CN108989219A - 一种基于多级流表的多优先级路由转发系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多级流表的多优先级路由转发系统和方法。该系统包括控制器单元、软交换单元和若干子网控制单元。子网控制单元与相应的子网对应。控制器单元、软交换单元、子网控制单元分别包括流表设置模块、流表配置模块、路由管理模块。流表设置模块根据子网控制单元发送的路由信息和子网优先级配置信息生成流表设置指令，并将流表设置指令发送至软交换单元。流表配置模块根据流表设置指令生成相应的流表和流表数据，使每张流表与相应的子网和子网优先级对应。数据转发模块根据流表所对应的子网优先级和流表数据将数据报文提交至相应的子网控制单元。本发明数据报文转发的过程无需控制逻辑的参与，转发效率高，开销小，便于硬件实现。

Description

一种基于多级流表的多优先级路由转发系统及方法

技术领域

本发明涉及软件定义网络以及分组转发。

背景技术

在移动通信网络等多子网互联场景中，经常会出现从某一源点到某一目的地存在多条路由的情况，例如到某一目的地既可以通过有线网到达，也可以通过无线网络到达，还可以通过卫星链路到达。但是由于质量、经济等因素，用户倾向于先选择其中一条路由，在该条路由不可达时才倾向于选择另外一条路由，而在最差情况下选择第三条路由的情况。例如在上例中，由于有线网速率高、传输信息质量好，保密性强，在有线网络路由可通时，用户倾向于先选择有线网络；当有线网络因为特定原因不可通（没有路由）时，用户才会选择无线网络；而卫星链路传输时延大，代价高，用户只有在有线网和无线网络都没有路由时，才会最后选择卫星链路，这就形成了用户在多路由选择时的优先级选择倾向。

目前通用的协议栈架构并不支持多优先级路由，系统路由表里往往只能存放一条路由，而当路由失效时，需要采用路由更新等系统控制方法更新路由，收敛周期长，效率低。在某些特殊的实现策略中，用户实现多路由表，然后通过专门的软件逻辑，依照特定顺序查询多路由表。这种软件逻辑代码一旦编写完毕，就很难更改。系统多优先级路由基本没有灵活设置能力。

此外，现有的软件定义网络中，多级流表的技术一般应用于流量均衡控制。比如，专利文献CN 105915467 A所公开的《一种面向软件定义的数据中心网络流量均衡方法及装置》， 专利文献CN 104184676 A所公开的《一种数据中心网络及其流量均衡方法和控制器》，专利文献CN 106713164A 所公开的《一种交换机端口间流量均衡系统、方法及装置》。

发明内容

本发明所要解决的问题：用户需要多优先级路由，而目前通用的协议栈架构不支持多优先级路由，系统路由表里往往只能存放一条路由，而当路由失效时，需要采用路由更新等系统控制方法删除旧的路由，然后再发现新的路由，收敛周期长，效率低。

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多级流表的多优先级路由转发系统，包括控制器单元、软交换单元和若干子网控制单元；所述子网控制单元与相应的子网对应；

所述控制器单元包括优先配置模块、路由接收模块、流表设置模块；

所述优先配置模块用于接收用户输入的子网优先级配置信息；

所述路由接收模块用于接收所述子网控制单元发送的路由信息；

所述流表设置模块用于根据所述子网控制单元发送的路由信息和所述子网优先级配置信息生成流表设置指令，并将所述流表设置指令发送至所述软交换单元；

所述子网优先级配置信息包含子网和子网优先级的对应关系表；

所述流表设置指令至少包含路由信息和所属流表；所属流表根据所述子网优先级配置信息和所述路由信息所发送的子网控制单元生成，使得所属流表与相应的子网和子网优先级对应；

所述软交换单元包括流表配置模块、数据转发模块；

所述流表配置模块用于接收所述控制器单元所发送的流表设置指令，并根据所述流表设置指令生成相应的流表和流表数据，使得每张流表与相应的子网和子网优先级对应；所述流表由流表数据所组成；所述流表数据包括路由信息；

所述数据转发模块用于接收转发的数据报文，并根据所述流表所对应的子网优先级和流表数据将所述数据报文提交至相应的子网控制单元；

所述子网控制单元包括路由管理模块和数据发送模块；

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；

所述数据发送模块用于接收所述软交换单元所提交的数据报文，并根据相应的路由信息进行发送所述数据报文。

进一步，根据本发明的基于多级流表的多优先级路由转发系统，所述控制器单元对应有若干软交换单元。

进一步，根据本发明的基于多级流表的多优先级路由转发系统，所述控制器单元、软交换单元和子网控制单元位于不同的主机上，或位于相同的主机上。

根据本发明的一种基于多级流表的多优先级路由转发方法，包括如下步骤：

M1：控制器单元接收用户输入的子网优先级配置信息；

M2：控制器单元接收子网控制单元发送的路由信息；

M3：控制器单元根据子网控制单元发送的路由信息和子网优先级配置信息生成流表设置指令，并将流表设置指令发送至软交换单元；

所述子网优先级配置信息包含子网和子网优先级的对应关系表；

所述流表设置指令至少包含路由信息和所属流表；所属流表根据所述子网优先级配置信息和所述路由信息所发送的子网控制单元生成，使得所属流表与相应的子网和子网优先级对应；

C1：软交换单元接收控制器单元所发送的流表设置指令，并根据所述流表设置指令生成相应的流表和流表数据，使得每张流表与相应的子网和子网优先级对应；所述流表由流表数据所组成；所述流表数据包括路由信息；

C2：软交换单元接收转发的数据报文，并根据所述流表所对应的子网优先级和流表数据将所述数据报文提交至相应的子网控制单元；

S1：子网控制单元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；

S2：接收软交换单元所提交的数据报文，并根据相应的路由信息进行发送所述数据报文。

本发明的技术效果如下：本发明通过多级流表动态实现不同子网多优先级路由的优选策略；分组首先查询最高优先级流表，当最高优先级流表没有匹配项时，通过缺省流表项定向到第二级流表，以此类推。数据报文的多路由转发和查表过程全部在数据转发平面实现，数据报文转发的过程完全不需要控制逻辑的参与，转发效率高，开销小，便于硬件实现；其次路由的优先级动态可扩展，系统可以配置控制器根据用户需要在控制器随意调整优先级路由的顺序，无需改动系统转发和查表代码；第三可适配的子网类型多，优先级数多，可设置的优先级仅受限于流表的最大支持级数。所提出的方法即可适用于有线多信道网络，也可适用于有无线互联，以及无线异构多信道网络。

附图说明

图1是本发明实施例的模块结构关系示意图。

图2是本发明实施例的示例结构关系示意图。

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，一种基于多级流表的多优先级路由转发系统，包括控制器单元11、软交换单元12和子网控制单元13。子网控制单元13有多个，并分别各自与相应的子网对应，用于管理相应子网的路由，以及数据报文的转发。

控制器单元11包括优先配置模块111、路由接收模块112和流表设置模块113。优先配置模块111用于接收用户输入的子网优先级配置信息。路由接收模块112用于接收子网控制单元发送的路由信息。流表设置模块113用于根据子网控制单元发送的路由信息和子网优先级配置信息生成流表设置指令，并将流表设置指令发送至软交换单元12。子网优先级配置信息包含子网和子网优先级的对应关系表。流表设置指令至少包含路由信息和所属流表；所属流表根据子网优先级配置信息和路由信息所发送的子网控制单元生成，使得所属流表与相应的子网和子网优先级对应。

软交换单元12包括流表配置模块121和数据转发模块122。流表配置模块121用于接收控制器单元所发送的流表设置指令，并根据流表设置指令生成相应的流表和流表数据，使得每张流表与相应的子网和子网优先级对应。流表由流表数据所组成。流表数据包括路由信息。数据转发模块122用于接收转发的数据报文，并根据流表所对应的子网优先级和流表数据将数据报文提交至相应的子网控制单元。

子网控制单元13包括路由管理模块131和数据发送模块132。路由管理模块131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。数据发送模块132用于接收软交换单元所提交的数据报文，并根据相应的路由信息进行发送数据报文。

上述模块间的关系涉及两个过程：多级流表构建过程和数据报文转发过程。在多级流表构建过程中：

第一步，每个子网控制单元13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，各个子网控制单元13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11。

第三步，控制器单元11根据子网控制单元13所发送的目的子网或目的地址的路由，并依据已经设置好的子网优先级配置信息，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12。

第四步，软交换单元12根据控制器单元11所发送的流表设置指令生成相应的流表。

上述多级流表构建过程中，第一步和第二步由前述路由管理模块131和路由接收模块112所实现，第三步由流表设置模块113所实现，第四步由流表配置模块121所实现。第三步中所需的子网优先级配置信息由优先配置模块111所实现。最终软交换单元12所生成的流表包括不同优先级的流表。流表由流表数据所组成。流表数据包括路由信息、缺省项。每条路由配置在不同的优先级流表中。在高优先级的流表中，每条路由所处的流表数据的缺省项指向低一级优先级的流表。

在数据报文转发过程中，当一个携带有目的地址的分组，也就是数据报文，到达软交换单元12时，软交换单元12执行以下步骤：

首先，软交换单元12根据数据报文的目的地址查询第一级流表。查询结果可能是有对应流表数据，也可能是没有对应流表数据，对于有对应流表数据的，数据报文将沿该流表数据指明的子网端口通过子网控制单元13发送出去，而对于没有对应流表数据的，该数据报文将被缺省表项匹配，转向第二级流表处理。

第二级流表处理中，软交换单元12根据数据报文的目的地址查询第二级流表。查询结果可能是有对应流表数据，也可能是没有对应流表数据，对于有对应流表数据，数据报文将沿该流表数据指明的子网端口通过子网控制单元13发送出去，而对于没有对应流表数据的，该数据报文将被缺省表项匹配，转向第三级流表处理。

以此类推，直到最后一级流表处理完成。当数据报文的目的地址在所有流表中均未找到相应的流表数据时，该数据报文可以被丢弃或者转交给控制单元11做进一步处理。控制单元11对这种数据报文所做的进一步处理并非本发明所讨论的范畴，本说明书不再赘述。

上述的数据报文转发过程的各个步骤由软交换单元12中的数据转发模块122和子网控制单元13中的数据发送模块132所共同实现。

图2是本实施例基于多级流表的多优先级路由转发系统的举例说明。该系统包括控制器单元M11，两个软交换单元M21和M22，四个子网控制单元M211、M212、M221和M222。每个软交换单元对应两个子网控制单元。其中子网控制单元M211和子网控制单元M212对应软交换单元M21；子网控制单元M221和子网控制单元M222对应软交换单元M22。本实施例中，两个软交换单元M21和M22和控制器单元M11分别位于不同的主机；软交换单元M21、子网控制单元M211和子网控制单元M212位于同一台主机；软交换单元M22、子网控制单元M221和子网控制单元M222位于同一台主机。

该系统至少连接两个子网，分别为子网1和子网2。其中，子网控制单元M211和子网控制单元M221连接子网1，并对应子网1；子网控制单元M212和子网控制单元M222连接子网2，并对应子网2。假设由于子网1的带宽宽，传播开销小，系统通过预设规则，或者根据带宽比对决定子网1的路由优先级高于子网2。

在时刻T0，子网控制单元M211的路由管理模块将路由信息通过E101消息告知控制单元M11，此时E101消息内容为：子网130.45.33.x/24经过M211的路由下一跳为A。子网控制单元M221的路由管理模块将路由信息通过E101消息告知控制单元M11，此时E101消息内容为：子网130.45.33.x/24经过M221的路由下一跳为E。控制单元M11同样收到子网控制单元M212和子网控制单元M222的E101消息：子网130.45.33.x/24经过M212的路由下一跳为69，子网130.45.33.x/24经过M222的路由下一跳为77。控制单元M11记录下这些消息。

随后，控制单元M11根据所记录的消息配置软交换单元M21和M22：控制单元M11根据子网优先级为相应的E101消息生成相应的流表设置指令，流表设置指令通过Openflow消息发送至软交换单元M21和M22。软交换单元M21和M22通过流表配置模块121生成相应的流表和流表数据。由此，上述E101消息在软交换单元M21的一级流表T11中对应的流表数据为：

	匹配目的地址	下一跳	动作
				（其余项通配）	130.45.33.0/24	A	output
(不匹配上述所有项的缺省项)	Table miss	N/A	Goto-table 2

该流表数据包含两项内容，第一项为匹配的130.45.33.0/24 目的地址字段，对应的动作是输出，output，输出到子网1端口，下一跳是A，也即转跳E201；第二项为不匹配所有表项的table miss 缺省项，该项对应的动作是跳转到2号流表，也即转跳E202。2号流表也即二级流表T12。

上述E101消息在软交换单元M21的二级流表T12对应的流表数据为：

	匹配目的地址	下一跳端口	动作
				（其余项通配）	130.45.33.0/24	69	output
(不匹配上述所有项的缺省项)	Table miss	N/A	Goto-table 3…

该流表数据包含两项内容，第一项为匹配的130.45.33.0/24 目的地址字段，对应的动作是输出，output，输出到子网2端口，下一跳是69，也即转跳E203；第二项为不匹配所有表项的table miss 缺省项，该项对应的动作是跳转到3号流表，后续流表以此类推。

上述消息E101在软交换单元M22的一级流表T21对应的流表数据为：

	匹配目的地址	下一跳	动作
				（其余项通配）	130.45.33.0/24	E	output
(不匹配上述所有项的缺省项)	Table miss	N/A	Goto-table 2

该流表数据包含两项内容，第一项为匹配的130.45.33.0/24 目的地址字段，对应的动作是输出，output，输出到子网1端口，下一跳是E；第二项为不匹配所有表项的table miss缺省项，该项对应的动作是跳转到2号流表。2号流表也即二级流表T22。

上述消息E101在软交换单元M22的二级流表T22对应的流表数据为：

	匹配目的地址	下一跳	动作
				（其余项通配）	130.45.33.0/24	77	output
(不匹配上述所有项的缺省项)	Table miss	N/A	Goto-table 3...

该流表数据包含两项内容，第一项为匹配的130.45.33.0/24 目的地址字段，对应的动作是输出，output，输出到子网2端口，下一跳是77；第二项为不匹配所有表项的table miss缺省项，该项对应的动作是跳转到3号流表。

在时刻T1，子网1因为网络分裂、节点运动等原因中断，此时，子网控制单元M211和M221的路由管理模块将发现无法再通过子网控制单元M211和M221到达目的子网130.45.33.0/24，由此，网控制单元M211和M221的路由管理模块将路由删除消息发送给控制单元M11，消息内容为：通过子网1到130.45.33.0/24的路由不可达。

当控制单元M11收到此路由删除消息时，控制单元M11的流表设置模块113生成相应的流表设置指令，并将该流表设置指令通过Openflow发送消息给软交换单元M21和M22，该流表设置指令的内容为：删除130.45.33.0/24流表数据。当软交换单元M21和M22收到这些消息后，一级流表T11和T21中的关于130.45.33.0/24的流表数据均通过流表配置模块121被删除。

在T0-T1时刻之间，当一个目的地为130.45.33.7的数据报文到达软交换单元M21时，软交换单元M21的数据转发模块122首先通过M21的一级流表T11查表，并发现一级流表T11中相应的匹配的流表数据，根据相应的流表数据的指示，软交换单元M21的数据转发模块122将该数据报文提交给子网控制单元M211，由子网控制单元211发送相应的数据报文。同样地，如果这个数据报文经过软交换单元M22，软交换单元M22的数据转发模块122将首先通过M22的一级流表T21查表，并发现一级流表T21中相应的匹配的流表数据，软交换单元M22的数据转发模块122将该数据报文提交给子网控制单元M221，由子网控制单元221发送相应的数据报文。

在T1后时刻，当一个目的地为130.45.33.7的数据报文到达软交换单元M21时，软交换单元M21首先通过M21的一级流表T11查表，由于此时相应的流表数据已经被删除，此时该数据报文将符合Table miss表项，将被导向到二级流表T12。软交换单元M21通过二级流表T12找到相应的流表数据，然后根据相应的流表数据中的指示，将该数据报文提交给子网控制单元M212。同样地，如果这个数据报文经过软交换单元M22，软交换单元M22的数据转发模块122将首先通过M22的一级流表T21查表，未在一级流表T21中找到的匹配的流表数据，根据指示，被导向到二级流表T22。软交换单元M22通过二级流表T12找到相应的流表数据，然后根据相应的流表数据中的指示，将该数据报文提交给子网控制单元M222。由此，通过上述流表分级实现了多优先级的多路由转发。

在另一个时刻T2，如果子网1的路由又恢复了，不难得出在T2后的时刻，新来的到130.45.33.7的数据报文可以仍然通过子网1转发。本领域技术人员理解，各子网的优先级只需要通过多级流表就可以确定优先级。一级流表的优先级高于二级流表，二级流表的优先级高于三级流表，以此类推。如果要增加网络，增加优先级，只需要增加流表的级数就可以实现。

根据上述说明，本领域技术人员理解，前述的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，流表设置模块113生成相应的流表数据；当路由信息为不可达的路由时，流表设置模块113则删除相应的流表数据。

Claims (4)

1.一种基于多级流表的多优先级路由转发系统，其特征在于，包括控制器单元、软交换单元和若干子网控制单元；所述子网控制单元与相应的子网对应；

所述控制器单元包括优先配置模块、路由接收模块、流表设置模块；

所述优先配置模块用于接收用户输入的子网优先级配置信息；

所述路由接收模块用于接收所述子网控制单元发送的路由信息；

所述流表设置模块用于根据所述子网控制单元发送的路由信息和所述子网优先级配置信息生成流表设置指令，并将所述流表设置指令发送至所述软交换单元；

所述子网优先级配置信息包含子网和子网优先级的对应关系表；

所述流表设置指令至少包含路由信息和所属流表；所属流表根据所述子网优先级配置信息和所述路由信息所发送的子网控制单元生成，使得所属流表与相应的子网和子网优先级对应；

所述软交换单元包括流表配置模块、数据转发模块；

所述流表配置模块用于接收所述控制器单元所发送的流表设置指令，并根据所述流表设置指令生成相应的流表和流表数据，使得每张流表与相应的子网和子网优先级对应；所述流表由流表数据所组成；所述流表数据包括路由信息；

所述数据转发模块用于接收转发的数据报文，并根据所述流表所对应的子网优先级和流表数据将所述数据报文提交至相应的子网控制单元；

所述子网控制单元包括路由管理模块和数据发送模块；

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；

所述数据发送模块用于接收所述软交换单元所提交的数据报文，并根据相应的路由信息进行发送所述数据报文。

2.如权利要求1所述的基于多级流表的多优先级路由转发系统，其特征在于，所述控制器单元对应有若干软交换单元。

3.如权利要求1所述的基于多级流表的多优先级路由转发系统，其特征在于，所述控制器单元、软交换单元和子网控制单元位于不同的主机上，或位于相同的主机上。

4.一种基于多级流表的多优先级路由转发方法，其特征在于，包括如下步骤：

M1：控制器单元接收用户输入的子网优先级配置信息；

M2：控制器单元接收子网控制单元发送的路由信息；

M3：控制器单元根据子网控制单元发送的路由信息和子网优先级配置信息生成流表设置指令，并将流表设置指令发送至软交换单元；

所述子网优先级配置信息包含子网和子网优先级的对应关系表；

所述流表设置指令至少包含路由信息和所属流表；所属流表根据所述子网优先级配置信息和所述路由信息所发送的子网控制单元生成，使得所属流表与相应的子网和子网优先级对应；

C1：软交换单元接收控制器单元所发送的流表设置指令，并根据所述流表设置指令生成相应的流表和流表数据，使得每张流表与相应的子网和子网优先级对应；所述流表由流表数据所组成；所述流表数据包括路由信息；

C2：软交换单元接收转发的数据报文，并根据所述流表所对应的子网优先级和流表数据将所述数据报文提交至相应的子网控制单元；

S1：子网控制单元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；

S2：接收软交换单元所提交的数据报文，并根据相应的路由信息进行发送所述数据报文。