CN109347759A - 基于sdn穿越内网的sip多媒体通信系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于SDN穿越内网的SIP多媒体通信系统和方法，该系统由若干个连接到外网的内网和管理服务器组成，内网包括了SDN控制器、与之连接的OpenFlow交换机和与OpenFlow交换机连接的UA终端，能够基于SDN在传统互联网络上自动建立连通各个内网的虚拟网络；所述的方法能够在UA终端呼叫连接时，自动建立连通对方终端的数据通道，并直接使用各自IP地址和对方通信。本发明能够自动建立连通各个内网的虚拟网络，如同在同一个局域网内一样，达到了NAT穿越的效果，但避免了使用传统方法实现NAT穿越的复杂性，提高了系统的可维护性，同时在OpenFlow交换机上增加了应用层报文处理功能，减轻了SDN控制器的负担，提高了系统的性能。

Description

基于SDN穿越内网的SIP多媒体通信系统和方法
技术领域
本发明涉及一种穿越内网的SIP多媒体通信系统和方法，特别是一种基于SDN穿越内网的SIP多媒体通信系统和方法。
背景技术
SDN(Software Defined Network)软件定义网络是一种控制平面与数据平面分离的新型网络架构，控制平面即控制器通过以Open Flow为代表的南向协议管理数据平面的交换机，实现对网络流量的灵活控制。SIP(Session Initiation Protocol,会话发起协议)是一种IP电话信令协议，采用SIP的多媒体通信系统实现了会话建立和业务数据的传输，因其使用简单和低廉的成本得到广泛应用。
目前在实现内外网通信的技术上，NAT(Network Address Translation)网络地址转换得到广泛应用，当在内网分配了私有IP地址的主机要同因特网(外网)上的主机通信时，通过NAT方法将私有IP地址转换成合法的外网IP地址来实现通信。在SIP系统中为解决内、外网通信问题，通常采用NAT穿越，系统要能感知NAT环境，并对系统进行相应的人工配置，以及使用STUN(Session Traversal Utlities for NAT)和TURN(Traversal UsingRelay NAT)等多种技术应对各种NAT环境，这些技术存在的不足是复杂度高，维护难度大。
发明内容
发明目的：本发明要解决的技术问题是提供一种基于SDN穿越内网的SIP多媒体通信系统，并提供一种基于SDN穿越内网的SIP多媒体通信方法，能够基于SDN在传统互联网络上自动建立连通各个内网的虚拟网络，可以实现传统NAT方法的功能，并克服了NAT方法存在着的复杂度高，维护难度大的问题。
技术方案：本发明所述的一种基于SDN穿越内网的SIP多媒体通信系统，由连接到外网的管理服务器和若干个内网组成，所述的内网包括了SDN控制器和OpenFlow交换机：
SDN控制器，一是用来管理内网区域的SIP注册信息，把注册信息汇总至管理服务器并从管理服务器获取其它内网区域的注册信息和网络连接关系，二是接收OpenFlow交换机上报SIP注册信息和呼叫信息，与其他内网终端建立呼叫连接，并向下发OpenFlow交换机下发流表建立连通其它内网的虚拟网络；
OpenFlow交换机，一是接收并保存SDN控制器下发的流表，依据所述的流表转发接收的数据，二是接收UA终端发来的数据，识别并区分为需要转发内外网的信息、需要向SDN控制器上报的SIP注册信息和呼叫信息、需要丢弃的信息，并作出相应的处理。
为了减轻SDN控制器的负担并降低处理时延，提高交换机和控制器的信息交互频率，所述的OpenFlow交换机包括深度包检测模块和流表匹配模块，所述深度包检测模块用于识别接收的数据包中SIP格式消息，并对SIP格式消息中的各字段进行精确匹配和进一步处理，然后把识别出的数据包转至流表匹配模块处理。所述的流表匹配模块识别处理SIP消息相关匹配字段，对SIP格式消息中的各字段进行精确匹配，对于SDN控制器下发的流表，其能解析SIP消息相关匹配字段，保存匹配字段和相应的指令信息，对来自深度包检测模块上传数据包进行分类和处理，分类和处理具体方法如下：若识别出SIP注册类消息，以packet-in消息格式发送至SDN控制器作进一步处理；若识别出SIP呼叫类消息，以packet-in消息格式发送至SDN控制器作进一步处理；若识别出RTP媒体消息，按照路径信息直接转发至所对应的交换机和UA终端；若接收到未知或不关心的信息，直接丢弃。
具体的，所述的SDN控制器包括外网拓扑模块、虚拟网管理模块、深度包检测模块、注册管理模块和代理服务模块：所述的外网拓扑模块将本地网内UA终端相关信息和内网所在的外网地址信息向管理服务器注册，并从管理服务器获取其它各域的信息和网络连接关系；所述的虚拟网管理模块根据外网拓扑模块形成的拓扑信息，向OpenFlow交换机下发流表，建立到其它各域的隧道，从而形成连通所有域的虚拟网络；所述的深度包检测模块对OpenFlow交换机上传的packet-in消息进行解析，若是SIP格式消息，将继续细分为注册类消息和呼叫类消息，注册类消息被转至注册管理模块处理，呼叫类消息被转至代理服务模块处理；所述的注册管理模块负责本域UA终端的SIP注册流程，把UA终端连接的OpenFlow交换机端口、UA终端的IP地址以及SIP注册信息存入本地信息库，同时把SIP注册信息提交至管理服务器，同时从管理服务器获取其它各域的注册信息并存入本地信息库，从而拥有全局的注册信息；所述的代理服务模块负责UA终端之间的呼叫控制流程，当本地内网的UA终端呼叫另一个内网的目标终端时，通过查询注册管理模块得知目标终端的位置，建立连接本地UA终端和目标终端之间的数据通道。
具体的，所述的外网中的管理服务器和内网中的SDN控制器可以是1台或者是1个集群。
本发明所述的基于SDN穿越内网的SIP多媒体通信方法，所述本地UA终端请求呼叫连接对方UA终端的步骤为：
(1)本地UA终端向所连接的本地OpenFlow交换机发送连接请求信息；
(2)本地OpenFlow交换机接收数据，识别接收的数据包中SIP格式消息，如果是呼叫信息则发送到所连接的SDN控制器；
(3)SDN控制器对接收信息进行解析，若是呼叫信息，则查找目标终端所在位置，并向本地OpenFlow交换机下发流表；
(4)本地OpenFlow交换机依据SDN控制器下发的流表向对方OpenFlow交换机发送请求信息，对方OpenFlow交换机向对方UA终端发送请求信息；
(5)对方UA终端通过对方OpenFlow交换机和本地OpenFlow交换机向本地UA终端发送确认消息；
(6)本地UA终端到对方UA终端的呼叫建立完毕。
上述方法中还包括所述OpenFlow交换机接收发送信息的处理方法：
若接收到SDN控制器下发的流表信息，解析并保存相关的匹配字段和相应的指令信息；
若接收到UA终端的数据包且识别出SIP注册类消息，则以packet-in消息格式发送至SDN控制器作进一步处理；
若接收到UA终端的数据包且识别出SIP呼叫类消息，则以packet-in消息格式发送至SDN控制器作进一步处理；
若接收到UA终端的数据包且识别出RTP媒体消息，按照路径信息直接转发至所对应的交换机和UA终端；
若接收到UA终端的数据包并发现是未知或不关心的信息，则直接丢弃。
有益效果：本系统和方法能够自动建立连通各个内网的虚拟网络，使UA终端可以直接使用各自IP地址和对方通信，如同在同一个局域网内一样，达到了NAT穿越的效果，但避免了使用传统方法实现NAT穿越的复杂性，提高了系统的可维护性。同时在OpenFlow交换机上增加了应用层报文处理功能，减轻了SDN控制器的负担，提高了系统的性能。
附图说明
图1是本发明系统设备连接关系示意图；
图2是由各内网连通成的大虚拟网示意图；
图3是OpenFlow交换机功能模块框图；
图4是流表匹配域结构图；
图5是SDN控制器功能模块框图；
图6是UA终端的呼叫处理流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明所述的系统由外网和若干个内网组成，所述的外网包括了1台管理服务器，内网包括了1台SDN控制器和若干台OpenFlow交换机，UA终端(User Agent，用户代理)连接在OpenFlow交换机的交换网络上。内网中，SDN控制器通过管理网络以OpenFlow协议对OpenFlow交换机进行管理控制，SDN控制器和OpenFlow交换机经由内网路由器和外网管理服务器通信。所有UA终端连接到OpenFlow交换机的数据交换网络，UA终端收发的数据包都会被OpenFlow交换机截取，进而转至SDN控制器处理或直接依据流表转发。如图2所示，SDN控制器向OpenFlow交换机下发流表，经由路由器建立连接各内网的隧道，组成连通的大虚拟网，UA终端间可进行多媒体通信。
如图3所示，OpenFlow交换机包括深度包检测模块、流表匹配模块和OpenFlow协议接口。由于现有的OpenFlow交换机不具备数据包应用层信息的检测匹配能力，因此每个OpenFlow交换机要把包括SIP消息在内的所有数据包以packet-in消息格式发送至SDN控制器，由SDN控制器识别出其中的SIP消息并作处理，这给SDN控制器增加了负担并导致处理时延。为降低交换机和控制器的信息交互频率，提高了网络传输效率和系统处理能力，本发明中的OpenFlow交换机包括了深度包检测功能模块，用于识别接收的数据包中SIP格式消息，然后把SIP数据包中相应字段按照图4所示的结构填入流表匹配域，转至流表匹配模块处理。如图4所示，改进的匹配域增加了SIP信息字段，其至少包含2部分信息：协议类型，指示应用层协议类型，如H.323、SIP等；消息类型，指示应用层协议具体的消息类型，对于SIP协议应能指示INVITE、BYE、ACK等消息。
图3中的流表匹配模块能解析处理SIP消息相关匹配字段，对SIP格式消息中的各字段进行精确匹配。对于SDN控制器下发的流表，其能解析SIP消息相关匹配字段，保存匹配字段和相应的指令信息，对来自深度包检测模块上传数据包进行分类和处理，有效减轻了SDN控制器的负担。分类和处理具体方法如下：
1、SIP注册类消息：如REGISTER等消息，以packet-in消息格式发送至SDN控制器，由SDN控制器的注册管理模块作进一步处理；
2、SIP呼叫类消息：如INVITE、BYE、ACK等消息，以packet-in消息格式发送至SDN控制器，由SDN控制器的代理服务模块作进一步处理；
3、RTP媒体消息：按照路径信息直接转发至所对应的交换机和UA终端；
4、未知或不关心的信息：直接丢弃。
如图5所示，本发明中的SDN控制器包括注册管理、深度包检测、外网拓扑、虚拟网管理和代理服务等模块。外网拓扑模块向管理服务器注册，并从管理服务器获取其它各域的信息和网络连接关系。注册的信息内容包括本域外网地址、域内所有UA终端的信息(IP地址、ID号、名称等)等。虚拟网管理模块根据外网拓扑模块形成的拓扑信息，向OpenFlow交换机下发流表，建立到其它各域的隧道，从而形成连通所有域的虚拟网络。深度包检测模块对OpenFlow交换机上传的packet-in消息进行解析，若是SIP格式消息，将继续细分为注册类消息和呼叫类消息，注册类消息被转至注册管理模块处理，呼叫类消息被转至代理服务模块处理。注册管理模块负责本域的UA终端的SIP注册流程，把UA终端连接的OpenFlow交换机端口、UA终端的IP地址以及SIP注册信息存入本地信息库，同时把SIP注册信息提交至管理服务器，同时注册管理模块能从管理服务器获取其它各域的注册信息并存入本地信息库，从而拥有全局的注册信息。代理服务模块负责UA终端之间的呼叫控制流程，以内网1的UA终端A1呼叫内网3的UA终端C1为例，流程如图6所示。内网1的代理服务为P1，内网3的代理服务为P3。当A1呼叫C1时，P1获取到Invite消息，并查询注册管理模块建立的本地信息库，获知C1在内网3。P1给A1回发100Trying消息，并给Invite消息打上标签使其通过连接内网1和内网3的隧道发送给C1。C1回复的200OK消息经由连接内网1和内网3的隧道转发给A1，A1回复的ACK消息经由连接内网1和内网3的隧道转发给C1，至此A1到C1呼叫则建立完毕。之后A1和C1建立RTP通道互相传输媒体数据，从A1和C1发出的媒体数据包都被打上了标签，OpenFlow交换机的流表对该标签匹配，确保在内网1和内网3的隧道中传输数据。呼叫拆除的处理流程和建立流程类似。

Claims (7)

1.一种基于SDN穿越内网的SIP多媒体通信系统，由若干个连接到外网的内网组成，其特征在于包括了连接到外网的管理服务器，所述的内网包括了SDN控制器、与之连接的OpenFlow交换机和与所述OpenFlow交换机连接的UA终端：
SDN控制器，用于管理内网区域的SIP注册信息，把注册信息汇总至管理服务器并从管理服务器获取其它内网区域的注册信息和网络连接关系，并接收OpenFlow交换机上报的SIP注册信息和SIP呼叫信息，向OpenFlow交换机下发流表用以建立连通其它内网的呼叫连接；
OpenFlow交换机，用于接收并保存SDN控制器下发的流表，依据所述的流表转发接收的数据，并接收UA终端发来的数据，识别并区分为需要转发内外网的信息、需要向SDN控制器上报的SIP注册信息和呼叫信息、需要丢弃的信息，作出相应的处理。
2.根据权利要求1所述的基于SDN穿越内网的SIP多媒体通信系统，其特征在于：所述的OpenFlow交换机包括深度包检测模块和流表匹配模块，所述深度包检测模块用于识别接收的数据包中SIP格式消息，并对SIP格式消息中的各字段进行精确匹配和进一步处理，然后把识别出的数据包转至流表匹配模块处理。
3.根据权利要求2所述的基于SDN穿越内网的SIP多媒体通信系统，其特征在于：所述的流表匹配模块识别处理SIP消息相关匹配字段，对SIP格式消息中的各字段进行精确匹配，对于SDN控制器下发的流表，解析SIP消息相关匹配字段，保存匹配字段和相应的指令信息，对深度包检测模块上传的数据包进行分类和处理：如果识别出SIP注册类消息，以packet-in消息格式发送至SDN控制器作进一步处理，如果识别出SIP呼叫类消息，以packet-in消息格式发送至SDN控制器作进一步处理，如果识别出RTP媒体消息，按照路径信息直接转发至所对应的交换机和UA终端，如果接收到未知或不关心的信息，直接丢弃。
4.根据权利要求1所述的基于SDN穿越内网的SIP多媒体通信系统，其特征在于所述的SDN控制器包括外网拓扑模块、虚拟网管理模块、深度包检测模块、注册管理模块和代理服务模块：
所述的外网拓扑模块将本地网内UA终端相关信息和内网所在的外网地址信息向管理服务器注册，并从管理服务器获取其它各域的信息和网络连接关系；
所述的虚拟网管理模块根据外网拓扑模块形成的拓扑信息，向OpenFlow交换机下发流表，建立到其它各域的隧道，从而形成连通所有域的虚拟网络；
所述的深度包检测模块对OpenFlow交换机上传的packet-in消息进行解析，若是SIP格式消息，将继续细分为注册类消息和呼叫类消息，注册类消息被转至注册管理模块处理，呼叫类消息被转至代理服务模块处理；
所述的注册管理模块负责本域UA终端的SIP注册流程，把UA终端连接的OpenFlow交换机端口、UA终端的IP地址以及SIP注册信息存入本地信息库，同时把SIP注册信息提交至管理服务器，同时从管理服务器获取其它各域的注册信息并存入本地信息库，从而拥有全局的注册信息；
所述的代理服务模块负责UA终端之间的呼叫控制流程，当本地内网的UA终端呼叫另一个内网的目标终端时，通过查询注册管理模块得知目标终端的位置，建立连接本地UA终端和目标终端之间的数据通道，之后可直接点对点传输多媒体信息。
5.根据权利要求1至4任一项所述的基于SDN穿越内网的SIP多媒体通信系统，其特征在于：所述的管理服务器和内网中的SDN控制器可以是1台或者是1个集群。
6.一种基于SDN穿越内网的SIP多媒体通信方法，所在的通信系统由包括了连接到外网的管理服务器和若干个包括了SDN控制器、OpenFlow交换机和UA终端的内网组成，其特征在于，所述本地UA终端请求呼叫连接对方UA终端的步骤为：
(1)本地UA终端向所连接的本地OpenFlow交换机发送连接请求信息；
(2)本地OpenFlow交换机接收数据，识别接收的数据包中SIP格式消息，如果是呼叫信息则发送到所连接的SDN控制器；
(3)SDN控制器对接收信息进行解析，若是呼叫信息，则查找目标终端所在位置，并向本地OpenFlow交换机下发流表；
(4)本地OpenFlow交换机依据SDN控制器下发的流表向对方OpenFlow交换机发送请求信息，对方OpenFlow交换机向对方UA终端发送请求信息；
(5)对方UA终端通过对方OpenFlow交换机和本地OpenFlow交换机向本地UA终端发送确认消息；
(6)本地UA终端到对方UA终端的呼叫建立完毕。
7.根据权利要求6所述的基于SDN穿越内网的SIP多媒体通信方法，其特征在于还包括所述OpenFlow交换机接收发送信息的处理方法为：
若接收到SDN控制器下发的流表信息，解析并保存相关的匹配字段和相应的指令信息；
若接收到UA终端的数据包且识别出SIP注册类消息，则以packet-in消息格式发送至SDN控制器作进一步处理；
若接收到UA终端的数据包且识别出SIP呼叫类消息，则以packet-in消息格式发送至SDN控制器作进一步处理；
若接收到UA终端的数据包且识别出RTP媒体消息，按照路径信息直接转发至所对应的交换机和UA终端；
若接收到UA终端的数据包并发现是未知或不关心的信息，则直接丢弃。
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