CN108429686B - 一种基于规则拓扑结构网络的路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于规则拓扑结构网络的路由方法，根据节点在规则拓扑结构网络中的位置和作用对节点进行分类，并按照设定规则对各类节点进行编址；使用Device关键字定义各类节点地址中的设备类型，得到设备类型成组的节点集合；根据所述节点集合定义某一组网络节点与另一组网络节点之间距离的公式；基于距离公式对报文进行路由转发。本发明可以适用于各种具有规则拓扑的网络，应用于路由器或具有路由功能的交换机上面，该路由方法利用网络拓扑结构的规则性，提高路由方法的效率，降低路由设备和组网成本。

Description

一种基于规则拓扑结构网络的路由方法

技术领域

本发明涉及一种路由方法，尤其涉及一种具备规则拓扑结构网络的通用路由方法。

背景技术

数据中心是企业各种应用服务的提供中心，是数据运算、交换和存储的中心。它结合了先进的网络技术和存储技术，承载了网络中80％以上的服务请求和数据存储量，为客户业务体系的健康运转提供服务和运行平台。

随着数据中心规模的日益扩大，现有的树形网络拓扑架在网络核心层不可避免的会出现带宽瓶颈问题，导致网络在传输延迟、传输效率等方面整体性能的下降。为了解决网络核心层带宽通信瓶颈问题，目前已提出了多种新的网络拓扑结构，比如胖树结构Fat-tree、多分支胖树网络拓扑结构、交换式矩阵网络结构MatrixDCN和网络结构BCube等，并针对这些网络结构提出了不同的路由。

将来的大型数据中心会由多个异构网络组成，每个网络可以采用不同的网络结构，多种网络结构共存在一个数据中心里。考虑到经济性，网络中的每个路由器最好可以支持各种网络架构和路由协议，就像现在的路由器可以支持RIP(Routing InformationProtocol，路由信息协议)、OSPF(Open Shortest Path First，开放式最短路径优先)等多种路由协议一样。由于上述网络架构及其路由方法之间的差异非常大，这些路由方法之间的兼容性很差，因此同时支持这些路由方法需要大量的开发工作。另外，这些路由方法在处理网络故障方面都比较复杂，效率相对较低。

发明内容

本发明提出的路由方法利用网络拓扑结构的规则性，提高路由方法的效率，降低路由设备和组网成本。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

本发明提供了一种基于规则拓扑结构网络的路由方法，具体如下：

将规则拓扑结构网络中的节点分类，并按照设定规则对各类节点进行编址；

定义各类节点地址中的设备类型，得到设备类型成组的节点集合；

根据所述节点集合定义某一组网络节点与另一组网络节点之间距离的公式；

基于所述公式计算最短路由路径，通过最短路由路径对报文进行路由转发。

进一步地，根据节点在规则拓扑结构网络中的位置和作用对节点进行分类，并按照设定规则对各类节点进行编址。

进一步地，使用Device关键字定义各类节点地址中的设备类型，用于表示一组相同属性的设备集合，设备的属性包括设备类型的名称、该类型设备的基础IP地址和自定义设备属性。

进一步地，任意一组类型的设备的IP地址满足如下关系：

IP&～(mask_1|mask_2|…|mask_n)＝＝ip_addr

且

属性ak∈[range_k]，ak＝IP&mask_k

其中，mask表示地址掩码，ip_addr表示基础IP地址，range表示设备属性的取值范围。

进一步地，距离公式由源设备、目的设备、设定条件和距离四元组构成，其含义为：当所述源设备到目的设备满足所述条件时，所述源设备到所述目的设备的距离值为所述距离。

进一步地，路由器获得规则拓扑结构网络中的路由公式表，根据所述路由公式表中的距离公式计算最短路由路径，将所述最短路由路径存入路由条目表。

进一步地，路由转发过程如下，

查询所述路由条目表里是否有到目的地址的路由路径，若有，则根据该路由路径转发报文；若没有，则根据距离公式，计算出到目的节点最短路径的邻居节点作为下一跳节点；

若存在距离相同的到目的节点最短路径的邻居节点，则根据负载均衡策略选择一个节点作为下一跳节点；

把最终选择的最短路径加入到路由条目表中，并通过该最短路径将报文送给下一跳节点。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明针对具有规则拓扑结构的网络提出一种路由方法，称为规则网络路由方法。规则网络路由方法可以适用于各种具有规则拓扑的网络，应用于路由器或具有路由功能的交换机上面。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，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基于所述路由方法的路由转发流程图；

图2为本发明实施例提供的由四个端口交换机组成的胖树网络示意图；

图3为本发明实施例提供的基于所述路由方法的SDN网络结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

规则网络拓扑是指网络中节点的标识、编址以及节点之间的连接关系具有规律性，可以按照统一的方式进行描述的一种网络拓扑结构。本发明根据节点处于网络中的位置对节点进行分类，并按照一定的编址规则进行统一编址。在此基础上，把网络拓扑结构表述为多种类型的节点集合，和一组描述不同类型节点之间距离的公式。距离公式定义了网络中任意两点之间的距离。距离可以简单表示为两个节点之间的跳数，也可以是考虑链路带宽、时延等的综合开销。

基于地址的节点类型表示

本发明根据节点在网络中的位置和作用对节点进行分类，比如接入交换机、汇聚交换机、核心交换机和服务器等，并按照一定的规则为各类节点进行编址。节点地址里隐含了该设备的类型，以及节点在网络中的位置。

在本发明中，使用Device关键字定义设备类型，用来表示一组相同属性的设备集合。设备属性包括设备类型名称，该类型设备的基础IP地址和自定义设备属性。基础IP地址用来描述该类型设备的IP地址的共同特征；自定义设备属性是指为了便于区分相同类型的不同设备，本发明根据规则网络拓扑的规律性，对设备赋予的一些逻辑属性。这些逻辑属性通过掩码与设备的IP地址的某几位对应起来，往往拥有一定的实际意义，比如Fat-tree中可以用来指定设备所在的Pod。

本发明按照如下方式定义设备类型：

在上述代码中，关键字Device后面的dev_type是设备类型的名字，Addr关键字后面的是基础IP地址，a1,a2,…,an是自定义属性，自定义属性的取值范围range和地址掩码mask。

对于设备类型为dev_type的设备，其IP地址满足如下关系：

IP&～(mask_1|mask_2|…|mask_n)＝＝ip_addr

并且，属性ak∈[range_k]，ak＝IP&mask_k

其中，mask表示地址掩码，ip_addr表示基础IP地址，range表示设备属性的取值范围；&操作符表示按位与运算；～操作符表示按位取反运算；|操作符表示按位或操作；＝＝操作符表示相等关系；∈表示属于关系；＝操作符表示赋值操作。

按照上述方式，可以通过如下方式定义Fat-tree拓扑结构中的边缘交换机：

上述定义表明，IP地址格式为0x0Axxyy01形式，且xx位置的数字取值为[1..4]、yy位置的数字取值范围为[1..2]的设备属于边缘交换机。xx的取值为设备所在Pod的编号，yy的取值为设备在Pod里的ID。

距离公式

在本发明中，基于节点类型成组的定义某一组网络节点和另一组网络节点之间的距离。距离公式采用四元组来进行表述，如下所示：

<src_type,dst_type,condition,distance>

上式含义为:当源地址类型为src_type，目的地址类型为dst_type，且源地址和目的地址满足condition的条件时，则源地址和目的地址之间的距离为distance。condition是一个针对源地址和目的地址的关系或逻辑运算表达式。

本发明采用Distance关键词定义距离公式，具体格式如下：

和四元组表示法相对应，上述公式的含义为：类型为src_type的设备src和类型为dst_tpye的设备dest在满足condition_1时，二者距离为d1，在满足condition_2时，二者距离为d2，…，在满足condition_k时，二者距离为dk。

按照上述方式，可以通过如下方式定义Fat-tree拓扑结构中的边缘交换机和服务器之间的距离：

算法：根据距离公式表计算设备之间的距离

输入参数：源IP地址，目的IP地址，设备类型表，距离公式表

输出：源和目的节点之间的距离

Begin

1)遍历设备类型表，利用公式IP&～(mask_1|mask_2|…|mask_n)计算出源IP地址对应的设备类型src_type和目的IP地址对应的设备类型dest_type。

2)遍历距离公式表，根据src_type和dest_type，找出对应的距离公式matched_distance。

3)逐个匹配matched_distance的条件列表，算出源IP地址和目的IP地址之间的距离值。

End

交换机工作过程

1、初始化阶段

交换机开始工作时，通过人工配置或者向中心控制器节点获取的方式，获得整个网络的距离公式表。

2、路由转发过程

交换机收到需要转发的报文时，处理过程如图1所示：

1)查询路由表，如果在路由表里有到目的地址的路由条目，则根据该路由条目转发报文。

2)如果没有相应的缓存路由，则根据距离公式，计算出到目的节点最近的邻居节点作为下一跳节点。如果存在距离相同的最短路径邻居节点，则根据一定的负载均衡策略选择一个节点作为下一跳节点。

3)把相应的路由路径加入到路由表当中。

4)把报文发送给下一跳节点。

其他路由策略

在网络出现故障或者处于安全等因素考虑，需要改变基于距离公式计算出来的路由。本发明采用基于优先级控制的策略实现上述目标。在本发明中，故障处理模块或者管理者人工定义的路由优先级设定高于基于距离公式计算出来的路由。在转发报文时，在存在多个匹配路由的情况下，按照高优先级的路由进行转发报文。

实施例一

本实施例所提出的路由方法适用于任何具有规则拓扑结构的数据中心网络。在本实施例中以一种新型数据中心网络结构—胖树结构(Fat-tree)为例说明如何应用本发明所述的路由方法。具体如下：

胖树采用具有路由功能的第三层交换机(简称交换机)进行组网，该网络结构共分4层，最顶层为核心层，第二层为汇聚层，第三层边缘层，最底层是服务器层。胖树结构中，一组k/2个聚合层交换机和一组k/2个边缘层交换机构成一个独立的Pod组块，网络中总共有k个Pod。每个Pod中，聚合层与边缘层的交换机两两互连，每个边缘层交换机的剩余k/2个端口用来连接k/2台服务器，每个聚合层交换机的剩余k/2个端口依次连接k/2台核心层交换机，共k2/4台。如图2所示，给出了k＝4时的胖树结构示意图。

在胖树结构中，本实施采用如下编址方案为每个交换机和服务器分配一个IP地址，即网络地址：

△汇聚交换机的IP地址设置为：10.pod.0.id。其中pod为所在pod的编号，从左到右分别为1到N。id为汇聚交换机在pod中的编号，从左到右分别为1到N/2。

△边缘交换机的IP地址设置为：10.pod.id.1。其中pod同样为所在pod的编号，id为边缘交换机在pod中的编号，从左到右分别为1到N/2。

△核心交换机的IP地址设置为：10.0.i.j。i和j表示该交换机是第j个用来连接每个pod中第i个汇聚交换机的核心交换机，i和j取值范围均为1到N/2。

△服务器的IP地址设置为：10.pod.switch.id。pod为该服务器所在pod的编号，switch为该服务器所连接的边缘交换机的编号，同一个边缘交换机下的服务器组成一个子网，id表示该服务器在所在子网中的编号，取值从2到N/2+1。

基于上述编址规则，定义各种类型的设备，具体如下：

1)边缘交换机的定义

2)汇聚交换机的定义

3)核心交换机的定义

4)服务器的定义

定义距离公式

1)边缘交换机到服务器的距离公式

2)汇聚交换机到服务器的距离公式

3)核心交换机到服务器的距离公式

Distance Core:core<->Server:server{

Condition:true,Value:3

}

省略其他不同类型设备之间的距离公式。

路由过程

本实施例基于软件定义网络的Openflow技术实现规则网络拓扑的路由。网络由一个或多个SDN控制器controller和一些SDN交换机组成。SDN网络结构示意图如图3所示，控制器负责拓扑和路由计算等控制层面的工作，把路由计算结果通过流表的形式下发到各个交换机上面。交换机负责数据转发工作，根据控制器下发的流表对报文进行转发。

在目前的SDN网络中，由于控制器负责计算全网的路由，并需要和各个交换机进行交互，处理交换机的路由查询和流表下发工作，容易成为整个网络的瓶颈节点。本实施例通过下发距离公式实现交换机的基本自主路由，大量减少交换机的路由查询和流表下发工作，从而很大程度上减少控制器的负担。

获取距离公式

SDN交换机启动后，向Controller主动请求距离公式。Controller响应请求，把全网的距离公式下发给交换机。

交换机计算流表

根据距离公式计算路由的如下：

1、首先根据距离公式，计算当前节点到目的节点的最短距离d。

2、然后根据距离公式，计算邻居节点到目的的距离，选择一个距离为d-1的邻居作为下一跳，构建流表。如果存在多条等价路径，可以采用负载均衡策略选择一条路径。

控制器下发流表

在本实施例中，一种情况，控制器出于管理的目的下发流表到交换机；另外一种情况，当网络中的节点或链路坏掉了，网络拓扑发生了改变，控制器需要下发流表，通知交换机经过正确的路径转发报文；

上述两种情况，控制器都会主动下发流表给某些交换机。本实施例规定，控制器下发的流表优先级高于交换机根据距离公式自己计算出来的流表。

转发报文

交换机接收到一个报文后，首先查询流表，如果没有匹配的流表，则根据距离公式计算路由，并生成流表，然后转发。

实施例二

本实施例提供一种基于规则拓扑结构网络的路由方法，具体如下：

将规则拓扑结构网络中的节点分类，并按照设定规则对各类节点进行编址；

定义各类节点地址中的设备类型，得到设备类型成组的节点集合；

根据所述节点集合定义某一组网络节点与另一组网络节点之间距离的公式；

基于所述公式计算最短路由路径，通过最短路由路径对报文进行路由转发。

在本实施例中，负责制定路由规则的网络管理人员根据节点在规则拓扑结构网络中的位置和作用对节点进行分类，并按照设定规则对各类节点进行编址。

由网管人员根据实际情况进行分类，并采用本发明中的语法规范定义对应的设备类型。编址规则通过Device关键字定义在设备类型中。

在本实施例中，使用Device关键字定义各类节点地址中的设备类型，用于表示一组相同属性的设备集合，设备的属性包括设备类型的名称、该类型设备的基础IP地址和自定义设备属性。

在本实施例中，某组类型的设备的IP地址满足如下关系：

IP&～(mask_1|mask_2|…|mask_n)＝＝ip_addr

且

属性ak∈[range_k]，ak＝IP&mask_k

其中，mask表示地址掩码，ip_addr表示基础IP地址，range表示设备属性的取值范围。

在本实施例中，距离公式由源设备、目的设备、设定条件和距离四元组构成，其含义为：当所述源设备到目的设备满足所述条件时，所述源设备到所述目的设备的距离值为所述距离。所述条件是关于源设备地址和目的设备地址的关系或逻辑运算表达式。

在本实施例中，路由器获得规则拓扑结构网络中的路由公式表，根据所述路由公式表中的距离公式计算最短路由路径，将所述最短路由路径存入路由条目表。

在本实施例中，路由转发过程如下，

查询所述路由条目表里是否有到目的地址的路由路径，若有，则根据该路由路径转发报文；若没有，则根据距离公式，计算出到目的节点最短路径的邻居节点作为下一跳节点；

若存在距离相同的到目的节点最短路径的邻居节点，则根据负载均衡策略选择一个节点作为下一跳节点；

把最终选择的最短路径加入到路由条目表中，并通过该最短路径将报文送给下一跳节点。

综上所述，本发明针对具有规则拓扑结构的网络提出一种路由方法，称为规则网络路由方法。规则网络路由可以适用于各种具有规则拓扑的网络，应用于路由器或具有路由功能的交换机上面。该路由方法利用网络拓扑结构的规则性，提高路由方法的效率，降低路由设备和组网成本。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于规则拓扑结构网络的路由方法，其特征在于，

将规则拓扑结构网络中的节点分类，并按照设定规则对各类节点进行编址；

定义各类节点地址中的设备类型，得到设备类型成组的节点集合；

根据所述节点集合定义某一组网络节点与另一组网络节点之间距离的公式；

基于所述公式计算最短路由路径，通过最短路由路径对报文进行路由转发。

2.根据权利要求1所述的路由方法，其特征在于，根据节点在规则拓扑结构网络中的位置和作用对节点进行分类，并按照设定规则对各类节点进行编址。

3.根据权利要求1所述的路由方法，其特征在于，定义各类节点地址中的设备类型，用于表示一组相同属性的设备集合，设备的属性包括设备类型的名称、该类型设备的基础IP地址和自定义设备属性。

4.根据权利要求1所述的路由方法，其特征在于，

某组类型的设备的IP地址满足如下关系：

IP&～(mask_1|mask_2|…|mask_n)＝＝ip_addr

且

属性ak∈[range_k]，ak＝IP&mask_k

其中，mask表示地址掩码，ip_addr表示基础IP地址，range表示设备属性的取值范围；

mask_1，mask_2,…,mask_n，表示一组地址掩码；range_k表示设备的第k个属性的取值范围，mask_k表示第k个地址掩码。

5.根据权利要求1所述的路由方法，其特征在于，

距离公式由源设备、目的设备、设定条件和距离四元组构成，其含义为：当所述源设备到目的设备满足所述条件时，所述源设备到所述目的设备的距离值为所述距离。

6.根据权利要求1所述的路由方法，其特征在于，

路由器获得规则拓扑结构网络中的路由公式表，根据所述路由公式表中的距离公式计算最短路由路径，将所述最短路由路径存入路由条目表中。

7.根据权利要求6所述的路由方法，其特征在于，路由转发过程如下，

查询所述路由条目表里是否有到目的地址的路由路径，若有，则根据该路由路径转发报文；若没有，则根据距离公式，计算出到目的节点最短路径的邻居节点作为下一跳节点；

若存在距离相同的到目的节点最短路径的邻居节点，则根据负载均衡策略选择一个节点作为下一跳节点；

把最终选择的最短路径加入到路由条目表中，并通过该最短路径将报文送给下一跳节点。

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