CN108353037A - 具有流过期扩展的openflow兼容网络 - Google Patents

Abstract

本发明涉及OpenFlow兼容网络系统100。所述OpenFlow兼容网络系统100包括至少一个包括OpenFlow兼容信道接口102的转发元件101，以及用于通过所述OpenFlow兼容信道接口102与所述至少一个转发元件101通信的OpenFlow兼容控制元件103，其中所述控制元件103用于在所述转发元件101中定义第一数据流表项104和第二数据流表项105，所述第一数据流表项104和所述第二数据流表项105均代表双向数据连接106，所述控制元件103还用于定义所述第一数据流表项104和所述第二数据流表项105之间的过期关系107。

Description

具有流过期扩展的OPENFLOW兼容网络

技术领域

本发明涉及软件定义网络(software-defined networking，简称SDN)的技术领域，尤其涉及OpenFlow兼容网络系统、在OpenFlow兼容网络系统中管理数据流的方法以及在计算设备上运行时用于实现所述方法的计算机程序产品。特别地，本发明建议定义代表OpenFlow兼容网络系统中单个双向连接的数据流表项或者组表项之间的过期关系。

背景技术

SDN是允许网络管理员通过低级别功能的抽象化来管理网络业务的计算机组网方式。这是通过将确定流量发送位置的系统(控制平面)与转发流量至所选目的地的底层系统(数据平面或者转发平面)解耦实现。这样的网络拓扑结构简化了组网。SDN需要控制平面与数据平面通信的一些方法。这样的一个机制称作OpenFlow。

因此OpenFlow是允许SDN中转发元件的转发平面访问的通信协议。OpenFlow使得控制元件能够通过转发平面确定数据包的路径。控制平面与转发平面的分离使得流量管理相比利用简单的访问控制列表(access control list，简称ACL)和路由协议更加复杂。OpenFlow允许单个开放协议接口即OpenFlow信道远程管理不同供应商的交换机，这些交换机通常都有各自的专用接口和脚本语言。因此，OpenFlow视为SDN的使能器。

OpenFlow兼容网络系统允许远程管理存储在转发元件中的开放系统互连(OpenSystems Interconnection，简称OSI)、传输控制协议(Transmission Control Protocol，简称TCP)以及层3数据流表。远程管理尤其包括添加、修改、更新和/或删除此类数据流表中的数据流表项。这类转发元件中的数据流表项尤其是数据流匹配规则和/或数据流相关动作。OpenFlow兼容网络系统优先规定传输层安全(Transport Layer Security，简称TLS)的使用。

可以从开放网络基金会网址“https://www.opennetworking.org/images/stories/downloads/sdn-resources/onf-specifications/openflow/openflow-spec-v1.4.0.pdf”检索到的2013年10月14日发布的1.4.0版白皮书“OpenFlow交换机规范”，其中提到OpenFlow协议中的转发元件包括执行数据包查找和数据包转发的一个或者多个数据流表和组表，以及安排在所述转发元件外部用于连接控制元件的OpenFlow信道。控制元件可以根据所述OpenFlow协议管理所述数据流表中的每个数据流表项，并且通过所述OpenFlow兼容信道接口被动(响应数据包)和主动(响应数据包)。数据流表中的每个数据流表项包括匹配字段，计数器字段以及一组指令，以用于匹配数据包。

因此，控制元件可以周期性地或者临时地作出路由决策，并且转化成具有可配置生命周期的数据流规则和动作，然后将这些数据流规则和动作部署在转发元件的数据流表中，由转发元件根据这些规则的持续时间的线速真正转发匹配的数据包。可以将与转发元件不匹配的数据包转发至控制元件。然后控制元件可以决定是在一个或者多个转发元件中修改现有数据流表规则还是部署至少一个新的数据流规则，以防止转发元件和控制元件之间流量的结构性数据流。控制元件也可以决定自己转发数据包。

可以应控制元件要求从所述数据流表中删除数据流表项或者在检测到流过期机制时通过转发元件从所述数据流表中删除数据流表项。

所述转发元件流过期机制在转发元件上独立于控制元件运行，并且基于所述数据流表项本身的状态和配置。每个数据流表项都有相关的IDLE_TIMEOUT值和HARD_TIMEOUT值。

非零HARD_TIMEOUT值使得数据流表项在预设秒数之后删除，不管已经匹配的数据包的数量。因此，数据流删除是在预设时长结束后自动发生。

非零IDLE_TIMEOUT值使得数据流表项在预设秒数内没有匹配数据包的情况下被删除。

根据OpenFlow标准，转发元件必须实现数据流过期，并且在其中一个超时值到期时从所述数据流表中删除数据流表项。

如果各自的数据流表项中IDLE_TIMEOUT值或者HARD_TIMEOUT值是非零值，则所述转发元件必须记录数据流表项的到达时间，因为后期可能需要删除该表项。

现有数据流过期机制都是无状态的。因此，转发元件的数据流表中的不同数据流表项之间不存在相互连接或者关系。因此，尤其是双向连接非常困难。尤其是在特殊类型的应用需要在OpenFlow网络系统中执行时，存在诸多缺点。

为了提供高可用性(high availability，简称HA)业务或者应用，利用外部的负载均衡器实现网络节点中的特殊HA协议。这些机制需要在集群网络节点之间持续进行健康检查，以检测网络故障。对OpenFlow多控架构同样适用。

为了提供负载均衡(load balancing，简称LB)机制，数据路径中需要其他外部元件，以检测连接故障等网络故障。

OpenFlow兼容网络系统中的每个外部元件都需要附加的净荷，因此系统性能本身的效率降低。在管理、支持和/或运行这些其它的外部元件时，不利地增加了网络性能的复杂性并且降低了最终的数据速率。需要附加协议以利用健康检查机制检测数据路径连接中的故障，这引入了时延问题并且针对预期行为较难配置。

因此，尤其是针对HA或者LB业务/应用需要避免此类外部元件。特别地，非响应性数据连接的检测应基于具有简单拓扑结构的内部OpenFlow机制并且以简单容易的方式进行。此外需要标记转发元件的数据流表中的两个数据流表项之间的关系，以提高系统性能。

发明内容

鉴于上述问题和缺点，本发明旨在提高现有技术水平尤其是上述流过期机制。

本发明的目标是优先在HA和LB应用中提高OpenFlow兼容网络系统的双向数据连接中连接故障的检测率。因此，本发明试图避免产生大量开销且提供非侵入性方式。相应地，本发明旨在提高整体系统性能并降低系统时延。本发明也试图克服所有上述缺点。

本发明的目标通过所附独立权利要求中提供的方案实现。本发明的有利的实现方案在从属权利要求中进一步定义。

特别地，本发明利用内部OpenFlow流过期机制。本发明的流过期机制是通过在OpenFlow标准流程中整合获得。因此每个SDN应用都可以找到使用本发明的许多用例，以更好地控制OpenFlow系统中的数据流量。特别地，可以针对重要的数据流定义HA应用，其中连接故障在本发明中可以本地检测，不需要其它外部元件。这些应用可以为不同的网络节点之间需要的时延管理限定规则，并且在故障时回退至另一个网络节点。同时，引入了根据网络节点例如服务器的响应时间反应的动态LB。用于多控元件且进行学习分析以了解数据流量特性从而确定系统中的最佳粒度的HA或者LB应用都是适用的。术语粒度与关于通信量的计算量有关，优选地，与通信中计算比率有关。然后以某种方式触发数据路径上的任意异常行为，例如没有传递至特定网络节点或者没有从特定网络节点传递的数据流量，并且可以应用对策。

本发明的第一方面提供了OpenFlow兼容网络系统。所述OpenFlow兼容网络系统包括至少一个包括OpenFlow兼容信道接口的转发元件，以及用于通过所述OpenFlow兼容信道接口与所述至少一个转发元件通信的OpenFlow兼容控制元件，其中所述控制元件用于在所述转发元件中定义第一数据流表项和第二数据流表项，所述第一数据流表项和所述第二数据流表项均代表双向数据连接，所述控制元件还用于定义所述第一数据流表项和所述第二数据流表项之间的过期关系。

在第一方面所述系统中，引入并使用了具有新颖性的OpenFlow扩展。所述控制元件配置了均代表单个双向数据连接的第一数据流表项和第二数据流表项。所述控制元件还定义了代表所述单个双向数据连接的第一数据流表项和第二数据流表项之间的过期关系。该过期关系可以视为所述控制元件定义的新的数据流规则，以检测非响应性数据连接并且标记属于同一双向连接的两个数据流表项之间的关系。

所述OpenFlow兼容网络系统中的转发元件可以是连接点或者重分布点。在本发明的OpenFlow网络系统中，所述转发元件可以是数据通信设备(data communicationequipment，简称DCE)，例如调制解调器、集线器、桥接器或者交换机。所述转发元件可以优先是附着于所述OpenFlow网络系统且能够通过物理、逻辑和/或虚拟通信信道创建、接收或者传输信息的有源电子设备。所述转发元件优先用于根据所述控制元件定义且存储于所述转发元件的数据流表中的数据流规则在两个网络节点之间路由数据包。优选地，所述转发元件是虚拟交换机，例如虚拟多层网络交换机，旨在通过编程式扩展实现有效的网络自动化，同时支持其他标准管理接口和协议，如NetFlow、sFlow、SPAN、RSPAN、CLI、LACP以及802.1ag或者虚拟机，其中所述虚拟机是对基于真实或者假想的计算机的计算机架构和功能运行的特定计算机系统的仿真，这些标准管理接口和协议的实现可能涉及专用硬件、软件或者二者的结合。

本发明提供的控制元件是所述OpenFlow兼容系统中的实体，用于提供具有全局可编程性以在所述网络系统中部署动态业务的统一的网络控制平面。所述控制元件利用所述OpenFlow标准从控制平面抽象出网络数据平面，并且将网络控制逻辑和智能集中到常见且高可用性的服务器。通过OpenFlow兼容控制元件进行的集中和抽象使得管理员和应用能够直接访问和控制网络节点和/或转发元件。

所述转发元件和控制元件用于通过Openflow兼容接口也称作Openflow信道通信。所述OpenFlow信道是连接所述转发元件和所述控制元件的接口。所述控制元件用于通过该接口配置并且管理所述转发元件，从所述转发元件接收事件，并且发送数据包至所述转发元件。在数据路径和所述OpenFlow信道接口之间，所述接口是针对实现方案的，因此OpenFlow信道消息必须根据OpenFlow协议进行格式化。优先利用TLS对所述OpenFlow信道进行加密，但是可以直接通过TCP运行。

本发明提供的过期关系是在过期事件发生时所述第一数据流表项和所述第二数据流表项之间的关系。因此，当第一数据流在转发元件中匹配时，相应的第二数据流表项启动流过期事件。从而实现不同数据流之间的支持状态和关系。优先将过期关系作为指示规则插入各自的数据流字段。每个数据流表项包括在数据包匹配数据流表项时执行的指令集。所述指令导致对数据包做出改变，动作集和/或管道处理。因此，一旦在所述转发元件中匹配第一数据流，作为指示规则的过期关系扩展就会触发相关第二数据流表项的流过期事件。

因此，不是针对双向连接定义单个数据流表项，而是定义代表所述双向连接的两个数据流表项，并且两个数据流表项相关联，因为如果其中一个数据流不能匹配，另一个相关数据流表项识别该数据流，并且可以触发附加功能，例如上报、删除等等。

因此，本发明的OpenFlow扩展使得SDN应用或者控制元件能够处理各种不同的用例，不需要其它外部元件。例如，可以针对重要的双向数据连接定义在转发元件本地增强的HA应用。所述HA应用不需要外部的健康检查。另外，有可能在不同的OpenFlow控制元件之间提供智能分布。另外，也有可能提供在本地检测数据连接故障或者时延问题的分布式LB业务。

这使得更接近特定网络节点尤其是客户端节点的故障检测具有更好的粒度。不需要附加的外部计算实体，例如中央处理器。本发明构思符合OpenFlow标准，不需要额外适配。本发明的方案在软件和硬件转发元件中很容易实现。

根据第一方面，在所述系统的第一种实现形式中，所述控制元件用于通过所述转发元件定义代表所述网络系统中第一节点和第二节点之间的双向数据连接的正方向的第一数据流表项，所述控制元件用于通过所述转发元件定义代表所述网络系统中所述第二节点和所述第一节点之间的双向数据连接的反方向的第二数据流表项。

所述第一节点和/或第二节点都是所述系统中的网络节点，可能是终端设备的通信端点，优选地是数据终端设备(data terminal equipment，简称DTE)，例如数字电话、打印机或者主计算机，如工作站、虚拟机、客户端或者服务器节点。网络节点的定义取决于提到的网络和协议层。网络节点可能优先是附着于所述系统且能够通过物理、逻辑和/或虚拟通信信道创建、接收或者传输信息的有源电子设备。因此根据本发明，无源分布点例如配线架或者跳线盘不是网络节点。

所述OpenFlow系统中的每个节点都有物理、逻辑和/或虚拟地址，通常每个节点也都有通信端口。此类地址可以是媒体接入控制(Media Access Control，简称MAC)地址，这是分配给网络端口的唯一标识符，用于在物理网段通信。对于大部分IEEE 802网络技术，包括以太网和WiFi在内，MAC地址都是用作网络地址。逻辑上来说，MAC地址都是在OSI参考模型的媒体接入控制协议子层中使用。此类地址也可以是互联网协议(Internet Protocol，简称IP)地址，这是分配给每个参与网络系统且使用互联网协议进行通信的网络节点的数字标签。IP地址有两个主要功能：主机或者网络接口识别和位置寻址。

双向数据连接的每个方向的数据流表项的定义使得所述数据连接的其中一个方向的故障检测独立于另一个方向。如果其中一个数据流不能与所述过期关系中定义的过期规则匹配，例如因为所述第一节点和所述转发元件之间的非响应性连接或者所述第二节点和所述转发元件之间的非响应性连接，则将两个数据流相互关联用于其它动作，不需要其它附加命令或者其它外部元件。

根据第一方面本身或者第一方面的第一种实现形式，在所述系统的第二种实现形式中，所述第一数据流表项中的匹配字段与所述第二数据流表项中的匹配字段不同。

因此，与过期相关的数据流表项的匹配字段可以包括不同的数据表项。在收到针对其中一个与过期相关的数据流表项的数据包时，所述转发元件会通过执行表格查找启动。数据包匹配字段是从所述数据包中提取，并且通常包括各种数据包头字段，例如以太网源地址或IPv4或者IPv6目的地址。除了数据包头，也可以根据入端口和元数据字段进行匹配。

根据第一方面本身或者第一方面的上述任一种实现形式，在所述系统的第三种实现形式中，所述过期关系由所述第一数据流表项和所述第二数据流表项之间的计时器定义。

本发明的计时器优先插入所述转发元件中的数据流表，并且根据所述OpenFlow标准与数据流表项的流过期超时字段(本地计时器)一起设置。因此，该计时器也可以在数据流过期之前定义最大时间量(HARD_TIMEOUT)或者空闲时间(IDLE_TIMEOUT)。因此所定义的数据流表项也用于支持这些本地计时器。

根据第一方面本身或者第一方面的上述任一种实现形式，在所述系统的第四种实现形式中，如果所述过期关系指示过期，则同时删除所述第一数据流表项和所述第二数据流表项。

因此，如果所述转发元件或者控制元件不能匹配其中一个数据流表项，则因为所述过期关系数据流规则两个数据流表项都将自动删除，不需要任何外部元件协助，这降低了系统的复杂性并且改善了双向连接的健康检查。

第一至第四种实现形式中的每一种均示出了用于所述连接的每个方向的第一数据流表项和第二数据流表项之间的过期关系。这些实现形式中需要解决的挑战是预设合适的超时值。如果该超时值太小，该超时值可能适合数据连接建立但是不适合节点侧的慢操作。如果该超时值太大，则可能丧失故障和时延检测的粒度。这个挑战在所述系统的第五种实现形式中解决。

根据第一方面，在所述系统的第五种实现形式中，所述控制元件用于定义至少一个第一组表项和第二组表项之间的过期关系，而不是定义所述第一数据流表项和所述第二数据流表项之间的过期关系。

不是定义代表双向连接的单个数据流表项之间的过期关系，而是定义了数据流的组表项之间的过期关系。

组表项优先在转发元件的组表中定义。所述组表代表网络系统中运行的特殊类型的网络节点，例如作为一种类型网络节点的客户端节点，或者作为另一种类型网络节点的服务器节点。在所述分组中执行所有的桶。该分组也可以用于多播或者广播转发。针对每个桶都有效复制了数据包，并且针对所述分组的每个桶都处理一个数据包。如果桶明确指示数据包输出入端口，则丢弃这个复制的数据包。

数据流表项指向分组的能力使得OpenFlow能够代表附加转发方法，例如在分组中全部选择。因此，现在多个数据流可以与过期相关，并且获得的是数据流的平均时间而不是观察单个数据流。因此，由于特定数据流的时延问题产生的极值可以忽略，并且不用提供对策直到关乎于整个分组。

根据第一方面的第五种实现形式，在所述系统的第六种实现形式中，所述第一组表项和所述第二组表项共享单个计时器。

这使得时间值可以对齐，并且避免了设置不同的计时器值，其中设置不同的计时器值需要观察因而需要附加资源。如果检测到分组计时器过期，计时器过期通知优先从转发元件发送至控制元件。所述控制元件用于识别，采取相应行动，并且执行对策。

根据第一方面的第六种实现形式，在所述系统的第七种实现形式中，所述第一组表项中的数据流匹配使得所述计时器在所述计时器空闲时被触发。

因此，如果计时器的超时值还没有启动，所述系统触发计时器，以观察与特定分组的数据流分别相关的数据连接。

根据第一方面的第七种实现形式，在所述系统的第八种实现形式中，如果已经触发所述计时器，所述第一组表项中的数据流匹配使得所述计时器继续工作。

因此，如果计时器的超时值已经启动，所述系统保持该计时器不变，因为第一数据流匹配已经识别，并且计时器已经触发。

根据第一方面的第六种实现形式至第八种实现形式中的任一种，在所述系统的第九种实现形式中，所述第二组表项中的数据流匹配使得所述计时器被重置。

因此，如果各自相关的数据流在所述转发元件中匹配，没有超过计时器的超时值，并且检测到响应性连接，则停止流过期。

特别地，第六种至第九种实现形式通过预设流过期关系中计时器的最佳超时值解决上述问题。通过定义数据流分组，如果所述分组中特定的数据流遭遇慢操作因而导致数据流过期时，数据流也可以重置计时器。因此，现在可以定义较低粒度的超时值，从而实现更好的故障和时延检测。此类分组定义非常适合虚拟化的生产环境，优选分组中更多数量的数据流表项，即使是位于同一计算节点的数据流也会较好地适合服务链功能之间的LB应用。

本发明的第二方面提供在OpenFlow兼容网络系统中管理数据流的方法，所述方法包括以下步骤：控制元件在所述系统的转发元件中定义第一数据流表项；所述控制元件在所述系统的转发元件中定义第二数据流表项，其中所述第一数据流表项和所述第二数据流表项均代表所述系统的第一节点和第二节点之间的双向数据连接；所述控制元件定义所述第一数据流表项和所述第二数据流表项之间的过期关系。

根据第二方面，在所述方法的第一种实现形式中，所述控制元件用于通过所述转发元件定义代表所述网络系统中第一节点和第二节点之间的双向数据连接的正方向的第一数据流表项，所述控制元件用于通过所述转发元件定义代表所述网络系统中所述第二节点和所述第一节点之间的双向数据连接的反方向的第二数据流表项。

根据第二方面本身或者第二方面的上述任一种实现形式，在所述方法的第二种实现形式中，所述第一数据流表项中的匹配字段与所述第二数据流表项中的匹配字段不同。

根据第二方面本身或者第二方面的上述任一种实现形式，在所述方法的第三种实现形式中，所述过期关系由所述第一数据流表项和所述第二数据流表项之间的计时器定义。

根据第二方面本身或者第二方面的上述任一种实现形式，在所述方法的第四种实现形式中，如果所述过期关系指示过期，则同时删除所述第一数据流表项和所述第二数据流表项。

第二方面提供的方法实现了上文针对第一方面提供的系统所描述的所有优势。

本发明的第三方面提供在OpenFlow兼容网络系统中管理数据流的方法，所述方法包括以下步骤：控制元件在所述系统的转发元件中定义第一组表项；所述控制元件在所述系统的转发元件中定义第二组表项，其中所述第一组表项和所述第二组表项均代表所述系统的第一节点和第二节点之间的双向数据连接；所述控制元件定义所述第一组表项和所述第二组表项之间的过期关系。

根据第三方面，在所述方法的第一种实现形式中，所述第一组表项和所述第二组表项共享单个计时器。

根据第三方面的第一种实现形式，在所述方法的第二种实现形式中，所述第一组表项中的数据流匹配使得所述计时器在所述计时器空闲时被触发。

根据第三方面的第二种实现形式，在所述方法的第三种实现形式中，如果已经触发所述计时器，所述第一组表项中的数据流匹配使得所述计时器继续工作。

根据第三方面的第六种实现形式至第八种实现形式中的任一种，在所述方法的第四种实现形式中，所述第二组表项中的数据流匹配使得所述计时器被重置。

第三方面提供的方法实现了上文针对第一方面提供的系统所描述的所有优势。

本发明的第四方面提供了在计算设备上运行时用于实现第二方面或者第三方面以及其任一种实现形式提供的管理数据流的方法的计算机程序产品。

通过所述计算机程序产品实现上述方法，可以实现其所有优势。

需要说明的是，本申请中描述的所有设备、元件、单元和方法均可以在软件元件、硬件元件或者二者的任意组合中实现。本申请描述的各个实体所执行的所有步骤以及所描述的由各个实体执行的功能旨在说明各个实体用于执行各自步骤和功能。即使在下面特定实施例的描述中，完全由永久性实体执行的特定功能或步骤没有在执行特定步骤或功能的实体的特定细节元件的描述中体现，技术人员也应该了解这些方法和功能可以在各自软件元件、硬件元件或者二者的任意组合中实现。

附图说明

结合所附附图，下面具体实施例的描述将阐述上述本发明的各方面及其实现形式，其中：

图1示出本发明实施例提供的基本系统；

图2示出本发明第一特定实施例提供的系统；

图3示出本发明第二特定实施例提供的系统；

图4示出本发明第一特定实施例提供的方法的流程图；

图5示出本发明第二特定实施例提供的方法的流程图；

图6示出本发明第三特定实施例提供的系统；

图7示出本发明第四特定实施例提供的系统；

图8示出本发明第五特定实施例提供的系统。

具体实施方式

图1示出本发明实施例提供的基本系统100。所述系统100是包括至少一个转发元件101和Openflow兼容控制元件103的Openflow兼容网络系统100。所述转发元件101包括OpenFlow兼容信道接口102。所述控制元件103用于通过所述OpenFlow兼容信道接口102与所述至少一个转发元件101通信。

在所述系统100中，所述控制元件103用于定义第一数据流表项104和第二数据流表项105。这些数据流表项104和105均提供给所述转发元件101。所述第一数据流表项104和所述第二数据流表项105均代表双向数据连接106(图1中未示出)。

所述控制元件103还用于定义所述第一数据流表项104和所述第二数据流表项105之间的流过期关系107。该过期关系107可以视为所述控制元件103定义的新数据流规则，以检测非响应性数据连接并标记属于同一双向连接106的两个数据流表项104和105之间的关系。

所述转发元件101优先用于根据所述控制元件103定义的数据流规则在两个网络节点(未示出)之间路由数据包。

优选地，所述转发元件101是虚拟交换机。所述转发元件101优先包括存储方法，用于存储所述第一数据流表项104、所述第二数据流表项105以及所述过期关系107，所述第一数据流表项104、所述第二数据流表项105以及所述过期关系107最好是查找表中单独的表项。所述流过期关系107最好可以是数据流表项的指示规则。

如果数据流匹配所述转发元件101中的数据流表项104或者105，则检查该数据流是否与所述转发元件101中的其他数据流表项相互关联；一旦检测到此类相关性，则激活相应的流过期机制。

所述系统100使得更接近特定网络节点尤其是客户端节点(图1中未示出)的故障检测具有更好的粒度。不需要附加计算实体，例如中央处理器。本发明构思符合OpenFlow标准，不需要额外适配。本发明的方案在软件和硬件转发设备中都很容易实现。

图2示出本发明第一特定实施例提供的系统100。除了图1示出的基本实施例，图2示出的系统100包括第一节点108和第二节点109。

所述第一节点108和所述第二节点109可以是DCE，例如调制解调器、集线器、桥接器或者交换机，或者更优选地可以是DTE，例如数字电话、打印机或者主计算机，如路由器、工作站或者服务器。

所述第一网络节点108和所述第二网络节点109均用于通过其虚拟通信端口(未示出)交换数据。所述虚拟通信端口是所述系统100中每个网络节点的专用网络连接，其为所述网络节点108、所述网络节点109以及所述网络节点108和109上的应用提供物理通信端口可以提供的所有必要性能、可靠性以及安全性，但是增加了虚拟化的灵活性。不同于物理端口，所述虚拟通信端口是针对每个网络节点108和109的要求定制。每个节点108和109仅限于自身虚拟网络，且具有为匹配节点能力和用户角色而设定的访问权限。也可以通过每个用户的防火墙定制访问权限，保护SDN免于特权升级和内部威胁。

所述第一节点108和所述第二节点109通过虚线所示的双向连接106交换信息和/或数据。所述双向连接106是通过所述转发元件101的物理路由。

如果所述第一节点108初始想要与所述第二节点109通过所述双向连接106交换数据包，所述第一节点108与所述转发元件101建立通信链路106a。由于所述转发元件101不包括针对此类通信连接106的任意数据流表项，因此所述转发元件101通过所述OpenFlow信道102将所述数据包的相关数据或者数据包本身转发至所述控制元件103。然后所述控制元件103从所述数据包中确定源地址和目的地址。所述控制元件103基于该信息定义第一数据流表项104和第二数据流表项105。由于所述连接106的双向特性，所述控制元件103也定义所述第一数据流104和所述第二数据流105之间的流过期关系107。所述第一数据流表项104、所述第二数据流表项105以及所述流过期关系107均通过所述OpenFlow信道102存储于所述转发元件101。可以在数据流表(未示出)的第一数据流表项104或者第二数据流表项105中添加所述过期关系107作为扩展，例如数据流表项104和105的指示集字段中的指示规则。

然后所述第一节点108与所述转发元件101建立代表所述双向连接106的第一方向106a的连接106a。所述转发元件101基于所定义的第一数据流表项104识别其数据流表(未示出)中的数据流匹配，并将所述双向连接106的第一方向106a的数据包转发至所述第二节点109。在根据第一数据流表项104进行数据流匹配的检测时，所述转发元件101也会识别所述转发元件101的所述第一数据流表项104和第二数据流表项105之间的过期相互关系107，并触发所述第二数据流表项105中的流过期事件。

大体上，计时器111是在数据包从所述转发元件101发送至所述第二节点109时启动，以触发所述流过期事件。根据所述OpenFlow标准，本发明的计时器111最好与所述转发元件101中可用的本地计时器HARD_TIMEOUT或者IDLE_TIMEOUT相关。超时值是默认的超时值。因此，该计时器111也可以定义最大时间量(HARD_TIMEOUT)或者空闲时间(IDLE_TIMEOUT)。因此根据所述数据流表项104和105的所述流过期关系107也用于支持这些本地计时器。

所述第二节点109可以与所述转发元件101建立代表所述双向连接106的第二方向106b的连接106b。所述转发元件101基于所定义的第二数据流表项105将所述双向连接106的第二方向106b的数据包转发至所述第一节点108。

如果根据所述流过期事件在超时值过期之前，所述转发元件101没有从所述第二节点109获得数据流量，则所述连接106b视为非响应性连接106b。相应地，所述转发元件101同时删除所述第一数据流表项104和所述第二数据流表项105。

针对所述第一数据流表项104和所述第二数据流表项105之间的所述过期关系107定义合适的超时值可能具有挑战性。如果该超时值太小，则该超时值可能适合数据连接建立但是不适合节点侧的慢操作。如果该超时值太大，则可能丧失故障和时延检测的粒度。

根据图3，图3示出本发明第二特定实施例提供的应对此特定挑战的系统100。不是定义包含预定义的过期关系107的第一数据流表项104和第二数据流表项105，而是第一分组112的数据流和第二分组113的数据流包括所述过期关系107，优选共享的计时器111。

与图2示出的第一特定实施例相反，在图3示出的第二特定实施例中，对数据流104和105的分组112和113进行分组，可以定义与流过期相关的客户端分组或者服务器分组等而不是单个数据流表项104和105。这些分组112和113共享单个计时器111。

通过定义数据流分组112和113，如果所述分组112和113中的特定数据流104和105遭遇慢操作因而导致不必要的数据流过期时，数据流104和105也可以重置计时器111的超时值。因此，现在可以针对所述计时器111定义粒度较低的超时值，从而实现更好的故障和时延检测。这类分组定义非常适合虚拟化的生产环境，优选分组112和113中更多数量的数据流表项104和105，即使是位于同一计算节点的数据流104和105也会较好地适合服务链功能之间的LB应用。

图4示出本发明第一特定实施例提供的用于在OpenFlow兼容网络系统100中管理数据流的方法400。在所述方法400的第一步骤401中，控制元件103在所述系统100的转发元件101中定义第一数据流表项104。在第二步骤402中，所述控制元件103在所述系统100的转发元件101中定义第二数据流表项105。所述第一数据流表项104和所述第二数据流表项105均代表所述系统100的第一节点108和第二节点109之间的双向数据连接106。在第三步骤403中，所述控制元件103定义所述第一数据流表项104和所述第二数据流表项105之间的过期关系107。

图5示出本发明第二实施例提供的用于在OpenFlow兼容网络系统100中管理数据流的方法500。在所述方法500的第一步骤501中，控制元件103在所述系统100的转发元件101中定义第一组表项112。在第二步骤502中，所述控制元件103在所述系统100的转发元件101中定义第二组表项113。所述第一组表项112和所述第二组表项113均代表所述系统100的第一节点108和第二节点109之间的双向数据连接106。在第三步骤503中，所述控制元件103定义所述第一组表项112和所述第二组表项113之间的过期关系107。

图6示出本发明第三特定实施例提供的系统100。第三特定实施例示出所述系统100的第一节点108、第二节点109、转发元件101以及控制元件103之间的示意流程图。通过虚线将初始数据流定义阶段与正常用例阶段分开。

所述虚线上方示出所述系统100的初始化阶段。其中所述第一节点108提供初始数据包至所述第二节点109。因此，所述转发元件101获得包括位于数据包头的源地址和目的地址的数据包。由于所述转发元件101不包括针对此类通信连接106的数据流表项，因此所述转发元件101将所述数据包的相关数据或者所述数据包本身转发至所述控制元件103。然后所述控制元件103从所述数据包中确定源地址和目的地址。所述控制元件103基于所确定的信息执行图4示出的包括定义步骤401、定义步骤402以及定义步骤403的方法。相应地，所定义的第一数据流表项104、第二数据流表项105以及过期关系107均通过所述OpenFlow信道102传输给所述转发元件101，并且均存储于所述转发元件101中。

虚线下方示出所述系统100的正常使用场景。其中所述第一节点108通过所述转发元件101在双向连接106的正方向106a发送数据包至所述第二节点109。由于所述转发元件101包括所述数据流表项104，因此所述转发元件101识别到数据流匹配，并且在所述正方向106a将所述数据包下发给所述第二节点109。所述转发元件101也识别到所述第一数据流表项104和第二数据流表项105之间的流过期关系，因而触发上文所描述的流过期事件。因此，一旦发送数据包至所述第二节点109，所述转发元件101会基于所存储的流过期关系107触发已定义的流过期事件，其中所述流过期关系107基本上是触发包括预定义超时值的计时器111。

所述第二节点109通过所述转发元件101在所述双向数据连接106的反方向106b发送数据包至所述第一节点108。由于所述转发元件101包括所述第二数据流表项105，因此所述转发元件101能够在所述双向连接106的反方向106b将该数据包发送至所述第一节点108。由于所述第二节点109的数据包在所述转发元件101中的所述计时器111的超时值过期之前已经下发完毕，因此没有检测到连接错误。

因此根据第三特定实施例，HA应用可作为用例适用。在初始化阶段，所述第一节点108试图通过在所述双向连接106的正方向106a发送数据包连接某个虚拟网络节点109。所述控制元件103针对所述正方向106a定义第一数据流表项104，以匹配提供的虚拟IP，并将虚拟IP变更为所述第二节点109的目的IP。所述控制元件103还定义所述双向连接106的反方向106b，并且将所述流过期关系107同时定义为所述第一数据流表项104和所述第二数据流表项105的数据流表项扩展。

在初始化阶段之后：所述第一节点106发送流量至所述虚拟IP，匹配了所述第一数据流表项104，然后将所述流量路由至所述第二节点109的目的IP。因为所述第一数据流104和所述第二数据流105之间的流过期关系107，所述第二数据流105触发老化计时器111。由于所述第二节点109在超时之前作出响应，因此没有检测到连接故障。

本发明构思在不需要附加外部元件和附加计算资源的情况下允许故障检测具有更好的粒度。此构思通过软件或者硬件很容易实现。其实现了数据流表项104和105之间的支持状态和关系。

图7示出本发明第四特定实施例提供的系统100。第四特定实施例示出所述系统100的第一节点108、第二节点109、转发元件101以及控制元件103之间的示意流程图。通过虚线将初始数据流定义阶段与使用阶段分开。

虚线上方示出所述系统100的初始化阶段，该初始化阶段基本等同于图6示出的初始化阶段，唯一区别在于所述控制元件103执行图5示出的方法，因此在方法步骤501、502以及503中定义第一组表项112、第二组表项113以及作为过期关系107的超时值111，并将所述第一组表项112、第二组表项113以及超时值111分别存入所述转发元件101。需要说明的是图4示出的方法400也适用，因而也可以执行方法步骤401、402以及403。

所述组表项112和113将属于网络节点组的多个数据流104和105进行分组，例如客户端或者服务器，尤其是虚拟机的形式。

虚线下方示出所述第二节点109的异常行为。其中，在数据流匹配第二组表项113之前，所述计时器111的超时值过期，因此检测到非响应性连接。因此从转发元件中删除所述第一组表项112和所述第二组表项113(通过交叉引用112和113示出)。然后，将所述流过期事件上报给所述控制元件111(虚线箭头)，或者由于所述控制元件103已经定义了所述过期关系107和所述计时器111的预设超时值，因此所述控制元件103已经了解有关超时的情况。一旦检测到流过期(自己检测或者所述转发元件101上报)，所述控制元件再次执行图5中所描述的方法500中的定义步骤501、502以及503，并且将与超时值111’相关的新的组表项112’和113’分别存储在所述转发元件101中。需要再次说明的是图4示出的方法400也适用，因而也可以执行方法步骤401、402以及403。

下次再有数据流量到达所述转发元件101并且匹配新的第一组表项112’时，该数据流量被定向到另一个第二节点109a而不是第二节点109，并且通常是通过触发新的计时器111’来触发新的流过期事件。因此只利用所述转发元件101的连接细节就可以实现HA，不需要外部健康检查例程。需要说明的是共享计时器111和111’的超时值可能不同。

图8示出本发明第四特定实施例提供的系统100。在初始化阶段，第一组表项112、第二组表项113以及超时值111均通过图5示出的方法定义。需要说明的是图4示出的方法400也适用，因而也可以执行步骤401、402以及403，并且获得第一数据流表项104和第二数据流表项105。与图7相反，在初始化阶段，新的第一组表项112’、新的第二组表项113’以及新的超时值111’均通过图5示出的方法定义(如果采用的是图4示出的方法400，则分别是第一数据流表项104’和第二数据流表项105’)。不同组表项112和113以及112’和113’可以根据所述转发元件101中的优先级列表使用。

相应地，到所述第二节点109的数据路径和到另一个第二节点109a的数据路径都已经在所述转发元件101中定义，并且可以在计时器111或者111’各自的超时值过期的情况下应用。因此如果在初始化阶段配置了两个选项，则回退可以更快。如果各自的流均已过期，则将流删除。所述控制元件103可以以低优先级重新配置已删除的流。从而尽量缩短系统的停机时间。HA应用只利用所述系统的本地状态，不需要其它外部元件用于健康检查业务等。

在另一用例中，利用本发明构思可以实现LB应用。利用所提出的扩展，可以根据节点的响应时延在第二节点109和109a例如服务器节点中定义分布式LB。不需要外部应用来执行所述LB应用。为实现所述LB应用，集群池中许多具有合适优先级的数据流表项104和105均在所述转发元件101中定义。超时时长根据应该实现的每个节点109和109a的时延设置。第一节点108例如连接至所述第二节点109和109a的客户端越多，各自时延降低越快，直到预设计时器111的超时值过期。然后将所述第一节点108例如客户端节点定向到集群中的另一个第二节点109a，而所述控制元件103再次更新具有不同优先级的已过期的流。因此，基于本地测量的响应时间实现了动态LB。

综上，通过提出的系统100、方法400以及方法500，本发明提供了用于检测非响应性连接的OpenFlow扩展机制，并且在检测到流过期时从所述转发元件101删除合适的流。从而使得更接近各自节点108和109尤其是更接近所述系统100的客户端节点的故障检测具有更好的粒度。不需要附加计算资源，例如外部CPU。该方案遵从OpenFlow标准并且能够容易插入转发元件101。

不需要其它外部设备或者元件，就可以处理不同的用例例如HA或者LB。尤其是健康检查可以通过本发明的流过期扩展在内部获得。也可以获得OpenFlow控制元件103之间的智能分布。此外实现了具有合适的故障检测和时延问题的分布式LB。

已经结合作为实例的不同实施例以及实施方案描述了本发明。但是本领域技术人员通过实践所申请发明并且研究附图以及公开且独立的权利要求书能够理解并获得其他变体。在权利要求以及说明书中，术语“包括”不排除其他元件或步骤，并且“一个”并不排除复数可能。单个元件或其它单元可满足权利要求书中所叙述的若干实体或项目的功能。仅凭某些措施记载于相互不同的从属权利要求书中这个单纯的事实并不意味着这些措施的结合不能在有利的实现方式中使用。

Claims (15)

1.一种OpenFlow兼容网络系统(100)，其特征在于，包括：

至少一个包括OpenFlow兼容信道接口(102)的转发元件(101)；

用于通过所述OpenFlow兼容信道接口(102)与所述至少一个转发元件(101)通信的OpenFlow兼容控制元件(103)；

其中所述控制元件(103)用于在所述转发元件(101)中定义第一数据流表项(104)和第二数据流表项(105)；

所述第一数据流表项(104)和所述第二数据流表项(105)均代表双向数据连接(106)；

所述控制元件(103)还用于定义所述第一数据流表项(104)和所述第二数据流表项(105)之间的过期关系(107)。

2.根据权利要求1所述的系统(100)，其特征在于，

所述控制元件(103)用于通过所述转发元件(101)定义用于代表所述网络系统(100)中的第一节点(108)和第二节点(109)之间的双向数据连接(106)的正方向(106a)的所述第一数据流表项(104)；

所述控制元件(103)用于通过所述转发元件(101)定义用于代表所述网络系统(100)中的所述第二节点(109)和所述第一节点(108)之间的双向数据连接(106)的反方向(106b)的所述第二数据流表项(105)。

3.根据上述权利要求任一项所述的系统(100)，其特征在于，

所述第一数据流表项(104)中的匹配字段(110a)与所述第二数据流表项(104)中的匹配字段(110b)不同。

4.根据上述权利要求任一项所述的系统(100)，其特征在于，

由所述第一数据流表项(104)和所述第二数据流表项(105)之间的计时器(111)定义所述过期关系(107)。

5.根据权利要求4所述的系统(100)，其特征在于，

在识别到所述第一数据流条目(104)和所述第二数据流条目(105)之间的数据流匹配时，触发所述计时器(111)。

6.根据上述权利要求任一项所述的系统(100)，其特征在于，

如果所述过期关系(107)指示过期，则同时删除所述第一数据流表项(104)和所述第二数据流表项(105)。

7.根据权利要求1所述的系统(100)，其特征在于，

所述控制元件(103)用于定义至少一个第一组表项(112)和第二组表项(113)之间的过期关系(107)，而不是定义所述第一数据流表项(104)和所述第二数据流表项(105)之间的过期关系(107)。

8.根据权利要求7所述的系统(100)，其特征在于，

所述第一组表项(112)和所述第二组表项(113)共享单个计时器(111)。

9.根据权利要求8所述的系统(100)，其特征在于，

所述第一组表项(112)中的数据流匹配使得所述计时器(111)在所述计时器(111)空闲时被触发。

10.根据权利要求9所述的系统(100)，其特征在于，

如果已经触发所述计时器(111)，所述第一组表项(112)中的数据流匹配使得所述计时器(111)继续工作。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的系统(100)，其特征在于，

所述第二组表项(113)中的数据流匹配使得所述计时器(111)被重置。

12.一种用于在OpenFlow兼容网络系统(100)中管理数据流的方法(400)，其特征在于，所述方法(400)包括以下步骤：

控制元件(103)在所述系统(100)的转发元件(103)中定义(401)第一数据流表项(104)；

所述控制元件(103)在所述系统(100)的转发元件(101)中定义(402)第二数据流表项(105)，其中所述第一数据流表项(104)和所述第二数据流表项(105)均代表所述系统(100)的第一节点(108)和第二节点(109)之间的双向数据连接(106)；

所述控制元件(103)定义(403)所述第一数据流表项(104)和所述第二数据流表项(105)之间的过期关系(107)。

13.一种用于在OpenFlow兼容网络系统(100)中管理数据流的方法(500)，其特征在于，所述方法(400)包括以下步骤：

控制元件(103)在所述系统(100)的转发元件(103)中定义(501)第一组表项(112)；

所述控制元件(103)在所述系统(100)的转发元件(101)中定义(502)第二组表项(113)，其中所述第一组表项(112)和所述第二组表项(113)均代表所述系统(100)的第一节点(108)和第二节点(109)之间的双向数据连接(106)；

所述控制元件(103)定义(503)所述第一组表项(112)和所述第二组表项(113)之间的过期关系(107)。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，

所述第一组表项(112)和所述第二组表项(113)共享单个计时器(111)。

15.一种在计算设备上运行时用于实现权利要求12至14任一项所述的管理数据流的方法的计算机程序产品。