CN112954086A - 基于arp协议的sdn网络实现三层模式服务链的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于ARP协议的SDN网络实现三层模式服务链的方法，包括以下步骤：为服务链中的每台交换机构建服务链交换机链路以及交换机链路的服务功能路径；构建确定的路径，渲染出流量转发流表；为服务链构建ARP地图；向交换机下发ARP流表和流量转发流表；交换机根据ARP流表，把从接口上收到的ARP报文投递到服务链，服务链学习ARP信息；使用虚拟MAC地址封装ARP回应报文，发送回接收接口；交换机将流量报文中的二层虚拟MAC地址改写为真实MAC地址，发送至服务功能节点。本方法保证在流量到达目标三层接口后可以顺利的转发，实现流量的不中断，使在服务链中可以同时添加二层和三层节点，使网络的部署更为灵活。

Description

基于ARP协议的SDN网络实现三层模式服务链的方法
技术领域
本发明涉及网络通信技术领域，具体涉及一种应用ARP协议的SDN网络实现三层模式服务链的算法及实现的方法。
背景技术
端到端服务交付的安全性、可靠性及用户体验，通常需要各种服务功能(SF)的保障，如：下一代防火墙、入侵防护系统、Web应用防火墙和服务器负载均衡设备等。
服务功能当前的部署模型通常很紧密耦合到网络拓扑和物理资源，从而导致相对刚性和静态部署，限制了网络运维者引入新的或修改现有的服务功能。此外还有一个层叠效应：修改服务链中的一个或多个服务往往会影响链中的其他服务。这个问题在需要相对迅速的部署、解构或移动物理、虚拟服务功能的网络环境中尤为突出。另外，向虚拟平台的过渡，需要在现有网络中支持敏捷服务接入模型，例如支持弹性和非常细粒度的服务部署、事后修改以及移动服务功能和应用负载。
基于SDN技术的服务链(SFC)，能够很好的解决上述传统的服务部署面临的诸多限制，提供敏捷、可靠的服务接入模型。但是由于服务链技术的复杂性，以及SDN/OpenFlow协议与传统网络转发模式的根本差异，目前服务链(SFC)应用基本上都只支持服务功能(SF)的二层透明模式(Transparent Mode)的部署方式，不支持三层路由模式(Routed Mode)的部署方式，当以三层路由模式工作的服务功能(SF)需要在服务链(SFC)中部署时，需要更改配置为二层透明模式，增加了工作量，更重要的是丢失了部分三层路由模式下才具备的功能特性，如：网络地址转换、链路负载均衡等，最终限制了服务链(SFC)的应用范围，降低了部署灵活度。
相关术语：
OpenFlow，网络通信协议，能够控制网络交换器或路由器的转发平面(forwardingplane)，借此改变网络数据包所走的网络路径。
SDN(Software-defined networking),软件定义网络是一种新型网络架构。它利用OpenFlow协议将路由器的控制平面(control plane)从数据平面(data plane)中分离，改以软件方式实现。该架构可使网络管理员在不更动硬件设备的前提下，以中央控制方式用程序重新规划网络，为控制网络流量提供了新方案，也为核心网络和应用创新提供了良好平台。
SFC(Service Function Chain),利用SDN技术创建的包含多个网络服务(比如防火墙、NAT、IDS)的链路。
SF(Service Function)，在SFC中的网络服务功能节点，比如一个防火墙。
TM(Transparent Mode)，二层透明模式，与交换机的二层转发方式类似，接口无IP地址，通过目的MAC地址转发数据包。
RM(Routed Mode)，三层路由模式，与路由器的三层转发方式类似，接口分配不同网段IP，通过目的IP转发数据包。
SFG(Service Function Group)，一组SF的集合。
SFF(Service Function Forwarder)，SF转发者，用于SF接收、发送网络流量。
SFP(Service Function Path)，服务功能路径，包含各个SF的逻辑链路。
RSP(Rendered Service Path)，确定的服务路径，由SFP生成的一条没有分叉的逻辑链路。
发明内容
对网络报文MAC地址的修改，本质上只需要对报文目的MAC进行修改，在三层服务链中需要匹配策略，将不同类型报文发送至不同的三层设备，因为三层设备只会对目的MAC为自身的报文进行进一步的解封装操作，所以需要根据报文所要到达的不同接口，更改它目的MAC地址为对应接口的真实MAC地址。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于ARP协议的SDN网络实现三层模式服务链的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1:分别为服务链SFC中的每台SDN交换机，在网络的上、下行方向，构建服务链交换机链路以及交换机链路的服务功能路径；
步骤2:分别为步骤1中构建的每个服务功能路径构建确定的路径，渲染出流量转发流表；
步骤3:为服务链SFC构建ARP地图；
步骤4:服务链SFC通过控制器向SDN交换机下发ARP流表和流量转发流表；
步骤5:SDN交换机根据ARP流表，把从接口上收到的ARP报文投递到服务链SFC，服务链SFC学习到ARP信息；对于ARP请求，则进一步使用虚拟MAC地址封装ARP回应报文，并发送回接收接口；
步骤6:SDN交换机根据流量转发流表，将流量报文中的二层虚拟MAC地址改写为真实MAC地址，发送至服务功能节点。
进一步地，步骤1中，具体方法为：
为每台SDN交换机中的服务功能，构建属于服务功能的上行和下行链路；
对设置在SDN交换机上的服务功能或服务功能组，分别创建上、下行服务链交换机链路，该链路囊括了服务功能和服务功能组及其相对位置关系。
进一步地，步骤1中，构建服务链交换机链路的服务功能路径，具体方法为：每个服务链分别遍历位于每台交换机链路上服务功能和服务功能组中的所有服务功能节点，根据服务功能节点创建新的服务功能对象，并将服务功能对象插入到该服务功能所在路径中对应位置。
进一步地，步骤2中，具体方法为：对步骤1中构建的服务功能路径排列组合，得到服务功能路径的每个位置上的服务功能对象，将服务功能对象按位置顺序插入到确定的服务功能路径中，顺序遍历路径，每两个服务功能节点渲染出一条流量转发流表。
进一步地，步骤3中，构建的ARP地图是以网络服务功能对象为节点、以服务功能转发者连接为边的三层模式下的地图。
进一步地，步骤4中，具体方法为：服务链SFC触发后，向控制器下发ARP流表和流量转发流表；控制器将其翻译为Openflow协议并下发到SDN交换机。
进一步地，步骤5中，具体步骤为:SDN交换机根据ARP流表，把从接口上接收到的ARP报文封装成Packet-In报文转发给控制器；再由控制器解分装后投递到服务链SFC；服务链SFC解开ARP报文，学习新的MAC地址信息，更新到ARP地图中，以及流量转发流表中；对于ARP请求，则进一步计算虚拟MAC地址，封装成ARP回应报文返回控制器；控制器再封装成Packet-Out报文返回到SDN交换机，再从接收接口发送出去，服务功能节点收到ARP回应报文。
进一步地，步骤6中，具体步骤为：SDN交换机根据流量转发流表，将流量报文中的二层虚拟MAC地址，改写为流表指令中的MAC，完成从虚拟MAC地址向服务功能节点的真实MAC地址转换，并发送至服务功能节点所在的接口，此时服务功能节点接收网络流量。
本发明具有如下优点：
本发明通过更改服务功能链路(SFC)的三层模式下的三层节点设备的MAC地址，构建ARP地图，解决服务功能(SF，节点)的下线，服务功能(SF)顺序的编排，指定流量的引流等问题。从而保证在流量到达目标三层接口后可以顺利的转发，实现流量的不中断，保证服务链原有的功能性，使在服务链中可以同时添加二层和三层节点，使网络的部署更为灵活。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例公开的服务功能链(SFC)示意图；
图2为本发明实施例公开的服务功能链(SFC)的请求ARP消息传输示意图；
图3为本发明实施例公开的SFC生成虚拟MAC地址示意图；
图4为本发明实施例公开的服务功能链(SFC)报文转发示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供了一种应用ARP协议的SDN网络实现三层模式服务链的方法，其工作原理是通过更改三层设备的MAC地址，根据源IP等信息来计算出对应的虚拟MAC地址，并以此来构建ARP地图，解决服务功能链路节点设备增添、删减等时的流量牵引问题，并在不同交换机上的服务功能节点SF之间进行流量分配，达到在SDN交换机以及服务功能两个层面，解决因服务功能链割接造成网络不可达等问题，实现服务链的高可用性，从而提高网络通信的质量。
下面结合实施例和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
一种应用ARP协议的SDN网络实现三层模式服务链的算法及实现，其特征在于，所述方法包括：
步骤1:分别为服务链SFC中的每台SDN交换机，在网络的上、下行方向，构建服务链交换机链路以及交换机链路的服务功能路径；
步骤2:分别为步骤1中构建的每个服务功能路径构建确定的路径；
步骤3:分别为步骤2中构建的服务功能路径构建ARP地图，即以网络功能服务对象为节点、以服务功能转发者连接为边的三层模式RM下的Map；
步骤4:分别向服务功能节点SF下发Flow_Table；
步骤5:基于ARP协议的三层模式服务链的算法；
Step1:SDN交换机接受ARP请求报文转发给控制器，控制器学习源、目的地址；
Step2:控制器根据Tronet_ID、SFC_ID、源地址计算虚拟MAC；
Step3:控制器发送ARP回复报文，将虚拟MAC下发；
Step4:服务功能接收并学习、缓存虚拟MAC；
步骤6:ARP-Map调用策略
Step1:SDN交换机接收源于服务功能节点SF的数据包；
Step2:分别将数据包解封装，查看匹配字段、行动、计时器等信息；
Step3:将数据报文的虚拟MAC地址，替换真实MAC并封装转发；
其中，分别为服务链中的每台SDN交换机，在网络流量途经的上、下行方向，构建服务链交换机链路的具体步骤为：为每台SDN交换机中的服务功能SFs，构建属于服务功能SFs的上行和下行链路；对设置在SDN交换机上的服务功能节点SF或服务功能组SFG，分别创建上、下行服务链交换机链路，该链路攘括了服务功能和服务功能组及其相对位置关系。
其中，所述步骤1中构建每个服务链交换机链路的服务功能路径具体步骤为：每个服务链分别遍历位于每台交换机链路上服务功能和服务功能组，根据服务功能创建新的服务功能对象，并将其插入到该服务功能所在路径中对应位置；服务功能组，则遍历服务功能组中的所有服务功能，创建新的服务对像，将其插入到该服务功能组所在路径中对应的位置。
其中，所述为步骤2中构建确定的服务功能确定路径具体步骤为：排列组合得到服务功能路径的每个位置上的服务功能对象，将服务功能对象按位置顺序插入到确定的服务功能SFs路径中。
其中，所述为步骤3中构建服务功能路径的ARP地图具体步骤为：服务链SFC触发启动后，服务功能节点SF即网络节点等设备于服务链SFC发送ARP请求报文；使得服务链SFC能够学习到MAC地址，构建三层模式RM下的ARP地图。
其中，所述为步骤4中服务链SFC向服务功能SFs下发流表具体步骤为：触发服务链SFC后，OpenFlow控制器向SDN交换机通过Packet_Out消息下发流表，以便于SDN交换机随时查表处理数据。
其中，所述为步骤5中基于ARP协议的三层模式服务链的算法具体步骤为:首先SDN交换机接收来自端口的数据流，解封装查看数据包的数据类型(0x0806)ARP，将其通过Packet_In消息转发给控制器，控制器则学习数据报的源MAC、IP地址；根据OpenFlow数据报的信息(Tronet_ID、SFC_ID、源IP)计算虚拟MAC；进而，控制器将产生的虚拟MAC地址封装成响应ARP报文，通过Packet_Out消息发送个SDN交换机，经由SDN交换机转发服务功能(SFs)；最后，网络中的各节点设备学习并缓存虚拟MAC地址。
其中，所述为步骤6中ARP地图的调用策略具体为：服务链SCF接收来自网络中的三层模式的数据包；然后，经SDN交换机解封装查看数据包的源、目的地址，将虚拟MAC地址改为真实MAC地址后封装数据包；最后，SDN交换机依据控制下发的网络流量处理流表，对数据包中的二层MAC地址进行更改(改为真实MAC地址)，并依据表进行端口转发数据包。
如图1所示，假设服务链使用两台交换机，分别为SDN交换机A和SDN交换机B；每个交换机上分别部署一个服务功能，分别为FW_A和FW_B；同时部署服务功能组SFG_X；两交换机之间有一条物理链接作为HA链路，用于跨交换机流量在交换机之前的互转通道。
服务功能节点SF只能处理所在SDN交换机的流量；服务功能组SFG中的SF，可以同时处理来自不同SDN交换机的流量。
服务功能链SFC中，若要对报文的目的MAC进行改变，首先需要确认服务功能链SFC上连接的各个服务功能节点SF或服务功能组SFG的三层模式RM下的真实MAC地址。通过OpenFlow控制器向SDN交换机下发流表：
In_Port：所有三层接口；Ethernet Type：0x0806→OutPut：CONTROLLER
此流表将所有接口的ARP请求报文通过Packet_In消息发送给OpenFlow控制器。
如图2所示，OpenFlow控制器接收从SDN交换机转发过来的ARP请求报文，控制器能够学习到ARP请求报文(源自SF)的三层模式RM下接口的MAC地址。服务链SFC一旦触发，SDN交换机会收到从所有接口发送的多种ARP报文，包括Gratuitous ARP(免费ARP)，ARPRequest(ARP请求)，ARP Reply(ARP响应)。SDN将所有ARP请求报文通过Packet-in消息发送于OpenFlow控制器，控制器收到ARP报文后，学习各个接口的MAC地址，并对ARP请求进行响应，SS控制器会在收到ARP请求后，通过Packet-out使SDN交换机对ARP请求发送ARP响应报文，此时ARP响应报文的源MAC为控制器生成的虚拟MAC，由控制器根据所请求的IP地址计算得出，此时三层设备收到ARP响应报文后，会将虚拟MAC地址加入到自身ARP缓存表中，它在进行对报文的重封装时会使用此虚拟的MAC地址，这样既保证了数据在到达三层节点后可以正常转发至SDN交换机，也使控制器拥有服务链上所有三层接口的真实MAC地址。
如图3所示，控制器生成虚拟MAC的算法实现，在Reactive模式下OpenFlow控制器接收并解析来自SDN交换机通过Packet-In消息发送的ARP请求报文，控制器学习ARP报文的源MAC、IP地址，并根据服务功能链定义号(226)、服务功能链ID(可通过show sfc命令查看)及源IP地址生成6字节的虚拟MAC地址，其第5号字节(服务功能链定义号226)转换成十六进制数E2并固定；第4号字节，将服务功能ID号码转换成十六进制数；剩余四个字节(0-3号)，则将4字节的点分十进制的源IP地址转换成对应的4字节的十六进制数；依据源IP地址，遍历循环以上动作，生成新的MAC地址，从而按照新的MAC地址构建一副ARP地图。
如图4所示，服务链需要根据所设置的策略，将流量转发至不同的节点设备，在原来二层模式TM服务功能链中，服务功能节点SF设备均为二层模式TM传输设备，改变流量转发的路径并不会对连通性产生影响，但当服务功能节点SF中存在三层路由设备后，随意的改变流量的路径都会使内外网断网，所以需要通过三层模式RM服务链来实现此功能。当三层模式RM服务链的内外网设备有流量需要转发时，它会使用从SDN所学习到下一跳地址的虚拟MAC进行报文的封装，SDN交换机收到报文后，根据流表：
In_Port:port_id+[量策略条件]→OUTPUT:port_id SET_D_MAC:xx:xx:xx:xx:xx:xx
匹配接口流量的策略条件，将报文从指定SDN交换机接口转发至对应三层节点，此时通过SDN交换机流表的Set Destination MAC(设置目的MAC地址)动作，改变此时报文虚拟目的MAC地址的封装，将目的MAC变为之前所学习到的真实MAC地址，此时报文目的MAC就为转发接口所连接三层设备接口真实的MAC地址，三层设备收到此报文后解封装，确定此报文目的MAC为自身接口后，成功收到报文，并进行后续解封装操作，成功完成报文的转发。
以上所述的仅是本发明所公开的一种应用ARP协议的SDN网络实现三层模式服务链的算法及实现，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于ARP协议的SDN网络实现三层模式服务链的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1:分别为服务链SFC中的每台SDN交换机，在网络的上、下行方向，构建服务链交换机链路以及交换机链路的服务功能路径；
步骤2:分别为步骤1中构建的每个服务功能路径构建确定的路径，渲染出流量转发流表；
步骤3:为服务链SFC构建ARP地图；
步骤4:服务链SFC通过控制器向SDN交换机下发ARP流表和流量转发流表；
步骤5:SDN交换机根据ARP流表，把从接口上收到的ARP报文投递到服务链SFC，服务链SFC学习到ARP信息；对于ARP请求，则进一步使用虚拟MAC地址封装ARP回应报文，并发送回接收接口；
步骤6:SDN交换机根据流量转发流表，将流量报文中的二层虚拟MAC地址改写为真实MAC地址，发送至服务功能节点。
2.根据权利要求1所述的基于ARP协议的SDN网络实现三层模式服务链的方法，其特征在于，步骤1中，具体方法为：
为每台SDN交换机中的服务功能，构建属于服务功能的上行和下行链路；
对设置在SDN交换机上的服务功能或服务功能组，分别创建上、下行服务链交换机链路，该链路囊括了服务功能和服务功能组及其相对位置关系。
3.根据权利要求1所述的基于ARP协议的SDN网络实现三层模式服务链的方法，其特征在于，步骤1中，构建服务链交换机链路的服务功能路径，具体方法为：每个服务链分别遍历位于每台交换机链路上服务功能和服务功能组中的所有服务功能节点，根据服务功能节点创建新的服务功能对象，并将服务功能对象插入到该服务功能所在路径中对应位置。
4.根据权利要求1所述的基于ARP协议的SDN网络实现三层模式服务链的方法，其特征在于，步骤2中，具体方法为：对步骤1中构建的服务功能路径排列组合，得到服务功能路径的每个位置上的服务功能对象，将服务功能对象按位置顺序插入到确定的服务功能路径中，顺序遍历路径，每两个服务功能节点渲染出一条流量转发流表。
5.根据权利要求1所述的基于ARP协议的SDN网络实现三层模式服务链的方法，其特征在于，步骤3中，构建的ARP地图是以网络服务功能对象为节点、以服务功能转发者连接为边的三层模式下的地图。
6.根据权利要求1所述的基于ARP协议的SDN网络实现三层模式服务链的方法，其特征在于，步骤4中，具体方法为：服务链SFC触发后，向控制器下发ARP流表和流量转发流表；控制器将其翻译为Openflow协议并下发到SDN交换机。
7.根据权利要求1所述的基于ARP协议的SDN网络实现三层模式服务链的方法，其特征在于，步骤5中，具体步骤为:SDN交换机根据ARP流表，把从接口上接收到的ARP报文封装成Packet-In报文转发给控制器；再由控制器解分装后投递到服务链SFC；服务链SFC解开ARP报文，学习新的MAC地址信息，更新到ARP地图中，以及流量转发流表中；对于ARP请求，则进一步计算虚拟MAC地址，封装成ARP回应报文返回控制器；控制器再封装成Packet-Out报文返回到SDN交换机，再从接收接口发送出去，服务功能节点收到ARP回应报文。
8.根据权利要求1所述的基于ARP协议的SDN网络实现三层模式服务链的方法，其特征在于，步骤6中，具体步骤为：SDN交换机根据流量转发流表，将流量报文中的二层虚拟MAC地址，改写为流表指令中的MAC，完成从虚拟MAC地址向服务功能节点的真实MAC地址转换，并发送至服务功能节点所在的接口，此时服务功能节点接收网络流量。
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