CN112887412B - 基于sdn与边缘计算技术的分布式网络控制系统及控制方法 - Google Patents

基于sdn与边缘计算技术的分布式网络控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于SDN与边缘计算技术的分布式网络控制系统及控制方法，该分布式网络控制系统包括：顺次链接的一级网络总控层、二级站点分控层和边缘感知层；其中，一级网络总控层用于全局资源调度管理和全局网络视图管理；二级站点分控层用于局部数据资源计算管理和局部网络视图管理；边缘感知层用于终端数据采集管理和边缘计算管理。该分布式网络控制系统及控制方法解决了传统网络在处理大容量、高带宽、庞杂数据时存在的难以承载的问题。

Description

基于SDN与边缘计算技术的分布式网络控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及基于SDN与边缘计算技术的分布式网络控制系统及控制方法。
背景技术
在传统环境下，数据资源的整合、归集、处理、调度完全依赖于云计算中心强大的计算处理能力，这对网络的承载提出了严峻的挑战，随着物联网应用的加速推进，管理与运维手段更趋于智能化、自动化，终端侧应用服务器及各种类型传感器会大规模的部署应用，单一依靠集中式的云计算服务是远远无法满足海量数据上传对网络传输带宽及云计算中心对数据实时性处理的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于SDN与边缘计算技术的分布式网络控制系统及控制方法，该分布式网络控制系统及控制方法解决了传统网络在处理大容量、高带宽、庞杂数据时存在的难以承载的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于SDN与边缘计算技术的分布式网络控制系统，该分布式网络控制系统包括：顺次链接的一级网络总控层、二级站点分控层和边缘感知层；其中，所述一级网络总控层用于全局资源调度管理和全局网络视图管理；所述二级站点分控层用于局部数据资源计算管理和局部网络视图管理；所述边缘感知层用于终端数据采集管理和边缘计算管理。
优选地，所述一级网络总控层包括：SDN总控制器和一级OpenFlow交换机；其中，所述SDN总控制器通过OpenFlow标准协议支持的服务抽象层提供的Flow Programmer、Statistic Manager服务组件控制一级OpenFlow交换机数据转发、路由选择和流量分发选择，实现对二级站点分控层所上传数据资源的计算、存储以及调度，和对数据资源的归类及按需分配，以实现全局资源调度管理。
优选地，所述SDN总控制器还通过OpenFlow标准协议支持的服务抽象层提供的Topology Manager服务组件和通过REST API接口扩展OpenFlow模块提供的API接口扩展MPLS标签管理以及LSP路径，实现一级OpenFlow交换机的MPLS标签交换功能、下发探测报文计算网络拓扑和获取网络状态，以及通过SDN总控制器拓展的多种WEB UI组件，显示实时流量状态和网络拓扑状态并在前端展示，以实现全局网络视图管理。
优选地，所述二级站点分控层包括：SDN分控制器和二级OpenFlow交换机；其中，局域网中的SDN分控制器通过OpenFlow标准协议及其拓展协议进行资源管理调度控制二级OpenFlow交换机转发，实现局域网数据资源的数据计算、存储、身份鉴别和服务请求排队处理，以实现局部数据资源计算管理。
优选地，所述SDN分控制器还通过OpenFlow标准协议支持的服务抽象层提供的Topology Manager服务组件和通过REST API接口扩展OpenFlow模块提供的API接口拓展隧道管理、L3VPN APP及其WEB UI组件控制二级OpenFlow交换机实现局域网网络控制，以及业务隔离及拓扑状态的前端展示，以实现局部网络视图管理。
优选地，所述边缘感知层由各类传感器模块、MEC网关、应用服务器、二层交换机和边缘计算节点组成；传感器模块负责即时感知各终端设备的状态信息，并将各类信息传送给MEC网关，MEC网关负责汇总归集各传感器模块上传的状态信息，MEC网关将汇总归集的状态数据通过二层交换机接入到边缘计算节点中；各类应用服务器通过接入二层交换机将数据传送至边缘计算节点，边缘计算节点对各类数据进行数据清洗、阈值比对、状态分发及状态告警，并对清洗后的数据上传至二层站点分控制层中的SDN分控制器。
优选地，MEC网关提供多种数据传输接口，包括RS485接口、RS232接口、USB接口、RJ-45接口、红外线接口和/或蓝牙接口。
优选地，所述传感器模块为温湿度、红外探测、摄像头、门磁、交直流状态监测、水浸或烟雾传感器中的任意一种。
本发明还提供了一种基于SDN与边缘计算技术的分布式网络控制方法，该分布式网络控制方法包括：
通过一级网络总控层对全局资源调度管理和全局网络视图管理，通过与一级网络总控层链接的二级站点分控层对局部数据资源计算管理和局部网络视图管理，通过与二级站点分控层链接的边缘感知层对终端数据采集管理和边缘计算管理。
根据上述技术方案，本发明在计算机网络规划、运维和管理方面具有较大的现实意义，对于解决传统网络面临的网络规划复杂、网络运维难度大，数据传输时延高等问题具有重要的意义。运维人员只需要在图形化界面根据网络拓扑中各链路的流量状态对网络拓扑进行逻辑链路的拖拽即可实现网络路由的调整，灵活性高，能够有效提高运维效率，极大地减轻了信息运维人员日常运维工作量。确保了企业的业务系统正常可靠运行，为企业的生产经营提供有效支撑。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是SDN网络总体控制架构；
图2是边缘感知层架构。
附图标记说明
1SDN总控制器 2一级OpenFlow交换机
3SDN分控制器 4二级站点分控层
5传感器模块 6应用服务器
7MEC网关 8二层交换机
9边缘计算节点 10二级OpenFlow交换机
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，“上下左右、前后内外”等包含在术语中的方位词仅代表该术语在常规使用状态下的方位，或为本领域技术人员理解的俗称，而不应视为对该术语的限制。
参见图1-2所示的基于SDN与边缘计算技术的分布式网络控制系统，该分布式网络控制系统包括：顺次链接的一级网络总控层、二级站点分控层4和边缘感知层；其中，所述一级网络总控层用于全局资源调度管理和全局网络视图管理；所述二级站点分控层4用于局部数据资源计算管理和局部网络视图管理；所述边缘感知层用于终端数据采集管理和边缘计算管理。
通过上述技术方案的实施，该分布式网络控制系统是利用SDN技术控制与转发相分离的特点，将传统网络中控制与转发紧耦合的路由交换设备松耦合，使得控制层面抽象化，转发层面设备OpenFlow交换机将整体网络划分成一级网络总控层，二级站点分控层4，边缘感知层，控制层面采用分层调控，同一层级控制器之间隔离，无数据交互，上下层级控制器通过编排实现联动，一级网络总控层负责全局资源调度管理和全局网络视图管理，二级站点分控层4负责局部数据资源计算管理与局部网络视图管理；边缘感知层负责终端数据采集管理和边缘计算管理。
在该实施方式中，为了进一步实现全局资源调度管理，优选地，所述一级网络总控层包括：SDN总控制器1和一级OpenFlow交换机2；其中，所述SDN总控制器1通过OpenFlow标准协议支持的服务抽象层提供的Flow Programmer、Statistic Manager服务组件控制一级OpenFlow交换机2数据转发、路由选择和流量分发选择，实现对二级站点分控层4所上传数据资源的计算、存储以及调度，和对数据资源的归类及按需分配，以实现全局资源调度管理。
在该实施方式中，为了进一步实现全局网络视图管理，优选地，所述SDN总控制器1还通过OpenFlow标准协议支持的服务抽象层提供的Topology Manager服务组件和通过REST API接口扩展OpenFlow模块提供的API接口扩展MPLS标签管理以及LSP路径，实现一级OpenFlow交换机2的MPLS标签交换功能、下发探测报文计算网络拓扑和获取网络状态，以及通过SDN总控制器1拓展的多种WEB UI组件，显示实时流量状态和网络拓扑状态并在前端展示，以实现全局网络视图管理。
在该实施方式中，为了进一步实现局部数据资源计算管理，优选地，所述二级站点分控层4包括：SDN分控制器3和二级OpenFlow交换机10；其中，局域网中的SDN分控制器3通过OpenFlow标准协议及其拓展协议进行资源管理调度控制二级OpenFlow交换机10转发，实现局域网数据资源的数据计算、存储、身份鉴别和服务请求排队处理，以实现局部数据资源计算管理。
在该实施方式中，为了进一步实现局部网络视图管理，优选地，所述SDN分控制器3还通过OpenFlow标准协议支持的服务抽象层提供的Topology Manager服务组件和通过REST API接口扩展OpenFlow模块提供的API接口拓展隧道管理、L3VPN APP及其WEB UI组件控制二级OpenFlow交换机10实现局域网网络控制，以及业务隔离及拓扑状态的前端展示，以实现局部网络视图管理。二级站点分控层4的SDN分控制器3通过控制二级OpenFlow交换机10与边缘感知层的边缘计算节点9实现对底层数据的传输控制。
在该实施方式中，优选地，所述边缘感知层由各类传感器模块5、MEC网关7、应用服务器6、二层交换机8和边缘计算节点9组成；传感器模块5负责即时感知各终端设备的状态信息，并将各类信息传送给MEC网关7，MEC网关7负责汇总归集各传感器模块5上传的状态信息，MEC网关7将汇总归集的状态数据通过二层交换机8接入到边缘计算节点9中；各类应用服务器6通过接入二层交换机8将数据传送至边缘计算节点9，边缘计算节点9对各类数据进行数据清洗、阈值比对、状态分发及状态告警，并对清洗后的数据上传至二层站点分控制层中的SDN分控制器3。需要特别指出的是，本发明中所提及的一级OpenFlow交换机2和二级OpenFlow交换机10是指只需支持OpenFlow协议的交换机，没有品牌、性能区别。SDN总分控制器节点包含一套完整的数据库系统供数据存储。
在该实施方式中，优选地，MEC网关7提供多种数据传输接口，包括RS485接口、RS232接口、USB接口、RJ-45接口、红外线接口和/或蓝牙接口。
在该实施方式中，优选地，所述传感器模块5为温湿度、红外探测、摄像头、门磁、交直流状态监测、水浸或烟雾传感器中的任意一种。
本发明还提供了一种基于SDN与边缘计算技术的分布式网络控制方法，该分布式网络控制方法包括：
通过一级网络总控层对全局资源调度管理和全局网络视图管理，通过与一级网络总控层链接的二级站点分控层(4)对局部数据资源计算管理和局部网络视图管理，通过与二级站点分控层(4)链接的边缘感知层对终端数据采集管理和边缘计算管理。
本实施例包括一套完整的网络控制系统，区别于传统网络中按照网络设备性能不同，网络配置不同将网络分为核心层、汇聚层和接入层，本套网络系统是一种分布式的网络系统，另外，区别于传统网络中网络控制与转发都集中于路由器交换机设备工作模式，本套系统利用SDN技术控制与转发解耦的特点，网络控制系统及方法中分为SDN控制器和SDN交换机，SDN控制器负责网络状态的调控，SDN交换机只根据SDN控制器下发OpenFlow协议指令进行数据的转发，不进行路由寻址、计算等功能。在终端侧，利用边缘计算技术将终端感知层数据进行汇聚、归类、清洗和计算处理，去除庞杂冗余数据，减轻上传通道带宽占用压力，同时由于数据计算核心下沉至边缘处，对上层控制器的计算压力也大大缓解，提高了系统响应速度，按照网络分工区别，在底层边缘感知层，各类传感器部署于终端侧，传感器模块5即时感知各终端设备的状态信息，并将各类信息传送给MEC网关7，MEC网关7负责汇总归集各类传感器上传的状态信息，需要说明的是MEC网关7提供多种数据传输接口，包括RS485接口、RS232接口、USB接口、RJ-45接口、红外线接口及蓝牙接口等，MEC网关7将汇总归集的状态数据通过二层转发设备交换机接入到边缘计算节点9，各类应用服务器6也通过接入二层交换机8将数据传送至边缘计算节点9，边缘计算节点9对各类数据进行数据清洗、阈值比对、状态分发及状态告警等，并对清洗后的数据上传至二层站点分控制层SDN分控制器3。二级站点分控层4中的SDN分控制器3通过OpenFlow协议下发流表指令实现对站点内数据资源计算管理与网络视图管理，其二级站点内数据资源计算管理是SDN分控制器3通过OpenFlow标准协议及其拓展协议进行资源管理调度控制二级OpenFlow交换机10转发，提供Qos服务保障和安全防护，实现局域网数据资源的数据计算、存储、身份鉴别和服务请求排队处理。二级站点内网络视图管理是SDN分控制器3通过OpenFlow标准协议支持的服务抽象层提供的Topology Manager服务组件和通过REST API接口扩展OpenFlow模块提供的API接口拓展隧道管理、L3VPN APP及其WEB UI组件控制二级OpenFlow交换机10实现局域网网络控制，业务隔离及拓扑状态的前端展示。二级站点分控层4通过二级OpenFlow交换机10与一级网络总控层连接，通过编排技术实现数据同步联动，并将站点内数据状态信息发送至一级网络总控层，一级网络总控层负责全局资源调度管理和全局网络视图管理，全局资源调度管理是SDN总控制器1通过OpenFlow标准协议支持的服务抽象层提供Flow Programmer、Statistic Manager等多种服务组件控制一级OpenFlow交换机2数据转发实现对二级站点分控层4上传数据资源的计算、存储及灵活调度，和对数据资源的有效归类、按需分配；全局网络视图管理模块是SDN总控制器1通过OpenFlow标准协议支持的服务抽象层提供的Topology Manager服务组件和通过REST API接口扩展OpenFlow协议服务模块提供的API接口扩展MPLS标签管理、LSP路径等以实现一级OpenFlow交换机2的MPLS标签交换功能、下发探测报文计算网络拓扑，获取网络状态，实现对一级OpenFlow交换机2数据转发控制、路由控制、流量分发等，通过SDN总控制器1拓展的多种WEB UI组件显示实时流量状态、网络拓扑状态前端展示。
本发明在计算机网络规划、运维和管理方面具有较大的现实意义，对于解决传统网络面临的网络规划复杂、网络运维难度大，数据传输时延高等问题具有重要的意义。运维人员只需要在图形化界面根据网络拓扑中各链路的流量状态对网络拓扑进行逻辑链路的拖拽即可实现网络路由的调整，灵活性高，能够有效提高运维效率，极大地减轻了信息运维人员日常运维工作量。确保了企业的业务系统正常可靠运行，为企业的生产经营提供有效支撑。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (7)

1.一种基于SDN与边缘计算技术的分布式网络控制系统，其特征在于，所述分布式网络控制系统包括：顺次链接的一级网络总控层、二级站点分控层(4)和边缘感知层；其中，
所述一级网络总控层用于全局资源调度管理和全局网络视图管理；所述二级站点分控层(4)用于局部数据资源计算管理和局部网络视图管理；所述边缘感知层用于终端数据采集管理和边缘计算管理；
所述一级网络总控层包括：SDN总控制器(1)和一级OpenFlow交换机(2)；其中，
所述SDN总控制器(1)通过OpenFlow标准协议支持的服务抽象层提供的FlowProgrammer、Statistic Manager服务组件控制一级OpenFlow交换机(2)数据转发、路由选择和流量分发选择，实现对二级站点分控层(4)所上传数据资源的计算、存储以及调度，和对数据资源的归类及按需分配，以实现全局资源调度管理；
所述二级站点分控层(4)包括：SDN分控制器(3)和二级OpenFlow交换机(10)；其中，
局域网中的SDN分控制器(3)通过OpenFlow标准协议及其拓展协议进行资源管理调度控制二级OpenFlow交换机(10)转发，实现局域网数据资源的数据计算、存储、身份鉴别和服务请求排队处理，以实现局部数据资源计算管理。
2.根据权利要求1所述的基于SDN与边缘计算技术的分布式网络控制系统，其特征在于，所述SDN总控制器(1)还通过OpenFlow标准协议支持的服务抽象层提供的TopologyManager服务组件和通过REST API接口扩展OpenFlow模块提供的API接口扩展MPLS标签管理以及LSP路径，实现一级OpenFlow交换机(2)的MPLS标签交换功能、下发探测报文计算网络拓扑和获取网络状态，以及通过SDN总控制器(1)拓展的多种WEB UI组件，显示实时流量状态和网络拓扑状态并在前端展示，以实现全局网络视图管理。
3.根据权利要求1所述的基于SDN与边缘计算技术的分布式网络控制系统，其特征在于，所述SDN分控制器(3)还通过OpenFlow标准协议支持的服务抽象层提供的TopologyManager服务组件和通过REST API接口扩展OpenFlow模块提供的API接口拓展隧道管理、L3VPN APP及其WEB UI组件控制二级OpenFlow交换机(10)实现局域网网络控制，以及业务隔离及拓扑状态的前端展示，以实现局部网络视图管理。
4.根据权利要求1所述的基于SDN与边缘计算技术的分布式网络控制系统，其特征在于，所述边缘感知层由各类传感器模块(5)、MEC网关(7)、应用服务器(6)、二层交换机(8)和边缘计算节点(9)组成；
传感器模块(5)负责即时感知各终端设备的状态信息，并将各类信息传送给MEC网关(7)，MEC网关(7)负责汇总归集各传感器模块(5)上传的状态信息，MEC网关(7)将汇总归集的状态数据通过二层交换机(8)接入到边缘计算节点(9)中；
各类应用服务器(6)通过接入二层交换机(8)将数据传送至边缘计算节点(9)，边缘计算节点(9)对各类数据进行数据清洗、阈值比对、状态分发及状态告警，并对清洗后的数据上传至二层站点分控制层中的SDN分控制器(3)。
5.根据权利要求4所述的基于SDN与边缘计算技术的分布式网络控制系统，其特征在于，MEC网关(7)提供多种数据传输接口，包括RS485接口、RS232接口、USB接口、RJ-45接口、红外线接口和/或蓝牙接口。
6.根据权利要求4所述的基于SDN与边缘计算技术的分布式网络控制系统，其特征在于，所述传感器模块(5)为温湿度、红外探测、摄像头、门磁、交直流状态监测、水浸或烟雾传感器中的任意一种。
7.一种基于SDN与边缘计算技术的分布式网络控制方法，其特征在于，所述分布式网络控制方法基于权利要求1-6中的任意一项所述的基于SDN与边缘计算技术的分布式网络控制系统，所述分布式网络控制方法包括：
通过一级网络总控层对全局资源调度管理和全局网络视图管理，通过与一级网络总控层链接的二级站点分控层(4)对局部数据资源计算管理和局部网络视图管理，通过与二级站点分控层(4)链接的边缘感知层对终端数据采集管理和边缘计算管理。
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