CN108989218B - 一种基于网络融合架构的数据转发装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于网络融合架构的数据转发装置及方法。该方法通过对接收到的DTN报文净负荷中的数据报文构建相应的探测报文插入至软交换单元的输入端口中，该探测报文的TTL设定为1。由此，通过检测探测报文是否能够被软交换单元所处理，判断该数据报文是否存在相应的即时路由。当数据报文不存在即时路由时，通过DTN模块发送，否则直接通过路由模块发送。本发明对于现有的模块修改工作量小，并且不会对网络带来额外的负荷。

Description

一种基于网络融合架构的数据转发装置及方法

技术领域

本发明涉及延迟容忍网络和软件定义网络。

背景技术

延迟容忍网络（DTN，Delay Tolerant Network）是当前研究较多的网络类型之一，这类网络具有容忍延迟，在网络并不连通的情况下，仍然能够转发数据，实现端到端数据通信的能力，因此在卫星组网、传感器网络、战场通信等应用领域受到重视。然而，延迟容忍网络现有的框架大多与标准的TCP/IP路由协议栈并不兼容，而采用一套独立的基于束(Bundle)的转发系统。从而导致一个系统要么采用延迟容忍架构，要么采用常规路由转发架构，两者无法兼容。

而在某些特定场景下，例如无人机组网场景中，很多情况下，用户希望在有路由时采用常规协议栈转发，而在没有路由，网络不具备端到端连通链路时采用DTN协议框架转发，这样在既保证实施性的情况下，又尽可能地提高端到端分组交付率。然而目前尚没有很好的解决办法。

借助软件定义网络（SDN, Software Defined Network）可实现延迟容忍网络和常规网络，2017年10月IEEE communications magazine公开的文献《Combining Software-defined and Delay-Tolerant Approaches in Last mile Tactical Edge Networking》提出了用软件定义网络（SDN，Software Defined Network）和延迟容忍结合的思想。该文献所记载的方案采用相对区域中心的SDN架构，需要在战术节点之间竞选出一个SDN控制器，但并未涉及SDN控制器和DTN之间如何交互的问题。同时，它也是一个局部集中式解决方案，并不是一个分布式解决方案。

发明内容

本发明所要解决的问题：延迟容忍网络和常规协议栈通过SDN实现相互融合的问题。

为解决上述问题，本发明采用的方案如下：

根据本发明的一种基于网络融合架构的数据转发装置，包括控制器单元、路由模块、软交换单元、延迟容忍模块以及报文检测分析模块；

所述软交换单元用于接收待转发的数据报文，然后根据数据报文中的目的地址查找所述流表，当流表中能够找到相应目的地址所对应的流表数据时，通过所述路由模块向对应目的地址发送所述数据报文；当流表中未能找到相应目的地址所对应的流表数据时，将所述数据报文通过所述控制器单元提交至所述报文检测分析模块；所述流表由流表数据所组成；所述流表数据包括路由信息；

所述报文检测分析模块用于：

当接收到的数据报文为DTN报文时，提取DTN报文净负荷中的数据报文，根据所提取的数据报文构建探测报文，并将所提取的数据报文存入探测缓冲器，同时将所生成的探测报文插入所述软交换单元的输入端口；所构建的探测报文的目的地址为所提取的数据报文的目的地址；所构建的探测报文的TTL为1；

当接收到的数据报文为探测报文时，将探测缓冲器中的数据报文提交给所述延迟容忍模块，由所述延迟容忍模块构建DTN数据报文进行发送；

当超过限定的时间内未接收到探测缓冲器中的数据报文所对应的探测报文时，将探测缓冲器中的数据报文插入所述软交换单元的输入端口；

当接收到的数据报文为非DTN报文，且不为探测报文时，将该数据报文提交给所述延迟容忍模块，由所述延迟容忍模块构建DTN数据报文进行发送。

进一步，根据本发明的基于网络融合架构的数据转发装置，所述报文检测分析模块为所述延迟容忍模块的子模块。

进一步，根据本发明的基于网络融合架构的数据转发装置，所述报文检测分析模块为所述控制器单元的子模块。

进一步，根据本发明的基于网络融合架构的数据转发装置，所述控制器单元、路由管理模块、软交换单元和延迟容忍模块位于不同主机。

进一步，根据本发明的基于网络融合架构的数据转发装置，所述路由模块还包括路由管理模块；所述控制器单元还包括流表设置模块；所述软交换单元还包括流表配置模块；所述路由管理模块用于发现和管理相应子网的路由，并将相应的路由信息发送至所述控制器单元；所述路由接收模块用于接收所述路由管理模块发送的路由信息，并将所述路由管理模块所发送的路由信息生成流表设置指令，然后将所述流表设置指令发送至所述软交换单元；所述流表设置指令包含路由信息；所述流表配置模块用于根据控制器单元所发的流表设置指令生成流表和相应的流表数据。

根据本发明的一种基于网络融合架构的数据转发方法，该方法对于那些在软交换单元中找不到目的地址所对应的流表数据的数据报文按以下进行处理：

当数据报文为DTN报文时，提取DTN报文净负荷中的数据报文，根据所提取的数据报文构建探测报文，并将所提取的数据报文存入探测缓冲器，同时将所生成的探测报文插入软交换单元的输入端口；所构建的探测报文的目的地址为所提取的数据报文的目的地址；所构建的探测报文的TTL为1；

当数据报文为探测报文时，将探测缓冲器中的数据报文提交给延迟容忍模块，由延迟容忍模块构建DTN数据报文进行发送；

当数据报文为非DTN报文，且不为探测报文时，将该数据报文提交给延迟容忍模块，由延迟容忍模块构建DTN数据报文进行发送；

当超过限定的时间内未接收到探测缓冲器中的数据报文所对应的探测报文时，将探测缓冲器中的数据报文插入所述软交换单元的输入端口。

本发明的技术效果如下：本发明路由模块、DTN模块与控制器模块的交互实现中继节点的DTN与路由转发模式的切换，当不存在路由时采用延迟容忍网络转发分组，存在路由时通过路由转发。本发明对于现有的模块修改工作量小，并且不会对网络带来额外的负荷。

附图说明

图1是本发明数据转发装置实施例的结构示意图。

图2是报文分析检测模块执行的步骤。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，一种基于网络融合架构的数据转发装置，包括控制器单元1、路由模块3、软交换单元2、延迟容忍模块4以及报文检测分析模块5。其中，控制器单元1包括流表设置模块11和数据处理模块12；路由模块3包括路由管理模块31和数据发送模块32；软交换单元2包括流表配置模块21和数据转发模块22。控制器单元1、路由模块3、软交换单元2、延迟容忍模块4和报文检测分析模块5之间可以采用分布式架构，也可以采用集中式架构。在分布式架构中，控制器单元1、路由模块3、软交换单元2和延迟容忍模块4通常位于不同的主机。本实施例中，报文检测分析模块5是位于控制器单元1和延迟容忍模块4之间的模块。在实际布局时，报文检测分析模块5可以作为延迟容忍模块4子模块，也可以作为控制器单元1的子模块。当报文检测分析模块5是控制器单元1的子模块时，报文检测分析模块5可以与数据处理模块12合二为一。

路由管理模块31用于发现和管理相应子网的路由，并将相应的路由信息发送至控制器单元1中的流表设置模块11。流表设置模块11用于接收路由模块3中的路由管理模块31所发送的路由信息，并将路由管理模块31所发送的路由信息生成流表设置指令，然后将流表设置指令发送至软交换单元2中的流表配置模块21。流表配置模块21用于根据控制器单元1中的流表设置模块11所发的流表设置指令生成流表和相应的流表数据。流表由流表数据所组成。流表数据包括路由信息。路由信息分为可达的路由和不可达的路由。数据转发模块22用于接收待转发的数据报文，然后根据数据报文中的目的地址查找流表，当流表中能够找到相应目的地址所对应的流表数据时，通过路由模块3的数据发送模块32向对应的网络发送数据报文。当流表中找不到相应目的地址所对应的流表数据时，将数据报文提交至控制器单元1的数据处理模块12。控制器单元1的数据处理模块12将数据报文转交给报文检测分析模块5。

上述模块间的结构关系涉及两个过程：流表构建过程和数据报文转发过程。流表构建过程的步骤如下：

第一步，路由管理模块31独立运行自身的路由和组网协议，确定目的子网或目的地址的路由。

第二步，路由管理模块31将所确定的目的子网或目的地址的路由，告知或发送给控制器单元1。

第三步，控制器单元1 根据路由管理模块31所发送的目的子网或目的地址的路由，生成相应的流表设置指令，并将该流表设置指令发送至软交换单元2。

第四步，软交换单元2的流表配置模块21根据控制器单元1所发送的流表设置指令生成相应的流表。

上述流表构建过程中，第一步和第二步由前述路由管理模块31所实现，第三步由流表设置模块11所实现，第四步由流表配置模块21所实现。流表由流表数据和缺省项信息所组成。流表数据包括路由信息。

需要指出的是，由于路由信息分为可达的路由和不可达的路由。当路由信息为可达的路由时，流表配置模块21则根据流表设置指令在流表中生成相应的流表数据；当路由信息为不可达的路由时，流表配置模块21则根据流表设置指令在流表中删除相应的流表数据。

在数据报文转发过程中，当一个携带有目的地址的IP分组，也就是数据报文，到达软交换单元2后，执行以下步骤：软交换单元2的数据转发模块22根据数据报文中的目的地址查找流表。当流表中能够找到相应目的地址所对应的流表数据时，通过路由模块3的数据发送模块32向对应的网络发送数据报文。当流表中找不到相应目的地址所对应的流表数据时，将数据报文提交至控制器单元1的数据处理模块12。然后数据处理模块12将接收到的数据转发模块22所发的数据报文发送至报文检测分析模块5。

需要指出的是，本发明所指的数据报文、探测报文、DTN报文均为IP分组或IP报文。数据报文，也就是IP报文，由报文头和净负荷所组成。其中报文头中包含了TOS、TTL、源地址和目的地址等内容。TOS为服务类型，TTL为生存时间，源地址和目的地址均为IP地址。路由模块3的数据发送模块32对数据报文进行处理时，首先将数据报文中的TTL减1，当TTL减1后为0时，数据发送报文32丢弃该数据报文，否则向网络发送该数据报文。

报文检测分析模块5对数据报文的处理过程如图2所示。首先，数据处理模块12所发送的数据报文将存入输入缓存中。报文检测分析模块5以循环方式从输入缓存中提取数据报文，也即步骤S1，然后进行相应的处理。假如输入缓存中能够提取到数据报文，则判断该数据报文是否为探测报文，也就是判断步骤T1和T2。探测报文由报文检测分析模块5所生成的TTL为1的数据报文，该数据报文的净负荷为空。报文检测分析模块5分析数据报文是否探测报文的依据：首先看探测缓冲器中是否存在数据报文；假如探测缓冲器中不否存在数据报文，则该数据报文不是探测报文；假如探测缓冲器中存在数据报文，则判断该数据报文的目的地址和探测缓冲器中的数据报文的目的地址是否相同；假如两者不相同，则该数据报文不是探测报文，假如两者相同，则该数据报文是探测报文。假如输入缓存所提取的数据报文为探测报文，则说明探测缓冲器中的数据报文的目的地址当前即时不可达，则将探测缓冲器中的数据报文提交至延迟容忍模块，通过延迟容忍机制进行发送，也就是步骤S2。假如输入缓存所提取的数据报文不是探测报文，则判断该数据报文是否为DTN报文，也就是判断步骤T3。判断数据报文是否为DTN报文的依据是数据报文中的TOS是否为DTN。假如输入缓存所提取的数据报文不是DTN报文，则将该数据报文提交至延迟容忍模块，通过延迟容忍机制进行发送，也就是步骤S4。假如输入缓存所提取的数据报文是DTN报文，则提取DTN报文净负荷中的数据报文，并根据所提取的数据报文构建探测报文，同时将所提取的数据报文存入探测缓冲器，将生成的探测报文插入软交换单元2的输入端口，也就是步骤S3。所构建的探测报文的目的地址为存入探测缓冲器中的数据报文的目的地址，所构建的探测报文的TTL为1，净负荷为空。由此，探测报文经软交换单元2中的数据转发模块22转发，假如该探测报文的目的地址在软交换单元2的流表中有相应的流表数据对应，则该探测报文将转至路由模块3的数据发送模块32。由于探测报文的TTL为1，因此，在路由模块3的数据发送模块32中，该探测报文被直接丢弃，而不会向网络进行实际发送。假如该探测报文的目的地址在软交换单元2的流表中不存在相应的流表数据对应，则该探测报文通过控制器单元1的数据处理模块12回到报文检测分析模块5中。此后，报文检测分析模块5将检测到数据报文为探测报文，将探测缓冲器中的数据报文提交至延迟容忍模块，通过延迟容忍机制进行发送。假如该探测报文被转至路由模块3的数据发送模块32，则该探测报文将无法回到报文检测分析模块5中，此时，报文检测分析模块5通过图2中判断步骤T4和T5的分析判断，当探测缓冲器中的数据报文超过预先设定的时间时，认为探测缓冲器中的数据报文所对应的探测报文通过数据转发模块22转发至路由模块3的数据发送模块32中被丢弃，也就是，此时探测缓冲器中的数据报文的目的地址存在当前即时可达的路由，报文检测分析模块5通过步骤S5将探测缓冲器中的数据报文插入软交换单元2的输入端口，此时，也就是说，先前DTN报文净负荷中的数据报文将通过路由模块3的数据发送模块32进行即时发送。

下面对上述过程举例说明。

假设终端A和终端E之间的通信需要经过节点B、C、D。节点B、C、D均为中继路由节点，均为前述的基于网络融合架构的数据转发装置。假设当前节点B至节点D即时不可达，此时，反应在节点B的软交换单元2中，其流表不存在节点B至终端E的路由，由此，当终端A到达节点B的目的地址为终端E的数据报文经节点B的软交换单元2的数据转发模块22处理后，通过控制器单元1转发至节点B的报文检测分析模块5。在节点B的报文检测分析模块5中，由于该数据报文即非探测报文，也非DTN报文，该目的地址为终端E的数据报文将被移送至节点B的延迟容忍模块4进行延迟容忍机制发送。在节点B的延迟容忍模块4中，该目的地址为终端E的数据报文被组装成DTN报文，该DTN报文的目的地址为节点C，TOS设定为DTN，净负荷为该目的地址为终端E的数据报文。节点B的延迟容忍模块4的延迟容忍机制处理，该DTN报文最终被传送至节点C的输入端口，而被节点C的软交换单元2的数据转发模块22进行处理。由于该DTN报文的目的地址为节点C，因此该DTN报文将被节点C的数据转发模块22，通过控制器单元1转发至节点C的报文检测分析模块5。在节点C的报文检测分析模块5中，该DTN报文经判断步骤T1、T2和T3处理后，进入步骤S3的处理。在步骤S3中，该DTN报文净负荷中的目的地址为终端E的数据报文被提取出来后存入探测缓冲器，同时生成一个目的地址为终端E，且TTL为1，净负荷为空的探测报文插入至软交换单元2的输入端口。在软交换单元2中，数据转发模块22分析该探测报文的目的地址终端E是否即时可达。假如目的地址终端E即时不可达，该探测报文通过控制器单元1返回报文检测分析模块5。然后，在节点C的报文检测分析模块5中，该探测报文经判断步骤T1和T2后，进入步骤S2的处理，也就是将存于探测缓冲器中的目的地址为终端E的数据报文转交至节点C的延迟容忍模块4。在节点C的延迟容忍模块4中，该目的地址为终端E的数据报文被组装成新的DTN报文，该新的DTN报文的目的地址为节点D，TOS设定为DTN，净负荷为该目的地址为终端E的数据报文。该新的DTN报文将通过容忍延迟机制被发送至节点D。假如在前述的节点C的软交换单元2中数据转发模块22分析探测报文的目的地址终端E是否即时可达时，目的地址终端E即时可达，则该探测报文将被移送至节点C的路由模块3。在节点C的路由模块3中，该探测报文由于TTL为1被数据发送模块32丢弃。此时，该探测报文无法返回报文检测分析模块5。在节点C的报文检测分析模块5中，输入缓存中持续循环提取不到探测报文，经判断步骤T1、T4、T5的处理后，目的地址为终端E的数据报文存储在探测缓冲器中超时，然后，该目的地址为终端E的数据报文将被插入至节点C的软交换单元2的输入端口中。在节点C的软交换单元2中，由于目的地址终端E即时可达，该来自于终端A的目的地址为终端E的数据报文被节点C的数据转发模块22转发至路由模块3中，通过路由模块3的数据发送模块32进行即时发送，发送至节点D。由此，该来自于终端A的目的地址为终端E的数据报文经节点B、C、D被最终发送至终端E，从而最终实现有路由分组转发和无路由延迟容忍转发的融合。

Claims (6)

1.一种基于网络融合架构的数据转发装置，其特征在于，包括控制器单元、路由模块、软交换单元、延迟容忍模块以及报文检测分析模块；

所述软交换单元用于接收待转发的数据报文，然后根据数据报文中的目的地址查找流表，当流表中能够找到相应目的地址所对应的流表数据时，通过所述路由模块向对应目的地址发送所述数据报文；当流表中未能找到相应目的地址所对应的流表数据时，将所述数据报文通过所述控制器单元提交至所述报文检测分析模块；所述流表由流表数据所组成；所述流表数据包括路由信息；

所述报文检测分析模块用于：

当接收到的数据报文为DTN报文时，提取DTN报文净负荷中的数据报文，根据所提取的数据报文构建探测报文，并将所提取的数据报文存入探测缓冲器，同时将所生成的探测报文插入所述软交换单元的输入端口；所构建的探测报文的目的地址为所提取的数据报文的目的地址；所构建的探测报文的TTL为1；

当接收到的数据报文为探测报文时，将探测缓冲器中的数据报文提交给所述延迟容忍模块，由所述延迟容忍模块构建DTN数据报文进行发送；

当超过限定的时间内未接收到探测缓冲器中的数据报文所对应的探测报文时，将探测缓冲器中的数据报文插入所述软交换单元的输入端口；

当接收到的数据报文为非DTN报文，且不为探测报文时，将该数据报文提交给所述延迟容忍模块，由所述延迟容忍模块构建DTN数据报文进行发送。

2.如权利要求1所述的基于网络融合架构的数据转发装置，其特征在于，所述报文检测分析模块为所述延迟容忍模块的子模块。

3.如权利要求1所述的基于网络融合架构的数据转发装置，其特征在于，所述报文检测分析模块为所述控制器单元的子模块。

4.如权利要求1所述的基于网络融合架构的数据转发装置，其特征在于，所述控制器单元、路由管理模块、软交换单元和延迟容忍模块位于不同主机。

5.如权利要求1所述的基于网络融合架构的数据转发装置，其特征在于，所述路由模块还包括路由管理模块；所述控制器单元还包括流表设置模块；所述软交换单元还包括流表配置模块；所述路由管理模块用于发现和管理相应子网的路由，并将相应的路由信息发送至所述控制器单元；所述流表设置模块用于接收所述路由管理模块发送的路由信息，并将所述路由管理模块所发送的路由信息生成流表设置指令，然后将所述流表设置指令发送至所述软交换单元；所述流表设置指令包含路由信息；所述流表配置模块用于根据控制器单元所发的流表设置指令生成流表和相应的流表数据。

6.一种基于网络融合架构的数据转发方法，其特征在于，该方法对于在软交换单元的流表中能够找到目的地址的数据报文，通过路由模块向对应目的地址发送所述数据报文；对于在软交换单元的流表中找不到目的地址的数据报文按以下进行处理：

当数据报文为DTN报文时，提取DTN报文净负荷中的数据报文，根据所提取的数据报文构建探测报文，并将所提取的数据报文存入探测缓冲器，同时将所生成的探测报文插入软交换单元的输入端口；所构建的探测报文的目的地址为所提取的数据报文的目的地址；所构建的探测报文的TTL为1；

当数据报文为探测报文时，将探测缓冲器中的数据报文提交给延迟容忍模块，由延迟容忍模块构建DTN数据报文进行发送；

当数据报文为非DTN报文，且不为探测报文时，将该数据报文提交给延迟容忍模块，由延迟容忍模块构建DTN数据报文进行发送；

当超过限定的时间内未接收到探测缓冲器中的数据报文所对应的探测报文时，将探测缓冲器中的数据报文插入所述软交换单元的输入端口。

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