CN113259355B - 一种基于sdn的工业互联网标识切片管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于SDN的工业互联网标识切片管理系统，其特征在于，包括切片管理模块、切片映射模块、流量采集模块、流量统计模块、全局视图模块；还提供了一种基于SDN的工业互联网标识切片管理系统运作方法，包括如下步骤：S1：创建标识切片；S2：开通标识切片；S3：切片流量统计。本发明可以兼容不同的标识解析协议，并且在标识解析协议内部还可以继续根据二至四层网络协议进行更细地切片划分；能很好地解决当前标识解析系统缺乏网络可管可控的问题；具有灵活的QoS智能策略；为标识解析提供差异化、确定性端到端的服务质量保障。

Description

一种基于SDN的工业互联网标识切片管理系统

技术领域

本发明涉及工业互联网标识切片领域，具体涉及一种基于SDN的工业互联网标识切片管理系统。

背景技术

随着以区块链、5G、物联网、云计算、大数据、人工智能等为代表的新一代信息技术与制造业的深度融合,工业互联网的核心是要通过全面构建人、机、物、环、料、法等的互联互通，打造全要素、全产业链、全价值链连接的新型工业生产制造和服务体系，催生一系列新的商业模式，推动全球工业体系的新一轮变革。目前，国内工业互联网标识解析系统已在2018年底上线运行。该系统是整个网络实现互联互通的关键基础设施，是数据流通的关键。已经成为各行业或地区各企业接入工业互联网的入口，成为平台应用获取数据的第一步。它是工业互联网的重要组成部分，是实现工业全要素、各环节信息互通的关键枢纽，更是工业互联网安全运行的核心基础设施之一。

工业互联网标识数据管控面临数据的异主、异构、异地等特殊需求，目前主要在应用层面、软件层面处理异构标识的解析服务，且到达标识解析服务器的请求数据无管控，得不到服务质量保障，难以满足工业互联网未来的发展需要。

发明内容

目前用户访问标识解析服务器，首先标识解析请求经由互联网来到二级节点二层交换机，随后请求数据就直接到达标识解析服务器。此时无论什么类型的请求、请求量大与小、是否存在异常访问，请求包都直接无管控地进入了标识解析服务器。

针对目前主要在应用层面、软件层面处理异构标识的解析服务，标识解析请求数据无管控，且得不到服务质量保障的问题。本发明通过采用基于SDN(Software DefinedNetwork，软件定义网络)的标识解析架构，通过虚拟网络切片进行标识切片划分，以兼容不同的标识解析协议，为多类型标识解析提供差异化、确定性的端到端服务质量保障。同时建设软件定义的标识切片管理系统能很好地解决当前标识管理系统缺乏网络流量可管可控的问题。本发明的目的在于提供一种基于SDN的工业互联网标识切片管理系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明提供了一种基于SDN的工业互联网标识切片管理系统。

一种基于SDN的工业互联网标识切片管理系统，其特征在于，包括切片管理模块、切片映射模块、流量采集模块、流量统计模块、全局视图模块；所述切片管理模块负责对标识切片进行全生命周期的管理，接收用户提交的标识切片管理需求；所述切片映射模块是标识切片管理系统的核心模块，为标识解析数据流提供路由决策；所述流量采集模块主要针对每个标识切片进行流量采集，对底层网络上的每条虚拟路径实时流量采集并记录下来；所述流量统计模块包含了针对标识切片的内部数据包统计、所有切片的近期一段时间内的流量统计以及异常流量检测告警功能；所述全局视图模块主要是展示所有标识切片总览信息以及标识流量统计与检测告警信息。

所述切片管理模块具体包括切片创建、删除、更新功能。切片创建时，接收用户提交的标识解析场景需求，进行数据校验、格式化处理后，提交给切片映射模块；切片开通后，实时监测切片的资源状态，当切片需求改变时动态调整映射关系；业务结束后回收切片资源以备后续使用。

所述切片映射模块具体将切片管理模块开通的切片虚拟网络资源合理地分配到底层网络上，使得物理网络同时满足虚拟网络的节点资源约束和链路资源约束。节点约束主要就是节点的CPU计算资源的约束，在某些特殊场景下，可能还存在存储资源和其他能力的约束。链路约束主要指的就是与底层链路的带宽一定得大于虚拟链路所需要的带宽，并且尽量提升底层网络的资源利用率和虚网请求的接受率。自动调用最适合的虚网映射算法，来计算可以满足QoS需求的路径。最终将标识切片映射成一组流表下发了底层网络上形成业务流量路径。

一种基于SDN的工业互联网标识切片管理系统运作方法，包括如下步骤：

S1：创建标识切片；

首先针对异主、异构、异地的标识解析请求，系统管理用户通过切片管理模块创建不同标识解析体系的标识切片；

标识解析体系内部再根据协议、IP地址、端口号等信息进行更细地切片，创建不同协议、优先级、QoS等级的标识切片，达到标识解析请求包的精准匹配管控与服务质量保障。

S2：开通标识切片；

切片映射模块接受来自切片管理模块的标识切片开通请求，将标识切片映射成一组流表；

再通过调用SDN控制器下发流表至指定SDN交换机生效，在底层网络上形成业务流量路径。

S3：切片流量统计；

流量采集模块会对每个标识切片进行流量采集，可以在全局视图模块上实时监控标识切片动态流量以及统计信息。还包含了对于异常流量的检测与监管。

所述S1具体包括：

标识切片的创建分多级，系统管理用户先通过切片管理模块创建一级标识切片，一级标识切片针对不同标识解析体系，包括Handle、OID规划不同的路径；

S1.1：一级标识切片通过匹配请求流量的目的地址与端口来区分不同的标识解析协议，使得不同标识解析请求流量去往不同的SDN交换机；

S1.2：系统管理用户再通过切片管理模块创建二级标识切片，二级标识切片通过匹配请求流量的网络协议、源目的IP地址、源目的端口号等信息进行更细地切片，创建对应不同网络协议、优先级、QoS等级的标识切片，使得异主、异构、异地的标识解析请求都能够匹配相应的路径。标识切片的创建不限于所描述的一级二级切片，还可以更多级的划分创建；

S1.3：切片管理模块定期获取切片流量统计数据，及时获取近期的切片流量的变化趋势。例如某个二级标识切片上的正常访问流量近一段时间增幅较大，切片管理模块将自动调高该切片的QoS等级，确保访问流量正常响应。

所述S2具体包括：

切片映射模块接受来自切片管理模块的标识切片开通请求，将标识切片映射成一组流表；针对一级标识切片，对应的流表信息将通过SDN控制器下发至核心SDN交换机生效；针对二级标识切片，切片映射模块自动调用虚网映射算法选择出最优解析服务器作为切片出端口，所述虚网映射算法为：weight＝io_multiplier*fn(host_state,weight_property)；

其中，weight表示计算出的解析服务器权重值，io_multiplier表示解析服务器的流量影响因子，host_state表示解析服务器的可用资源信息，包括了可用cpu、ram、disk，weight_property表示每项可用资源对应的权重因子，fn表示对于解析服务器的每项可用资源信息进行权重值计算；

最终weight值最大的解析服务器则为最优解，对应的流表信息将通过SDN控制器下发至指定的SDN交换机生效，实现异主、异构、异地的标识解析流量精确匹配；由客户端发起标识解析请求，经由互联网来到二级节点的二层交换机，再由二层交换机转发到核心SDN交换机；请求流量在核心SDN交换机上匹配一级标识切片，去往不同的SDN交换机；最后请求流量在SDN交换机上匹配二级标识切片，根据虚拟路径通过SDN交换机出端口到达指定标识解析服务器。

所述S3具体包括：

流量采集模块会对每个标识切片进行流量采集，也就是对SDN交换机上每条虚拟路径进行实时流量采集与记录；流量统计模块对记录下来的流量信息进行统计工作，包括针对标识切片的内部数据包统计、所有切片的流量统计。

这些切片流量统计数据不仅可以用于全局视图模块的实时展示，还可以用作定期的异常流量检测与标识切片自动优化。当发现异常流量时，流量统计模块主动触发防护机制，对异常访问源进行流量控制。例如HTTP洪水攻击，通过访问目的端口与访问源对切片流量进行分段统计，便能够方便检测攻击。切片流量统计数据可以作为二级标识切片自动优化的依据，切片管理模块定期根据切片流量统计数据的变化自动优化虚拟路径QoS。

本发明通过虚拟网络切片进行标识切片划分，可以兼容不同的标识解析协议，并且在标识解析协议内部还可以继续根据二至四层网络协议进行更细地切片划分。建设软件定义的标识切片管理系统能很好地解决当前标识解析系统缺乏网络可管可控的问题。本发明具有灵活的QoS智能策略，通过对接收到的标识解析业务请求进行自动解析，根据情况适配最优的QoS策略。为标识解析提供差异化、确定性端到端的服务质量保障。

附图说明

图1为本发明系统架构图；

图2为本发明系统模块设计架构图；

图3为本发明实施例中的部署实施图。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

基于SDN的工业互联网标识切片管理系统采用SDN网络架构，架构图见图1，为不同的标识协议请求划分虚拟网络切片，提供网络映射的服务。能够兼容包含Handle和OID以外的多种标识解析协议，OID即Object Identifier，即对象标识符，并且能够在标识协议体系内通过二到四层协议进行切片划分；为多类型标识解析需求提供差异化、确定性的服务质量保障；根据网络对资源的需求，做出资源分配和调整，并对资源分配过程优化，对解析需求的变化做出及时反应，实现高性能的并发异构解析能力。

基于SDN的工业互联网标识切片管理系统包括切片管理模块、切片映射模块、流量采集模块、流量统计模块、全局视图模块，模块设计架构图见图2。

切片管理模块：负责对标识切片进行全生命周期的管理。接收用户提交的标识切片管理需求，包括切片创建、删除、更新功能。切片创建时，接收用户提交的标识解析场景需求，进行数据校验、格式化处理后，提交给切片映射模块；切片开通后，实时监测切片的资源状态，当切片需求改变时动态调整映射关系；业务结束后回收切片资源以备后续使用。

切片映射模块：是标识切片管理系统的核心模块，该模块为标识解析数据流提供路由决策。将切片管理模块开通的切片虚拟网络资源合理地分配到底层网络上，使得物理网络同时满足虚拟网络的节点资源约束和链路资源约束。节点约束主要就是节点的CPU计算资源的约束，在某些特殊场景下，可能还存在存储资源和其他能力的约束。链路约束主要指的就是与底层链路的带宽一定得大于虚拟链路所需要的带宽，并且尽量提升底层网络的资源利用率和虚网请求的接受率。自动调用最适合的虚网映射算法，来计算可以满足QoS需求的路径。最终将标识切片映射成一组流表下发了底层网络上形成业务流量路径。

流量采集模块：主要针对每个标识切片进行流量采集，对底层网络上的每条虚拟路径实时流量采集并记录下来。

流量统计模块：包含了针对标识切片的内部数据包统计、所有切片的近期一段时间内的流量统计以及异常流量检测告警功能。

全局视图模块：主要是展示所有标识切片总览信息以及标识流量统计与检测告警信息。

系统有5个模块：切片管理模块、切片映射模块、流量采集模块、流量统计模块、全局视图模块。

本系统的5个模块均集中安装在标识切片管理服务器上，SDN控制器1个，SDN交换机为多个，根据支持的标识解析协议数量而定，每种标识解析协议对应一个SDN交换机，外加一个核心的SDN交换机。将原先二级节点每种相同标识解析协议服务器接入同一台SDN交换机，然后这些SDN交换机统一连接核心SDN交换机，再将标识切片管理服务器、SDN控制器、核心SDN交换机一同接入到二级节点原先的二层交换机。

根据本部署方案，部署实施图见图3，系统的运作流程主要为：

步骤一：创建标识切片。首先针对异主、异构、异地的标识解析请求，系统管理用户通过切片管理模块创建不同标识解析体系的标识切片。标识解析体系内部再根据协议、IP地址、端口号等信息进行更细地切片，创建不同协议、优先级、QoS等级的标识切片，达到标识解析请求包的精准匹配管控与服务质量保障。

步骤二：开通标识切片。切片映射模块接受来自切片管理模块的标识切片开通请求，将标识切片映射成一组流表。再通过调用SDN控制器下发流表至指定SDN交换机生效，在底层网络上形成业务流量路径。由客户端发起标识解析请求，经由互联网来到二级节点的二层交换机，再由二层交换机转发到核心SDN交换机，然后不同的标识解析体系请求去往不同的SDN交换机。请求数据包在SDN交换机上匹配虚拟路径，通过SDN交换机出端口到达指定标识解析服务器，标识解析服务器响应请求返回数据。

步骤三：切片流量统计。系统管理用户可以在全局视图模块上实时监控标识切片动态流量以及统计信息，若系统检测到异常流量可以看到告警信息。

这些切片流量统计数据不仅可以用于全局视图模块的实时展示，还可以用作定期的异常流量检测与标识切片自动优化。当发现异常流量时，流量统计模块主动触发防护机制，对异常访问源进行流量控制。例如HTTP洪水攻击，通过访问目的端口与访问源对切片流量进行分段统计，便能够方便检测攻击。切片流量统计数据可以作为二级标识切片自动优化的依据，切片管理模块定期根据切片流量统计数据的变化自动优化虚拟路径QoS。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明新型精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种基于SDN的工业互联网标识切片管理系统，其特征在于，包括切片管理模块、切片映射模块、流量采集模块、流量统计模块、全局视图模块；所述切片管理模块负责对标识切片进行全生命周期的管理，接收用户提交的标识切片管理需求；所述切片映射模块是标识切片管理系统的核心模块，为标识解析数据流提供路由决策；所述流量采集模块用于针对每个标识切片进行流量采集，对底层网络上的每条虚拟路径实时流量采集并记录下来；所述流量统计模块包含了针对标识切片的内部数据包统计、所有切片的近期一段时间内的流量统计以及异常流量检测告警功能；所述全局视图模块用于展示所有标识切片总览信息以及标识流量统计与检测告警信息。

2.根据权利要求1所述的基于SDN的工业互联网标识切片管理系统，其特征在于：所述切片管理模块具体包括切片创建、删除、更新功能；切片创建时，接收用户提交的标识解析场景需求，进行数据校验、格式化处理后，提交给切片映射模块；切片开通后，实时监测切片的资源状态，当切片需求改变时动态调整映射关系；业务结束后回收切片资源以备后续使用。

3.根据权利要求1所述的基于SDN的工业互联网标识切片管理系统，其特征在于：所述切片映射模块具体将切片管理模块开通的切片虚拟网络资源合理地分配到底层网络上，使得物理网络同时满足虚拟网络的节点资源约束和链路资源约束；节点资源约束是节点的CPU计算资源的约束以及存储资源和其他能力的约束；链路资源约束是底层链路的带宽大于虚拟链路所需要的带宽，并且提升底层网络的资源利用率和虚网请求的接受率；自动调用最适合的虚网映射算法，来计算可以满足QoS需求的路径；最终将标识切片映射成一组流表下发到底层网络上形成业务流量路径。

4.一种基于SDN的工业互联网标识切片管理系统运作方法，包括如下步骤：

S1：创建标识切片；

首先针对异主、异构、异地的标识解析请求，系统管理用户通过切片管理模块创建不同标识解析体系的标识切片；

标识解析体系内部再根据网络协议、IP地址、端口号进行更细地切片，创建不同网络协议、优先级、QoS等级的标识切片，达到标识解析请求包的精准匹配管控与服务质量保障；

S2：开通标识切片；

切片映射模块接受来自切片管理模块的标识切片开通请求，将标识切片映射成一组流表；再通过调用SDN控制器下发流表至指定SDN交换机生效，在底层网络上形成业务流量路径；

S3：切片流量统计；

流量采集模块会对每个标识切片进行流量采集，可以在全局视图模块上实时监控标识切片动态流量以及统计信息；流量采集模块还包含了对于异常流量的检测与监管。

5.根据权利要求4所述的基于SDN的工业互联网标识切片管理系统运作方法，其特征在于：所述S1具体包括：

标识切片的创建分多级，系统管理用户先通过切片管理模块创建一级标识切片，一级标识切片针对不同标识解析体系规划不同的路径；

S1.1：一级标识切片通过匹配请求流量的目的地址与端口来区分不同的标识解析协议，使得不同标识解析请求流量去往不同的SDN交换机；

S1.2：系统管理用户再通过切片管理模块创建二级标识切片，二级标识切片通过匹配请求流量的网络协议、源目的IP地址、源目的端口号进行更细地切片，创建对应不同网络协议、优先级、QoS等级的标识切片，使得异主、异构、异地的标识解析请求都能够匹配相应的路径；标识切片的创建包括一级、二级、多级的切片创建；

S1.3：切片管理模块定期获取切片流量统计数据，及时获取近期的切片流量的变化趋势。

6.根据权利要求4所述的基于SDN的工业互联网标识切片管理系统运作方法，其特征在于：所述S2具体包括：

切片映射模块接受来自切片管理模块的标识切片开通请求，将标识切片映射成一组流表；针对一级标识切片，对应的流表信息将通过SDN控制器下发至核心SDN交换机生效；针对二级标识切片，切片映射模块自动调用虚网映射算法选择出最优标识解析服务器作为切片出端口，所述虚网映射算法为：weight＝io_multiplier*fn(host_state,weight_property)；

其中，weight表示计算出的标识解析服务器权重值，io_multiplier表示标识解析服务器的流量影响因子，host_state表示标识解析服务器的可用资源信息，包括了可用cpu、ram、disk，weight_property表示每项可用资源对应的权重因子，fn表示对于标识解析服务器的每项可用资源信息进行权重值计算；

最终weight值最大的标识解析服务器则为最优解，对应的流表信息将通过SDN控制器下发至指定的SDN交换机生效，实现异主、异构、异地的标识解析流量精确匹配；由客户端发起标识解析请求，经由互联网来到二级节点的二层交换机，再由二层交换机转发到核心SDN交换机；请求流量在核心SDN交换机上匹配一级标识切片，去往不同的SDN交换机；最后请求流量在SDN交换机上匹配二级标识切片，根据虚拟路径通过SDN交换机出端口到达指定。

7.根据权利要求4所述的基于SDN的工业互联网标识切片管理系统运作方法，其特征在于：所述S3具体包括：

流量采集模块会对每个标识切片进行流量采集，也就是对SDN交换机上每条虚拟路径进行实时流量采集与记录；流量统计模块对记录下来的流量信息进行统计工作，包括针对标识切片的内部数据包统计、所有切片的流量统计。

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