CN112968978B - 一种基于sdn技术的互联网流量分流方法 - Google Patents
一种基于sdn技术的互联网流量分流方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于SDN技术的互联网流量分流方法,本发明涉及互联网流量分流技术领域,本发明引入了SDN技术的交换网络,可解决自动化网络组网问题,在频繁变化的业务定制需求上尽量减少人工的参与。使用业界成熟的流量划分设备把流量均分成N份,精准定位报文在SDN网络中的目的地。在SDN控制器上分析各业务节点流量阀值,结合交换机的MAC地址学习原理,为各业务节点动态计算流量权重,充分利用硬件资源,当SDN控制器感知到某台业务节点出现故障后,会把对应的流量迁移到其他正常的业务节点上,避免流量长时间丢失。
Description
技术领域
本发明涉及互联网流量分流技术领域,尤其涉及一种基于SDN技术的互联网流量分流方法。
背景技术
近年来,随着5G技术的逐渐成熟,针对物联网网络的业务发展迅速。相应的互联网流量会急剧增长,入侵检测系统(IntrusionDetection System,以下简称IDS)的流量处理压力在不断加大,单一业务节点已不能满足要求,需对接入的互联网流量进行分流处理,负载均衡到多台业务节点上。
目前通用的流量分流方法是采用交换机的2/3层网络交换技术,这种交换技术基本以人工配置方式,把互联网流量按照MAC、IP、端口、协议等进行分类。随着流量的不断加大,使用具有TRILL(多链路透明互联)标准的设备进行互联,实现跨设备的流量分分流工作。
现有的流量分流技术主要人工的方式配置交换网络的各个环节,无法应对业务需求变化频繁的场景,且分流方式不够精细化,很难做到根据业务节点的处理能力进行动态流量分配。随着互联网流量的增长,接入到互联网的终端设备越来越多,相对应的流量中的报文源MAC已经达到千万级以上,当前的交换机的MAC表空间有限,无法满足此分流需求。当某台分析计算设备出现故障后,其相应的处理流量也会丢失,需人工操作恢复。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供一种基于SDN技术的互联网流量分流方法,且在SDN控制器上分析各业务节点流量阀值,结合交换机的MAC地址学习原理,为各业务节点动态计算流量权重,充分利用硬件资源,当SDN控制器感知到某台业务节点出现故障后,会把对应的流量迁移到其他正常的业务节点上,避免流量长时间丢失。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:
一种基于SDN技术的互联网流量分流方法,具体包含如下步骤;
步骤1,流量划分:根据报文的五元组的某几个元组相互组合,通过固定HASH算法把互联网流量分成N份,其中,0<N<2048,把HASH结果携带到互联网报文的宿MAC上;其中,五元组包含源IP、宿IP、源端口、宿端口、传输层协议值;
步骤2,业务节点流量权重计算:承担接收互联网流量业务分析和处理的服务器,根据其硬件配置来确定流量阀值;
步骤3,业务节点流量权重调度:对SDN交换网络统一调度,对业务节点的互联网流量处理权重进行动态调度;
步骤4,业务节点注册到SDN交换网:识别数据包的MAC地址,把进入交换机的伪造报文源MAC地址和IP地址记录到MAC表中,根据进入的报文的DMAC地址或者IP查询MAC表,找到最终的物理出口;
步骤5,SDN网络控制:SDN网络包括控制层、转发层;
其中,控制层包含SDN控制器,用于对SDN网络中的硬件设备管理和控制,负责网络内的交换路径和边界业务路由的生成,同时负责处理网路状态变化事件;
转发层包含由硬件SDN交换机相互连接的网络构成基础转发网络,用于执行用户数据的转发,且转发的控制流表由控制层生成;
作为本发明一种基于SDN技术的互联网流量分流方法的进一步优选方案,在步骤1中,HASH结果,具体计算如下;
HASH结果=hash(源IP,宿IP,源端口,宿端口,传输层协议)%N+1。作为本发明一种基于SDN技术的互联网流量分流方法的进一步优选方案,所述步骤2具体如下;
设备A的硬件配置的CPU为2颗Intel® Xeon® Gold 6126 Processor,内存为256G,网卡为双口万兆光卡的设备,则流量阀值为800Mbps;
设备B的硬件配置的CPU为2颗Intel® Xeon® Silver4110 Processor,内存为128G,网卡为双口万兆光卡的设备,则流量阀值为400Mbps。
作为本发明一种基于SDN技术的互联网流量分流方法的进一步优选方案,所述步骤3具体如下;
其中,业务节点总数我们用M表示,且N>=M。
作为本发明一种基于SDN技术的互联网流量分流方法的进一步优选方案,所述步骤3.2具体如下;
1)计算基准权重:
2)计算各节点的权重:
其中,j表示业务节点,且j = 1,2,3…M,
即要求所有业务节点的权重总和要等于N;
3)分配权重:
SDN控制器计算完毕各业务节点的权重,之后会把N份流量分别分配到各业务节点上,每一份流量用一个流量HASH结果表示,若N值为1000,那么总共有1000个HASH结果,HASH结果用宿MAC表示为00:00:00:00:00:01~00:00:00:00:03:E8。
作为本发明一种基于SDN技术的互联网流量分流方法的进一步优选方案,在步骤6中,业务节点异常流量迁移,具体迁移过程如下:
步骤6.2,SDN控制器轮询检索所有正常的业务处理节点,检测当前处理的实际流
量S加上1个基准权重是否超过当前业务的流量阀值,未超过的话,SDN控制把此基准权
重对应的HASH结果值分给当前业务节点,并且K值减1。依次轮询,直到K=0或者轮询了所
有正常业务节点后,才结束轮询;结束轮询后,如果K>0且轮询了所有的正常业务节点,说明
所有业务节点处理的流量已经接近流量阀值,则这部分流量将无法处理,就会丢失;
步骤6.3,正常业务节点接收到新分配的HASH结果值后,向SDN网络定期发送对应的伪造ARP报文,让SDN网络识别到HASH结果值对应的流量目的地变更,SDN网络识别到后,把流量转发给此业务节点处理;
步骤6.4,SDN控制器检测到异常节点恢复正常后,会向所有正常业务节点主动
回收注册时分配权重,把对应的HASH结果重新分配给,重新向SDN网络定期发送
伪造ARP报文,对应流量再次转发到此节点,从而流量自动恢复。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比,具有以下技术效果:
1、本发明引入了SDN技术的交换网络,解决自动化网络组网问题,在频繁变化的业务定制需求上尽量减少人工的参与。使用业界成熟的流量划分设备把流量均分成N份,精准定位报文在SDN网络中的目的地。在SDN控制器上分析各业务节点流量阀值,结合交换机的MAC地址学习原理,为各业务节点动态计算流量权重,充分利用硬件资源,当SDN控制器感知到某台业务节点出现故障后,会把对应的流量迁移到其他正常的业务节点上,避免流量长时间丢失;
2、本发明在IDS的旁路环境下,借助流量划分设备和支持SDN技术的硬件,通过获取每台业务节点的最大处理性能(流量阀值),把互联网流量能精确分流给各台业务节点处理,最大化利用硬件资源,并且当某些台业务节点出现故障后,对应的流量能保持继续处理不丢失,分流的策略完全由用户控制,可根据需求随时进行更改;相比市面上的同类技术更加灵活,流量分流更精细,更贴合用户使用。
附图说明
图1是本发明技术流程图;
图2是本发明ARP协议的报文格式示意图;
图3是本发明OpenFlow规范的简化后的流表示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明:
本发明提出一种基于SDN技术的互联网流量分流方法。引入了SDN技术的交换网络,可解决自动化网络组网问题,在频繁变化的业务定制需求上尽量减少人工的参与。使用业界成熟的流量划分设备把流量均分成N份,精准定位报文在SDN网络中的目的地。在SDN控制器上分析各业务节点流量阀值,结合交换机的MAC地址学习原理,为各业务节点动态计算流量权重,充分利用硬件资源,当SDN控制器感知到某台业务节点出现故障后,会把对应的流量迁移到其他正常的业务节点上,避免流量长时间丢失。具体如下:
如图1所示。
1、流量划分:
流量划分设备业界比较常见,其流量划分策略一般根据报文的五元组(源IP、宿IP、源端口、宿端口、传输层协议值)的某几个元组相互组合,通过固定HASH算法把互联网流量分成N(0<N<2048)份,最终把HASH结果携带到互联网报文的宿MAC上,具体算法如下:
HASH结果=hash(源IP,宿IP,源端口,宿端口,传输层协议)%N+1。
上述算法中,hash函数内容本文不做要求,下面给出了一种较简单的算法:
HASH结果=(源IP+宿IP+源端口+宿端口+传输层协议)%N+1。
携带了HASH结果的报文宿MAC格式为:00:00:00:00:ab:cd,其中ab:cd为HASH结果的十六进制值0xabcd(大字节序)。
2、业务节点流量权重计算:
业务节点指承担接收互联网流量业务分析和处理的服务器,每台服务器的流量处理能力(以下均称为流量阀值)不同,操作人员一般根据业务节点硬件配置来确定流量阀值。例如:设备A的硬件配置的CPU为2颗Intel® Xeon® Gold 6126 Processor,内存为256G,网卡为双口万兆光卡的设备,流量阀值为800Mbps;设备B的硬件配置的CPU为2颗Intel® Xeon® Silver4110 Processor,内存为128G,网卡为双口万兆光卡的设备,流量阀值为400Mbps。
业务节点在处理业务之前需把本节点的流量阀值通过socket通信机制注册到SDN控制器,由其对各业务节点的处理权重统一调度。
3、业务节点流量权重调度:
业务节点会定时的向SDN控制器发送心跳报文并携带上自己的流量阀值,SDN
控制器接收到所有的业务节点的后,对所有的的进行累加,计算出总流量阀值,结合
流量划分设备把流量划分成N份,以计算出每份流量的权重(基准权重)。业务节点总数我
们用M表示,为了能让所有的业务节点都能分摊到互联网流量,那么至少要满足N>=M。
计算基准权重:
计算出基准权重:
其中j表示业务节点,j = 1,2,3…M。
计算各节点的权重:
其中j表示业务节点,j = 1,2,3…M,
即要求所有业务节点的权重总和要等于N。
分配权重:
SDN控制器计算完毕各业务节点的权重,之后会把N份流量分别分配到各业务节点
上,每一份流量用一个流量HASH结果表示,如果N值为1000,那么总共有1000个HASH结果,
HASH结果用宿MAC表示为00:00:00:00:00:01~00:00:00:00:03:E8。假如一台业务节点的
权重为10,那么SDN控制器将会给分配10个宿MAC地址,代表着将会处理SDN网络下
放的这10个宿MAC地址的流量。
4、业务节点注册到SDN交换网(发送ARP报文):
业务节点注册到SDN交换网络使用了交换机的二层交换技术,即识别数据包的MAC地址,把进入交换机的报文源MAC地址和IP地址记录到MAC表中,根据进入的报文的DMAC地址或者IP查询MAC表,找到最终的物理出口。
互联网报文被流量划分设备分成了N份,且宿MAC地址均被修改为00:00:00:00:ab:cd,业务节点需要处理这些流量,就需要向SDN网络注册这些宿MAC地址,而业务节点设备的网卡MAC地址和流量的宿MAC地址不同,因此,业务节点需定期(防止MAC被SDN交换机老化)向SDN网络发送伪造的ARP请求报文,请求报文中携带这些宿MAC和对应IP。ARP协议的报文格式如图2所示:
伪造ARP报文将封装如表1所示:
表1
字段 | 长度(byte) | 填充内容 |
目的MAC | 6 | 默认填充为FF:FF:FF:FF:FF:FF |
源MAC | 6 | 填充为00:00:00:00:ab:cd,其中0xabcd(大字节序)为流量分流时的HASH结果。 |
帧类型 | 2 | 固定为0x0806(大字节序) |
硬件类型 | 2 | 固定为0x0001(大字节序) |
协议类型 | 2 | 固定为0x0800(大字节序) |
硬件地址长度 | 1 | 固定为6 |
协议地址长度 | 1 | 固定为4 |
OP | 2 | 固定为0x0001(大字节序) |
发送端MAC | 6 | 同源MAC字段的填值相同 |
发送端IP地址 | 4 | 填充为111.111.ef.gh,其中ef是源MAC填充内容中0xab的十进制,gh是源MAC填充内容中0xcd的十进制 |
目的端MAC | 6 | 同目的MAC字段的填值相同 |
目的端IP地址 | 4 | 填充为111.112.0.0 |
5、SDN网络控制:
SDN网络主要包括控制层、转发层。控制层主要由SDN控制器承担,控制软件以开源Open Daylight平台为基础深度定制,也能自主研发,主要负责对SDN网络中的硬件设备管理和控制,负责网络内的交换路径和边界业务路由的生成,同时负责处理网路状态变化事件,例如当网络某个节点出现故障或者拥塞时,会主动调整交换路径,保证网络始终正常运作。转发层主要由硬件SDN交换机相互连接的网络构成基础转发网络,负责执行用户数据的转发,转发的控制流表由控制层生成。
IDS在旁路的使用场景比较特殊,互联网流量均是单方向的分流给各业务节点分析,因此数据转发网络不具备双向性,如图1所示,流量从流量划分设备向业务节点传输,称为流量接口;流量的转发控制流表从SDN控制器向SDN网络传输,称为控制接口。控制接口的实现方式一般是REST API,满足REST设计规范或者架构风格称之为RESTful,遵循RESTful设计的API称之为REST API。 流量接口指转发流量的流表,需满足OpenFlow协议规范的硬件交换机支持,OpenFlow规范的简化后的流表主要包含如下字段如图3所示:
图3中,“入端口”指流量接入的物理端口ID,“指令”指报文匹配到流时需执行的指令,指令集有Write-Action、Goto-Table等,无Goto-Table指令时,将会执行相关联的动作集,动作集有:转发、丢弃、转组表等。
SDN控制器会采用预分配的方式使用REST API向SDN网络上传要转发的流表,上传的流表格式用xml格式简单描述如下:
说明:destination-host格式“0-111.111.0.6” 为Open Daylight自定义格式,0表示tenant,111.111.0.6表示业务节点上传的伪造 IP(参见上一小节的表1)。
6、业务节点异常流量迁移:
K=10;
2) SDN控制器轮询检索所有正常的业务处理节点,检测当前处理的实际流量
S加上1个基准权重是否超过当前业务的流量阀值,未超过的话,SDN控制把此
基准权重对应的HASH结果值分给当前业务节点,并且K值减1。依次轮询,直到K=0或者轮
询了所有正常业务节点后,才结束轮询。结束轮询后,如果K>0且轮询了所有的正常业务节
点,说明所有业务节点处理的流量已经接近流量阀值(最大处理极限),这部分流量将无法
处理,就会丢失。
3) 正常业务节点接收到新分配的HASH结果值后,向SDN网络定期发送对应
的伪造ARP报文,让SDN网络识别到HASH结果值对应的流量目的地变更,SDN网络识别到后,把流量转发给此业务节点处理。
Claims (4)
1.一种基于SDN技术的互联网流量分流方法,其特征在于:具体包含如下步骤;
步骤1,流量划分:根据报文的五元组的某几个元组相互组合,通过固定HASH算法把互联网流量分成N份,其中,0<N<2048,把HASH结果携带到互联网报文的宿MAC上;其中,五元组包含源IP、宿IP、源端口、宿端口、传输层协议值;
步骤2,业务节点流量权重计算:承担接收互联网流量业务分析和处理的服务器,根据其硬件配置来确定流量阀值;
步骤3,业务节点流量权重调度:对SDN交换网络统一调度,对业务节点的互联网流量处理权重进行动态调度;
所述步骤3具体如下;
步骤3.1,业务节点Mi会定时的向SDN控制器发送心跳报文并携带上自己的流量阀值Tj;
其中,业务节点总数我们用M表示,且N>=M;
所述步骤3.2具体如下;
1)计算基准权重:
根据当前各业务节点流量阀值Tj、流量划分的总份数N和业务节点数M,可计算出基准权重,具体计算如下:
2)计算各节点的权重:
其中,j表示业务节点,且j=1,2,3…M,
根据当前各节点流量阀值Tj、流量划分的总份数N和业务节点数M,计算出的各业务节点权重Wj,必须四舍五入取整数,同时要求:
即要求所有业务节点的权重总和要等于N;
3)分配权重:
SDN控制器计算完毕各业务节点的权重,之后会把N份流量分别分配到各业务节点上,每一份流量可以用一个流量HASH结果表示,若N值为1000,那么总共有1000个HASH结果,HASH结果用宿MAC表示为00:00:00:00:00:01~00:00:00:00:03:E8;
步骤4,业务节点注册到SDN交换网:识别数据包的MAC地址,把进入交换机的伪造ARP报文源MAC地址和IP地址记录到MAC表中,根据进入的报文的DMAC地址或者IP查询MAC表,找到最终的物理出口;
步骤5,SDN网络控制:SDN网络包括控制层、转发层;
其中,控制层包含SDN控制器,用于对SDN网络中的硬件设备管理和控制,负责网络内的交换路径和边界业务路由的生成,同时负责处理网路状态变化事件;
转发层包含由硬件SDN交换机相互连接的网络构成基础转发网络,用于执行用户数据的转发,且转发的控制流表由控制层生成;
步骤6,业务节点异常流量可迁移:以业务节点Mi为例,当Mi出现异常时,将此节点上的所有流量迁移至其他正常的业务节点上,其中,异常包含宕机或连接中断。
2.根据权利要求1所述的一种基于SDN技术的互联网流量分流方法,其特征在于:在步骤1中,HASH结果,具体计算如下;
HASH结果=hash(源IP,宿IP,源端口,宿端口,传输层协议)%N+1。
4.根据权利要求1所述的一种基于SDN技术的互联网流量分流方法,其特征在于:在步骤6中,业务节点异常流量可迁移,具体迁移过程如下:
步骤6.2,SDN控制器轮询检索所有正常的业务处理节点,检测当前处理的实际流量S加上1个基准权重是否超过当前业务的流量阀值Tj,未超过的话,SDN控制把此基准权重对应的HASH结果值分给当前业务节点,并且K值减1; 依次轮询,直到K=0或者轮询了所有正常业务节点后,才结束轮询;结束轮询后,如果K>0且轮询了所有的正常业务节点,说明所有业务节点处理的流量已经接近流量阀值,则这部分流量将无法处理,就会丢失;
步骤6.3,正常业务节点接收到新分配的HASH结果值后,向SDN网络定期发送对应的伪造ARP报文,让SDN网络识别到HASH结果值对应的流量目的地变更,SDN网络识别到后,把流量转发给此业务节点处理;
步骤6.4,SDN控制器检测到异常节点Mi恢复正常后,会向所有正常业务节点主动回收Mi注册时分配权重Wi,把对应的HASH结果重新分配给Mi,Mi重新向SDN网络定期发送伪造ARP报文,对应流量再次转发到此节点,从而流量自动恢复。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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