CN111371682A - 基于多层标签的中间件网络中可扩展性路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多层标签的中间件网络架构，将网络划分为控制层与数据层，控制层负责默认路径的计算和路由的阶段性更新工作，数据层为交换机构建三个匹配表：第一匹配表、第二匹配表和第三匹配表；第一匹配表，将服务链写入数据包包头；第二匹配表，保存交换机到每个中间件的下一跳信息；根据包头的服务链信息，将数据包转发至对应中间件进行处理，并将已经过的中间件信息从包头的服务链中删除；第三匹配表，保存交换机到每个目的主机的下一跳信息，当数据包经过服务链进行处理后，第三匹配表将数据包转发至目的地。本发明通过三个匹配表的协同工作及多层标签的匹配与转发，可以使用极少的表项资源实现路由，提高了中间件网络的可扩展性。

Description

基于多层标签的中间件网络中可扩展性路由方法

技术领域

本发明属于中间件网络路由技术领域，具体地涉及一种在中间件网络（MiddleboxNetwork）中基于多层标签的可扩展性路由方法。

背景技术

防火墙、代理、深度包检测、负载均衡器等网络功能（Network Function）可以给网络提供不同的服务，被称为中间件。中间件被广泛的部署在各种不同的网络场景下如数据中心、云计算、骨干网、校园网等等。一般来说，数据流需要按照一定顺序经过特定的几个中间件（网络功能）来实现特定的处理要求，这种按照特定顺序排列的中间件组合被称为服务功能链。在中间件网络中，每条数据流进行路由时需要满足其服务功能链要求，因此中间件网路中的路由相比传统路由更加复杂。

目前中间件网络存在以下几个特点：（1）中间件网络中数据流需要经过服务功能组件进行处理，然后再返回至与之相连的交换机进行下一步转发操作，因此中间件网络中的路由存在环路，传统默认路由方案比如OSPF等并不适用此场景。（2）中间件网络由于存在服务链的存在，路由复杂，每条流的路由路径经过的跳数远比传统网络路由经过的跳数更多，因此表项资源消耗巨大。（3）交换机的表项资源极其有限。（4）实际的网络往往面临着极强的动态性，因此需要及时针对网络的动态性做出相应的路由调整以优化网络性能。

当前的中间件网络路由方案主要包括：（1）基于默认路径的流转发方案：通过对相同前后缀的数据流匹配一条表项的方式进行数据转发。（2）基于精确流匹配的路由方案：为每一条流的每一跳部署专门的精确匹配流表，从而实现数据转发。（3）联合平台（consolidated platform）方案：将所有的网络功能均在一个联合平台上实现，这样每条流只需经过该联合平台便可实现所有的处理要求，从而简化了服务功能链的操作，大大的提高了网络路由效率。

基于默认路径的流转发方案只需消耗极少的表项资源和极低的控制负载便可实现数据转发，但是当网络存在环路时，该方案可能不能满足服务功能链需求，此外该方案的网络性能较差。基于精确流匹配的路由方案，可以满足服务功能链的需求，但是需要消耗大量的表项资源并增加控制负载。搭建联合平台实现服务链功能的统一处理，需要专用的硬件支持。由此可见，当前的中间件网络路由方案无法同时满足低表项消耗、低控制负载、无需额外硬件支持以及服务功能链等要求。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明提出了一种基于多层标签的中间件网络中可扩展性路由方法，通过三个匹配表的协同工作以及控制层与数据层的信息交互，克服了传统中间件网络路由复杂、表项资源消耗大、控制负载高等缺点，通过多层标签的匹配与转发，可以使用极少的表项资源实现复杂的中间件网络路由，从而提高了中间件网络的可扩展性。

本发明的技术方案是：

一种基于多层标签的中间件网络架构，将网络划分为控制层与数据层，所述控制层包括默认路径构造模块，所述数据层为交换机构建三个匹配表，分别为第一匹配表、第二匹配表和第三匹配表；

所述第一匹配表，用于将服务功能链写入数据包包头；

所述第二匹配表，用于保存交换机到每个中间件的下一跳信息；根据包头的服务功能链信息，将数据包转发至对应中间件进行处理，并将已经过的中间件信息从包头的服务功能链中删除；

所述第三匹配表，用于保存交换机到每个目的主机的下一跳信息，当数据包经过整个服务功能链进行处理后，第三匹配表将数据包转发至目的地；

所述默认路径构造模块根据网络拓扑计算每个交换机到每个目的地及每个中间件的默认路径，并将每个交换机到每个目的地的默认路径的下一跳信息保存至该交换机的第三匹配表中，将每个交换机到每个中间件的默认路径的下一跳信息保存至该交换机的第二匹配表中；控制层将对应数据流需要经过的服务功能链信息写入对应数据流的入口交换机的第一匹配表中。

优选的技术方案中，所述第一匹配表包括第一匹配域和第一动作域，所述第一匹配域匹配相应的数据流，所述第一动作域将服务功能链信息写入匹配的数据包包头；所述第一动作域给匹配的数据包包头新增三个自定义域：第一域、第二域和第三域；所述第一域写入服务功能链中的第一个中间件信息；所述第二域写入服务功能链中剩余的中间件信息；所述第三域写入该数据包是否已经被写入服务功能链信息。

优选的技术方案中，每个数据包最多被写入一次服务功能链信息。

优选的技术方案中，所述第二匹配表包括第二匹配域和第二动作域，所述第二匹配域用于和数据包包头的第一域进行匹配；所述第二动作域将匹配的数据包转发至所匹配功能所对应的下一跳，并将第二域中的首个功能写入第一域。

优选的技术方案中，所述第三匹配表包括第三匹配域和第三动作域，所述第三匹配域包括五元组信息，所述第三动作域将匹配的数据包转发至所匹配地址对应的下一跳。

优选的技术方案中，所述控制层还包括轻量级路由更新模块，所述轻量级路由更新模块定期根据当前网络状态，在考虑表项约束的前提下，进行默认路径与单流精确匹配表项的联合优化，建立线性方程组，计算全局的优化路径，并将计算所得的路径信息以下发表项的方式下发给对应的交换机。

本发明还公开了一种基于多层标签的中间件网络架构的可扩展性路由方法，包括以下步骤：

（1）控制层的默认路径构造模块首先根据网络拓扑配置第一匹配表，第二匹配表和第三匹配表；

（2）当数据流到达交换机入端口，交换机首先将该数据包包头信息与第一匹配表中的条目进行匹配，如果找到匹配项，则将相应的服务功能链信息写入该数据包包头；

（3）交换机接着将该数据包包头信息与第二匹配表中的条目进行匹配，如果找到匹配项，则根据第二动作域将该数据包转发至对应出端口进行中间件处理；

（4）如果在第二匹配表中没有找到匹配项，则将该数据包包头信息与第三匹配表中的条目进行匹配，如果找到匹配项，则根据第三动作域将该数据包转发至对应出端口至目的主机；

（5）如果在第三匹配表中没有找到匹配项，则打包Packet-In信息请求控制器处理，控制器根据openflow协议下发相应的表项进行流转发操作。

与现有技术相比，本发明的优点是：

本发明通过三个匹配表的协同工作以及控制层与数据层的信息交互，克服了传统中间件网络路由复杂、表项资源消耗大、控制负载高等缺点，通过多层标签的匹配与转发，可以使用极少的表项资源实现复杂的中间件网络路由，从而提高了中间件网络的可扩展性。本发明拥有良好的拓展性，具有广阔的应用前景。

（1）流表资源消耗少：本方法通过SFC Table、Function Table和Flow Table的多层流表匹配转发模式，可以在中间件网络中建立类似传统网络的默认路径，从而大大降低了表项资源消耗。

（2）控制层负载低：本方法通过默认路径构造模块根据网络拓扑计算每个交换机到每个目的地及每个功能的默认路径（如最短路径等），提前将相关信息保存至对应的交换机表项中，从而大大降低了数据流到来时控制层与数据层信息交互的负载。

（3）网络负载均衡性能好：本方法通过轻量级路由更新模块定期的根据当前网络状态，在考虑表项约束的前提下，进行默认路径与单流精确匹配表项的联合优化，建立线性方程组，计算全局的优化路径，并将计算所得的路径信息以下发表项的方式下发给对应的交换机，从而提高了网络的负载均衡能力。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明基于多层标签的中间件网络中可扩展性路由方法的架构示意图；

图2为本发明基于多层标签的中间件网络中可扩展性路由方法的数据包处理流程图；

图3为本发明实施例网络拓扑图及表项示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进行进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例：

下面结合附图，对本发明的较佳实施例作进一步说明。

如图1所示，一种基于多层标签的中间件网络架构，将网络划分为控制层与数据层，所述控制层包括默认路径构造模块，所述数据层为交换机构建三个匹配表，包括第一匹配表、第二匹配表和第三匹配表；本实施例中，第一匹配表命名为SFC Table，第二匹配表命名为Function Table，第三匹配表命名为Flow Table，当然也可以为其他命名。

第一匹配表（SFC Table），用于将服务功能链写入数据包包头；

第二匹配表（Function Table），用于保存交换机到每个中间件的下一跳信息；根据包头的服务功能链信息，将数据包转发至对应中间件进行处理，并将已经过的中间件信息从包头的服务功能链中删除；

第三匹配表（Flow Table），用于保存该交换机到每个目的主机的下一跳信息，当数据包经过整个服务功能链进行处理后，第三匹配表将数据包转发至目的地。

所述默认路径构造模块根据网络拓扑计算每个交换机到每个目的地及每个功能的默认路径（如最短路径等），并将每个交换机到每个目的地的默认路径的下一跳信息保存至该交换机的第三匹配表中，将每个交换机到每个中间件的默认路径的下一跳信息保存至该交换机的第二匹配表中；控制层将对应数据流需要经过的服务功能链信息写入对应数据流的入口交换机的第一匹配表中。

第一匹配表包括第一匹配域和第一动作域，所述第一匹配域匹配相应的数据流，所述第一动作域将服务功能链信息写入匹配的数据包包头；所述第一动作域给匹配的数据包包头新增三个自定义域：第一域、第二域和第三域；所述第一域写入服务功能链中的第一个功能信息；所述第二域写入服务功能链中剩余的功能信息；所述第三域写入该数据包是否已经被写入服务功能链信息，用1 bit表示该数据包是否已经被写入服务功能链信息，每个数据包最多被写入一次服务功能链信息。

本实施例中具体应用时，第一域命名为Tag Match Field域、第二域命名为TagStorage Field域，第三域命名为Flag Bit域。

第二匹配表包括第二匹配域和第二动作域，所述第二匹配域用于和数据包包头的第一域进行匹配；所述第二动作域将匹配的数据包转发至所匹配中间件所对应的下一跳，并将第二域中的首个中间件写入第一域。

第三匹配表包括第三匹配域和第三动作域，所述第三匹配域包括五元组信息，所述第三动作域将匹配的数据包转发至所匹配地址对应的下一跳。

控制层还包括轻量级路由更新模块，所述轻量级路由更新模块定期根据当前网络状态，在考虑表项约束的前提下，进行默认路径与单流精确匹配表项的联合优化，建立线性方程组，计算全局的优化路径，并将计算所得的路径信息以下发表项的方式下发给对应的交换机。

如图2所示，上述基于多层标签的中间件网络架构的可扩展性路由方法，即数据流转发与处理操作，包括以下步骤：

（1）控制层的默认路径构造模块首先根据网络拓扑配置SFC Table，Function Table和Flow Table。

（2）当数据流到达交换机入端口，交换机首先将该数据包包头信息与SFC Table中的条目进行匹配。如果找到匹配项，则将相应的SFC信息写入该数据包包头。

（3）交换机接着将该数据包包头信息与Function Table中的条目进行匹配。如果找到匹配项，则根据动作域将该数据包转发至对应出端口，即转发至对应的中间件进行处理。

（4）如果在Function Table中没有找到匹配项，则将该数据包包头信息与FlowTable中的条目进行匹配。如果找到匹配项，则根据动作域将该数据包转发至对应出端口，即转发至目的主机。

（5）如果在Flow Table中没有找到匹配项，则打包Packet-In信息请求控制器处理，控制器根据openflow协议下发相应的表项进行流转发操作。

该路由方法可以使用极少的表项资源实现复杂的中间件网络路由，从而提高了中间件网络的可扩展性。

为了说明本发明框架，本实施例使用了如图3所示的网络，该网络包含3个交换机、3个服务功能以及2台主机。在该实例中管理员指定从10.1.1.0/24来的数据流需经过FW（防火墙）—IDS（入侵检测系统）—Proxy（代理）进行安全检查。具体实施步骤如下：

（1）控制层的默认路径构造模块首先根据网络拓扑配置SFC Table，Function Table和Flow Table，如图3所示。具体来说，SFC Table由管理员指定网络政策，即子网10.1.1.0/24的入口交换机v1需要SFC Table来将相应的服务功能链信息写入源地址为10.1.1.0/24的数据包包头。Function Table指定该交换机到每个服务功能的默认路径的下一跳信息。Flow Table指定该交换机到每个主机的默认路径的下一跳信息。

（2）该实例假设有数据流从主机s1转发至主机s2。故首先匹配入口交换机v1的SFCTable，匹配成功，写入服务功能链信息；接着匹配交换机v1的Function Table，匹配成功，转发至2号端口（FW）并改写该数据包包头的服务功能链信息（去掉FW）。

（3）当数据包被FW处理完成返回交换机v1时，交换机v1首先匹配SFC Table，由于Flag_bit为被改写，故匹配失败；接着匹配交换机v1的Function Table，匹配成功，转发至4号端口（IDS），接着依次匹配交换机v2和v3的Function Table，成功转发至IDS并在交换机v3上改写数据包包头的服务功能链信息（去掉IDS）。

（4）当数据包被IDS处理完成返回交换机v3时，交换机v3匹配Function Table，匹配成功，转发至1号端口（Proxy），接着依次匹配交换机v2和v1的Function Table，成功转发至Proxy并在交换机v1上改写该数据包包头的服务功能链信息（去掉Porxy）。

（5）当数据包被Proxy处理完成返回交换机v1时，交换机v1匹配SFC Table及Function Table，均失败；接着匹配交换机v1的Flow Table，匹配成功，转发至端口4，接着依次匹配交换机v2和v3的Flow Table成功，转发至目的主机s2。

该实例最终的路由路径为s1 −v1 −FW−v1 −v2 −v3 −IDS−v3 − v2 − v1 − Proxy− v1 − v2 − v3 − s2。所匹配的表项均可与其他数据流共享，即均为默认表项，故表项资源消耗少。该实例中所有的Function Table和Flow Table均为提前根据网络拓扑部署的默认表项，SFC Table也是根据管理员要求提前部署的。因此可以极大的减少数据流到来时的控制层与数据层的通信负载，同时通过多层默认路径的设立，可以极大的减少表项资源的消耗，简化中间件网络中的复杂路由问题。

此外，本方法在控制层设计了轻量级路由更新模块，将定期的利用剩余的表项资源进来默认表项与单流精确表项的联合优化，建立线性方程组，计算全局的优化路径，并将计算所得的路径信息以下发表项的方式下发给对应的交换机，从而达到路由更新的效果，优化整体网络性能。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (7)

1.一种基于多层标签的中间件网络架构，其特征在于，将网络划分为控制层与数据层，所述控制层包括默认路径构造模块，所述数据层为交换机构建三个匹配表，分别为第一匹配表、第二匹配表和第三匹配表；

所述第一匹配表，用于将服务功能链写入数据包包头；

所述第二匹配表，用于保存交换机到每个中间件的下一跳信息；根据包头的服务功能链信息，将数据包转发至对应中间件进行处理，并将已经过的中间件信息从包头的服务功能链中删除；

所述第三匹配表，用于保存交换机到每个目的主机的下一跳信息，当数据包经过整个服务功能链进行处理后，第三匹配表将数据包转发至目的地；

所述默认路径构造模块根据网络拓扑计算每个交换机到每个目的地及每个中间件的默认路径，并将每个交换机到每个目的地的默认路径的下一跳信息保存至该交换机的第三匹配表中，将每个交换机到每个中间件的默认路径的下一跳信息保存至该交换机的第二匹配表中；控制层将对应数据流需要经过的服务功能链信息写入对应数据流的入口交换机的第一匹配表中。

2.根据权利要求1所述的基于多层标签的中间件网络架构，其特征在于，所述第一匹配表包括第一匹配域和第一动作域，所述第一匹配域匹配相应的数据流，所述第一动作域将服务功能链信息写入匹配的数据包包头；所述第一动作域给匹配的数据包包头新增三个自定义域：第一域、第二域和第三域；所述第一域写入服务功能链中的第一个中间件信息；所述第二域写入服务功能链中剩余的中间件信息；所述第三域写入该数据包是否已经被写入服务功能链信息。

3.根据权利要求2所述的基于多层标签的中间件网络架构，其特征在于，每个数据包最多被写入一次服务功能链信息。

4.根据权利要求2所述的基于多层标签的中间件网络架构，其特征在于，所述第二匹配表包括第二匹配域和第二动作域，所述第二匹配域用于和数据包包头的第一域进行匹配；所述第二动作域将匹配的数据包转发至所匹配中间件所对应的下一跳，并将第二域中的首个中间件写入第一域。

5.根据权利要求1所述的基于多层标签的中间件网络架构，其特征在于，所述第三匹配表包括第三匹配域和第三动作域，所述第三匹配域包括五元组信息，所述第三动作域将匹配的数据包转发至所匹配地址对应的下一跳。

6.根据权利要求1所述的基于多层标签的中间件网络架构，其特征在于，所述控制层还包括轻量级路由更新模块，所述轻量级路由更新模块定期根据当前网络状态，在考虑表项约束的前提下，进行默认路径与单流精确匹配表项的联合优化，建立线性方程组，计算全局的优化路径，并将计算所得的路径信息以下发表项的方式下发给对应的交换机。

7.基于权利要求1-6任一项所述的基于多层标签的中间件网络架构的可扩展性路由方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）控制层的默认路径构造模块首先根据网络拓扑配置第一匹配表，第二匹配表和第三匹配表；

（2）当数据流到达交换机入端口，交换机首先将该数据包包头信息与第一匹配表中的条目进行匹配，如果找到匹配项，则将相应的服务功能链信息写入该数据包包头；

（3）交换机接着将该数据包包头信息与第二匹配表中的条目进行匹配，如果找到匹配项，则根据第二动作域将该数据包转发至对应出端口进行中间件处理；

（4）如果在第二匹配表中没有找到匹配项，则将该数据包包头信息与第三匹配表中的条目进行匹配，如果找到匹配项，则根据第三动作域将该数据包转发至对应出端口至目的主机；

（5）如果在第三匹配表中没有找到匹配项，则打包Packet-In信息请求控制器处理，控制器根据openflow协议下发相应的表项进行流转发操作。

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