CN109861899B - 虚拟家庭网关及实现方法、家庭网络中心及数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种虚拟家庭网关的实现方法，涉及通信技术领域，本发明多个实体家庭网关发送至虚拟家庭网关的报文分别携带不同的VXLAN信息或VLAN信息；在虚拟家庭网关中设置与各个实体家庭网关分别对应的VXLAN接口或VLAN接口，根据报文中VXLAN信息或VLAN信息，接收对应的实体家庭网关发送的报文；每个VXLAN接口或VLAN接口通过网桥连接至DHCP/DNS模块，为对应的实体家庭网关提供IP地址分配和DNS解析服务。实现实体家庭网关向虚拟家庭网关的N:1迁徙，减少对虚拟机资源的消耗，对计算、网络、存储资源的使用更加集约，使用效率提高。本发明还提供一种支持多租户的虚拟家庭网关、家庭网络中心、及数据处理方法。

Description

虚拟家庭网关及实现方法、家庭网络中心及数据处理方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种虚拟家庭网关及实现方法、家庭网络中心及数据处理方法。

背景技术

家庭接入网关经历了以简单宽带业务为重点的SFU、以家庭连接中心为重点的HGU、以增值业务中枢为重点的智能网关，正在向以复杂云端业务为重点的虚拟网关发展。

传统PG(Physical Gateway，实体家庭网关)在定制化家庭网关应用中存在提供新业务能力差、升级周期长、三层配置复杂且故障率较高、网络演进困难等诸多问题。VG(Virtual Gateway，虚拟家庭网关)是将传统实体家庭网关上的三层路由、NAT(NetworkAddress Translator，网络地址翻译)、用户认证、增值业务等功能上移到网络侧，客户端设备仅保留二层转发、隧道封装及配置、基于二层信息的防火墙等功能。该方式简化了客户侧设备的配置难度，从而降低用户侧故障率，避免对网关频繁升级引起的故障以及硬件、软件成本增加，有利于网络演进。

传统接入网在SDN(Software Defined Networking，软件定义网络)/NFV(NetworkFunctions Virtualization，网络功能虚拟化)技术引领下正在向云化接入的方向演进。参见图1所示，其中的一种典型方案是实体家庭网关向虚拟网关的1:1迁移，即一个实体家庭网关对应数据中心或云端的一个虚拟家庭网关，该虚拟家庭网关的承载体可以是一个虚拟机，亦可以是一个容器。这种方法虽然清晰直观，但是家庭接入网环境的大容量特征决定了随着家庭数量的不断增加，需要有成千上万的虚拟机或容器来为相应的家庭提供服务，从而消耗巨大的计算资源，其中虚拟机对资源的消耗程度要远大于容器。为了解决家庭网关虚拟化的1:1迁移方案中对资源的粗放式的使用问题，需要设计并实现一套更为集约的方法。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种虚拟家庭网关及实现方法、家庭网络中心及数据处理方法，实现实体家庭网关向虚拟家庭网关的N:1迁徙，减少对VM(Virtual Machine，虚拟机)资源的消耗。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种虚拟家庭网关的实现方法，包括以下步骤：

多个实体家庭网关发送至虚拟家庭网关的报文分别携带不同的VXLAN信息或VLAN信息；

在虚拟家庭网关中设置与各个实体家庭网关分别对应的VXLAN接口或VLAN接口，根据报文中VXLAN信息或VLAN信息，接收对应的实体家庭网关发送的报文；

在虚拟家庭网关中设置每个VXLAN接口或VLAN接口通过网桥连接至独立的DHCP/DNS模块，DHCP/DNS模块用于为VXLAN接口或VLAN接口对应的实体家庭网关提供IP地址分配和DNS解析服务。

在上述技术方案的基础上，所述方法还包括以下步骤：全部所述DHCP/DNS模块通过VRF模块连接至一个NAT模块，NAT模块为VXLAN接口或VLAN接口对应的所有实体家庭网关提供通过私有网络访问公共网络服务；

所述NAT模块连接虚拟家庭网关的WAN口，WAN口为VXLAN接口或VLAN接口对应的所有实体家庭网关提供连接外部网络服务，WAN口的出口包括默认WAN连接和加速WAN连接。

在上述技术方案的基础上，所述方法还包括以下步骤：

在虚拟家庭网关的WAN口中完成两级上行QoS带宽限制和优先级调度，在虚拟家庭网关的LAN口中完成两级下行QoS带宽限制和优先级调度。

在上述技术方案的基础上，所述方法还包括以下步骤：将所述虚拟家庭网关连接至可编排的SFC，可编排的SFC包括DPI增值业务、Firewall增值业务。

本发明还提供一种支持多租户的虚拟家庭网关，包括LAN口、网桥、DHCP/DNS模块、VRF模块和NAT模块，其特征在于：还包括多个VXLAN接口或多个VLAN接口，所述LAN口连接多个VXLAN接口或多个VLAN接口，每个VXLAN接口或VLAN接口连接一个网桥，每个网桥分别连接DHCP/DNS模块和VRF模块，所有网桥均通过VRF模块连接至一个NAT模块。

在上述技术方案的基础上，所述WAN口设有多个出口，分别对应默认WAN连接和加速WAN连接。

本发明还提供一种家庭网络中心，包括所述支持多租户的虚拟家庭网关。

在上述技术方案的基础上所述家庭网络中心还包括SFC分类器、DPI模块和Firewall模块。

本发明还提供一种基于如权利要求7所述家庭网络中心的的数据处理方法，包括以下步骤：

VXLAN报文或VLAN报文从实体家庭网关经由接入网发送至SFC分类器；

SFC分类器根据报文中的业务信息设置服务链发送规则；

根据服务链发送规则将该报文发送到DPI模块、Firewall模块和虚拟家庭网关。

在上述技术方案的基础上，将报文发送给虚拟家庭网关之后，还包括以下步骤：

虚拟家庭网关解析收到的VXLAN报文或VLAN报文，转发至对应的VXLAN接口或VLAN接口连接的网桥；

如果该报文为DHCP或DNS报文，转发至网桥连接的DHCP/DNS模块进行解析，针对DNS报文设置目的IP的转发规则，再发送至NAT模块；如果该报文非DHCP或DNS报文，直接转发至NAT模块；

NAT模块根据目的IP的转发规则，将报文发送至默认WAN连接和加速WAN连接。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

多个实体家庭网关发送至虚拟家庭网关的报文分别携带不同的VXLAN信息或VLAN信息；在虚拟家庭网关中设置与各个实体家庭网关分别对应的VXLAN接口或VLAN接口，根据报文中VXLAN信息或VLAN信息，接收对应的实体家庭网关发送的报文；每个VXLAN接口或VLAN接口通过网桥连接至DHCP/DNS模块，为对应的实体家庭网关提供IP地址分配和DNS解析服务。实现实体家庭网关向虚拟家庭网关的N:1迁徙，减少对虚拟机资源的消耗，对计算、网络、存储资源的使用更加集约，使用效率提高。本发明还提供一种支持多租户的虚拟家庭网关、家庭网络中心、及数据处理方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面对实施例对应的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为背景技术中虚拟网关的1:1模型方案；

图2是本发明实施例中虚拟网关的N:1模型方案；

图3是本发明实施例中家庭网络中心的业务编排转发方法的流程示意图；

图4是本发明实施例中家庭网络中心的数据转发方法的流程示意图。

具体实施方式

术语说明：

VXLAN：Virtual Extensible LAN，虚拟可扩展局域网。

VLAN：Virtual LAN，虚拟局域网。

DHCP:Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议。

DNS:Domain Name System，域名系统。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例提供一种虚拟家庭网关的实现方法，包括以下步骤：

多个实体家庭网关发送至虚拟家庭网关的报文分别携带不同的VXLAN信息或VLAN信息；从实体家庭网关发送至虚拟家庭网关的报文携带有VXLAN信息或VLAN信息；报文中的VXLAN信息可以是以实体家庭网关作为VTEP(VXLAN Tunnel End Point，VXLAN隧道终点)端点，亦可以是MSBN(Multi-Service Broadband Network，多业务宽带网络)中的BNG(Broadband Network Gateway，宽带网络网关)作为VTEP端点；报文中的VLAN信息，还可以是QinQ(也称Stacked VLAN或Double VLAN)；QinQ是指将用户私网VLAN标签封装在公网VLAN标签中，使报文带着两层VLAN标签穿越运营商的骨干网络。

参见图2所示，在虚拟家庭网关中设置与各个实体家庭网关分别对应的VXLAN接口或VLAN接口，根据报文中VXLAN信息或VLAN信息，接收对应的实体家庭网关发送的报文；在虚拟家庭网关中设置每个VXLAN接口或VLAN接口通过网桥连接至独立的DHCP/DNS模块，DHCP/DNS模块用于为VXLAN接口或VLAN接口对应的实体家庭网关提供IP地址分配和DNS解析服务。图中ifLAN为pG上的LAN侧接口；ifWAN为pG上的WAN侧接口。

对于每个实体家庭网关来说，可以通过以下两种方式之一来对家庭进行区分和隔离：

VXLAN方式：通过实体家庭网关和虚拟家庭网关之间的VXLAN隧道，建立起实体家庭网关和虚拟家庭网关之间的二层通道；

VLAN方式：使用VLAN直接区分不同实体家庭网关和虚拟家庭网关之间的二层通道。

上述两种方式都能够支持不同家庭网络之间的二层隔离，且支持家庭内部IP地址(如：192.168.1.x)的重叠，但是VXLAN的容量(2²⁴)要大于VLAN的容量(单层VLAN约2¹²，QinQ约2¹²*2¹²)，结合实际家庭网络所需要的大容量和叠加网络要求，优先选择VXLAN对家庭网络进行隔离。

虚拟家庭网关内部采用网桥(Bridge)和虚拟路由转发(VRF，Virtual Routingand Forwarding)来隔离不同家庭，不同的家庭在虚拟家庭网关中有自己的Bridge和VRF，用于处理该家庭内部L2和L3的报文。虚拟家庭网关内部为每个家庭提供一个独立的DHCPServer/DNS Relay功能模块，采用Linux Network Namespace(Linux网络命名空间)进行隔离，并通过一个接口挂到该家庭的Bridge上。虚拟家庭间的网络地址可以不重叠，也可以使用重叠的地址。

作为优选的实施方式，全部DHCP/DNS模块通过VRF模块连接至一个NAT模块，NAT模块为VXLAN接口或VLAN接口对应的所有实体家庭网关提供通过私有网络访问公共网络服务。

作为优选的实施方式，NAT模块连接虚拟家庭网关的WAN口，WAN口为VXLAN接口或VLAN接口对应的所有实体家庭网关提供连接外部网络服务。虚拟家庭网关的WAN口设有多个出口，分别对应默认WAN连接和加速WAN连接。虚拟家庭网关的WAN侧可以有多个出口(多条WAN连接)，且被所有的家庭共享使用，即：能够实现家庭1、家庭2可以走相同的默认WAN连接(或其它WAN连接)，亦能够支持家庭1根据策略既可以走默认WAN连接，也可以走其它WAN连接。

作为优选的实施方式，在虚拟家庭网关的WAN口中完成两级上行QoS带宽限制和优先级调度，在虚拟家庭网关的LAN口中完成两级下行QoS带宽限制和优先级调度。

作为优选的实施方式，将虚拟家庭网关连接至可编排的SFC，可编排的SFC包括但不限于DPI增值业务、Firewall增值业务。

参见图2所示，本发明实施例还提供一种支持多租户的虚拟家庭网关，包括LAN口、网桥、DHCP/DNS模块、VRF模块和NAT模块，其特征在于：还包括多个VXLAN接口或多个VLAN接口，LAN口连接多个VXLAN接口或多个VLAN接口，每个VXLAN接口或VLAN接口连接一个网桥，每个网桥分别连接DHCP/DNS模块和VRF模块，所有网桥均通过VRF模块连接至一个NAT模块。

作为优选的实施方式，WAN口设有多个出口，分别对应默认WAN连接(如图2中的WANa:Default)和加速WAN连接(如图2中的WANb:Special)。

本发明实施例还提供一种基于支持多租户的虚拟家庭网关的家庭网络中心，包括：

家庭网络中心包括支持多租户的虚拟家庭网关；

虚拟家庭网关包括LAN口、VXLAN接口或VLAN接口中的一种、网桥、DHCP/DNS模块、VRF模块和NAT模块；

LAN口连接多个VXLAN接口或多个VLAN接口，每个VXLAN接口或VLAN接口连接一个网桥，每个网桥分别连接DHCP/DNS模块和VRF模块，所有网桥均通过VRF模块连接至一个NAT模块。

其中虚拟家庭网关用于提供IP地址分配、DNS解析、策略网络地址转换功能，DNS解析配合策略NAT可提供定向加速业务。其中DPI、Firewall在SFC(Service FunctionChaining，服务功能链)的编排下灵活提供深度报文检测、防火墙等功能。

作为优选的实施方式，家庭网络中心还包括SFC分类器、DPI模块和Firewall模块。

作为优选的实施方式，家庭网络中心还包括虚拟交换机，SFC分类器、DPI模块、Firewall模块和虚拟家庭网关通过虚拟交换机器相互连接。

为提高数据转发性能，虚拟交换机(vSwitch)可采用SR-IOV(Single Root I/OVirtualization)的硬件vSwitch或者是基于DPDK(Data Plane Development Kit，数据平面开发工具包)的软件vSwitch；DPI、Firewall、虚拟家庭网关等虚拟网络功能(VNF，Virtual Network Function)基于用户态协议栈实现。

作为优选的实施方式，虚拟家庭网关根据图4的处理步骤设置DNS规则、ACL规则，配合NAT模块完成基于DNS解析和目的IP的策略NAT，进而实现全向加速、定向加速业务。

作为优选的实施方式，虚拟家庭网关内部针对家庭的特征值以及家庭内部设备的特征值在WAN口完成两级(家庭、家庭内部设备)上行QoS带宽限制和优先级调度，在LAN口完成两级(家庭、家庭内部设备)下行QoS带宽限制和优先级调度。其中，家庭的特征值包括但不限于VXLAN信息或VLAN ID；家庭内部设备的特征值包括但不限于MAC地址、IP地址。

本发明实施例还提供一种基于家庭网络中心的的数据处理方法，包括以下步骤：

VXLAN报文或VLAN报文从实体家庭网关经由接入网发送至SFC分类器；

SFC分类器根据报文中的业务信息设置SFC规则；

根据服务链发送规则将该报文发送到DPI模块、Firewall模块和虚拟家庭网关。

参见图3所示，以VXLAN隔离方式为例，上述过程具体包括以下步骤：

步骤101，VXLAN报文从一个家庭的实体家庭网关经由接入网MSBN达到数据中心的SFC分类器(Classifier)；

步骤102，Classifier会根据该家庭所订购的业务信息设置SFC规则，例如该家庭订购了DPI、Firewall业务，则SFC规则为：DPI->Firewall->虚拟家庭网关，Classifier设置相应的NSH(Network Service Header，网络服务标头)信息并转发，如：通过VXLAN-GPE(Generic Protocol Extension for VXLAN，VXLAN的通用协议扩展)封装NSH；

步骤103，SFC业务功能分发者(SFF，Service Function Forwarder)根据SFC规则依次将该报文发送到DPI、Firewall，最后将报文发送给虚拟家庭网关。

上述步骤中，SFC规则可根据相应家庭所订购的业务进行灵活设置，可以是其它组合方式，如：DPI->虚拟家庭网关、Firewall->虚拟家庭网关或者虚拟家庭网关等。

本发明实施例提供的基于家庭网络中心的的数据处理方法，将报文发送给虚拟家庭网关之后，还包括以下步骤：

虚拟家庭网关解析收到的VXLAN报文或VLAN报文，转发至对应的VXLAN接口或VLAN接口连接的网桥；

如果该报文为DHCP或DNS报文，转发至网桥连接的DHCP/DNS模块进行解析，针对DNS报文设置目的IP的转发规则，再发送至NAT模块；如果该报文非DHCP或DNS报文，直接转发至NAT模块；

NAT模块根据目的IP的转发规则，将报文发送至默认WAN连接和加速WAN连接。

参见图4所示，以VXLAN隔离方式为例，上述过程具体包括以下步骤：

步骤201，虚拟家庭网关收到VXLAN报文后将内层报文解析出来，得到家庭内部的二层报文，并在该家庭所对应的Bridge中进行转发，如果该报文为DHCP或DNS报文，则转步骤202；如果不是，则转步骤203；

步骤202，如果是DHCP报文，则转202a；如果是DNS报文，则转202b；

步骤202a，虚拟家庭网关将收到的DHCP Discover报文在其所对应的Bridge中进行广播，被该Bridge上的DHCP Server收到，该DHCP Server响应DHCP Offer报文，携带IP、Gateway以及DNS信息，例如其中Gateway为192.168.1.254，DNS Server为192.168.1.1；

步骤202b，虚拟家庭网关将收到的DNS Request报文发送到DNS Relay，DNS Relay根据规则决定将该请求发往相应的DNS Server；DNS Relay在收到响应后将解析出来的IP作为参数设置ACL(Access Control List)规则；

步骤203，虚拟家庭网关使用ACL设置报文转发规则，如基于目的IP的转发规则；

步骤204，虚拟家庭网关对发向默认网关(如：192.168.1.254)的数据报文送往NAT模块，在IP地址重叠的场景下，不同家庭的默认网关IP地址虽然一样，但是不同的家庭属于不同的VRF，进而起到家庭间的隔离；同时，该NAT模块可以有多个出口(多条WAN连接)，供所有的家庭根据规则选择不同的WAN连接通道；

步骤205，NAT模块进行网络地址转换后，将报文送到默认WAN连接(Default)或者其它WAN连接，如加速WAN连接(Special)；

上述方法及实施能够解决实体家庭网关向虚拟化网关的1:1迁移过程中对VM资源的消耗问题，同时，在实现虚拟网关的基本业务和部分增值业务的框架下，为后续引入新业务提供了保障和可能性。

需要说明的是，上述VNF不限于当前所列的DPI、Firewall、虚拟家庭网关，还可以引入其他第三方的VNF；且虚拟家庭网关内部也不限于当前所列的DHCP、DNS、ACL、NAT、QoS功能，还可以引入其他家庭业务功能。

新业务是以VNF的形式引入还是在虚拟家庭网关内部引入，需要综合考虑资源利用率和效率。

本方法不限于将虚拟家庭网关作为SFC中最后一个VNF，还可以调整为其它顺序。

本方法不限于两个家庭，可以有更多家庭；本方法不限于两个WAN连接，可以有更多的WAN连接。

本方法虚拟家庭网关的N:1模型不限于采用虚拟机进行承载，可以按照1:1模型在容器上承载。

上述隔离方法不限于当前所列的VXLAN、VLAN，还可以是GRE、L2TP等隧道技术。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种虚拟家庭网关的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

多个实体家庭网关发送至虚拟家庭网关的报文分别携带不同的VXLAN信息或VLAN信息；

在虚拟家庭网关中设置与各个实体家庭网关分别对应的VXLAN接口或VLAN接口，根据报文中VXLAN信息或VLAN信息，接收对应的实体家庭网关发送的报文；

在虚拟家庭网关中设置每个VXLAN接口或VLAN接口通过网桥连接至独立的DHCP/DNS模块，DHCP/DNS模块用于为VXLAN接口或VLAN接口对应的实体家庭网关提供IP地址分配和DNS解析服务，全部所述DHCP/DNS模块通过VRF模块连接至一个NAT模块，NAT模块为VXLAN接口或VLAN接口对应的所有实体家庭网关提供通过私有网络访问公共网络服务；

所述NAT模块连接虚拟家庭网关的WAN口，WAN口为VXLAN接口或VLAN接口对应的所有实体家庭网关提供连接外部网络服务，WAN口的出口包括默认WAN连接和加速WAN连接。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

在虚拟家庭网关的WAN口中完成两级上行QoS带宽限制和优先级调度，在虚拟家庭网关的LAN口中完成两级下行QoS带宽限制和优先级调度。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：将所述虚拟家庭网关连接至可编排的SFC，可编排的SFC包括DPI增值业务、Firewall增值业务。

4.一种支持多租户的虚拟家庭网关，包括LAN口、网桥、DHCP/DNS模块、VRF模块和NAT模块，其特征在于：还包括多个VXLAN接口或多个VLAN接口，所述LAN口连接多个VXLAN接口或多个VLAN接口，每个VXLAN接口或VLAN接口连接一个网桥，每个网桥分别连接DHCP/DNS模块和VRF模块，所有网桥均通过VRF模块连接至一个NAT模块。

5.如权利要求4所述的支持多租户的虚拟家庭网关，其特征在于：

所述NAT模块连接虚拟家庭网关的WAN口，WAN口为VXLAN接口或VLAN接口对应的所有实体家庭网关提供连接外部网络服务；所述WAN口设有多个出口，分别对应默认WAN连接和加速WAN连接。

6.一种家庭网络中心，其特征在于，包括权利要求4所述的支持多租户的虚拟家庭网关。

7.如权利要求6所述的家庭网络中心，其特征在于：所述家庭网络中心还包括SFC分类器、DPI模块和Firewall模块。

8.一种基于如权利要求6所述家庭网络中心的的数据处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

VXLAN报文或VLAN报文从实体家庭网关经由接入网发送至SFC分类器；

SFC分类器根据报文中的业务信息设置服务链发送规则；

根据服务链发送规则将该报文发送到DPI模块、Firewall模块和虚拟家庭网关。

9.如权利要求8所述的数据处理方法，其特征在于：将报文发送给虚拟家庭网关之后，还包括以下步骤：

虚拟家庭网关解析收到的VXLAN报文或VLAN报文，转发至对应的VXLAN接口或VLAN接口连接的网桥；

如果该报文为DHCP或DNS报文，转发至网桥连接的DHCP/DNS模块进行解析，针对DNS报文设置目的IP的转发规则，再发送至NAT模块；如果该报文非DHCP或DNS报文，直接转发至NAT模块；

NAT模块根据目的IP的转发规则，将报文发送至默认WAN连接和加速WAN连接。

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