过程中，不同的ONU-MPP转发标有不同包流号的数据包，从而保证每个数据包仅被转发一次。具体地，当有下行数据发送时，OLT首先将全部数据包广播给所有的ONU-MPP，在此过程中，控制器记录了所有数据包对应的包流号，当多路径路由选择算法运行结束后，通过运行OpenFlow协议生成流表时，根据包流号为每条所选路径分配不同的数据包，之后控制器将流表下发给相应的ONU-MPP，并向其他不参与转发的ONU-MPP发送带有数据包丢弃命令的流表，参与转发的ONU-MPP按照流表中的包流号选择对应的数据包进行转发操作，并将其余数据包丢弃，而其余ONU-MPP收到流表后，直接将所有数据包丢弃。本发明对流表功能的改进，实现了软件定义对FiWi网络的集中控制，在多路径路由传输过程中，保证每个数据包被转发一次，并且指明每条路径转发数据包的个数，使得多路径路由传输机制很容易植入软件定义FiWi网络，而不需要对其他设施做任何改进。
本发明在软件定义FiWi网络中实现了一种多路径路由传输机制，提出了一种在软件定义FiWi网络中的多路径路由选择算法，并对流表结构进行改进，其整个选路过程在控制器内完成，实现了控制器对整个网络的集中控制，将控制与数据转发相分离，减少了传统FiWi网络中路径选取过程中的资源浪费，提升了网络带宽利用率，降低了网络传输时延。
本发明适用于任何基础设施的软件定义FiWi网络架构，并要求所有节点支持OpenFlow协议。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种软件定义光纤无线FiWi(Fiber Wireless)网络中的多路径路由传输方施层包括光线路终端OLT(Optical Line Terminal)、光网络单元网关节点ONU-MPP（OpticalNetwork Unit- Mesh Portal Point)和无线接入点MAP(Mesh Access Point)；当有下行数据需要发送时，OLT首先将全部数据包广播给所法，所述软件定义FiWi网络架构分为基础设施层、控制层和应用层，基础设有的ONU-MPP，在ONU-MPP处进行多路径的选取，其特征在于：控制层整体是一个控制器，分为网络信息模块和网络功能模块。
2.根据权利要求1所述的方法，基础设施层中的各节点都支持OpenFlow协议，每个流表都包含包头域、计数器和动作三个流表项；所述包头域包括进入接口、Ethernet源地址、Ethernet目的地址、Vlan id、包个数和包流号；动作包括转发和丢弃。
3.根据权利要求1所述的方法，网络信息模块随时监测基础设施层中各节点的变化，记录所有节点的网络状态，并基于此生成网络拓扑结构虚拟视图；网络功能模块包括待选路由表和最优路径集合，根据所述网络拓扑结构虚拟视图运行多路径路由算法，生成流表并下发给对应节点，各节点按照流表进行数据处理。
4.根据权利要求3所述的方法，所述流表包括带有路由转发命令的流表和带有数据包丢弃命令的流表，所述数据处理包括数据包的转发和数据包的丢弃。
5.根据权利要求3所述的方法，进行多路径的选取时，控制器检查最优路径集合中是否有当前网络下所需要的路径信息，如果有，则按照已有信息，直接运行OpenFlow协议，生成流表，下发给相应节点，收到流表的节点按照流表进行数据的转发或丢弃操作；如果最优路径集合中没有所需的路径信息，则启动多路径路由算法。
6.根据权利要求5所述的方法，所述多路径路由算法包括读取网络信息，生成待选路由表，从中选出最优的一条路径存储在最优路径集合中。
7.根据权利要求6所述的方法，所述待选路由表中存储了各ONU-MPP到达目的MAP的所有路径信息。
8.根据权利要求6所述的方法，进一步地，将最优路径中除目的MAP以外的所有节点在网络拓扑结构虚拟视图中隐藏，再基于新的网络拓扑结构生成待选路由表，重复选出当前网络下最优的一条路径存储在最优路径集合中，重复多次即可得到所需要的多条路径。
9.根据权利要求6所述的方法，权衡指标为：Qi=αTi+（1-α）Pi，其中Ti为第i条路径的总时延，Pi为丢包率，α根据时延和丢包率的比重在（0，1）之间可调；当需要进行选路时，通过计算出每个ONU-MPP到目的MAP的Qi值，选出Qi值最小的一条路径，存入最优路径集合中。
10.根据权利要求2所述的方法，所述包个数为每条路径转发的数据包个数；所述包流号记录了所有数据包的流编号，不同的ONU-MPP转发标有不同包流号的数据包。
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