CN113285838B - 一种基于pof的异构标识网络模型及数据包及管理异构标识网络的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于POF的异构标识网络模型及数据包及管理异构标识网络的方法，包括：建立一个基于POF的异构标识的网络模型、设计异构标识网络中通信数据包的格式实现基于POF管理异构标识网络。其中，在模型中，控制器负责路径规划、下发流表的任务；解析器负责解析异构标识并把结果返回给控制器的任务；POF交换机负责数据包的转发任务；管理器负责连接异构标识设备与POF交换机，具体任务是封装异构标识设备发送的数据包然后转发给POF交换机与接收来自POF交换机的数据包并转发给正确的异构标识设备。该方法中使用POF管理异构标识网络，利用POF的特性使得网络能够处理不同标识种类的数据包且不用为每种标识都设计一种通信协议，减少网络的开发难度，同时不影响正常的数据面通信。

Description

一种基于POF的异构标识网络模型及数据包及管理异构标识 网络的方法

技术领域

本发明涉及通信的技术领域，具体涉及一种基于POF的异构标识网络模型及数据包及管理异构标识网络的方法。

背景技术

随着5G的快速发展，物联网技术也得到了快速发展。物联网中引入了对物理世界的感知，从而实现对人与物、物与物的通信方式。作为区分不同作为识别区分不同目标对象的物联网标识，则是实现以上信息通信以及各类应用的基础与前提。因此与其相关的研究也吸引了工业界与学术界的关注。

但是物联网标识的种类繁多，以识别目标和应用场景，大致可以分为3类：1）对象标识；2）通信标识；3）应用标识。应用标识可以直接进行相关对象信息的检索与获取；通信标识要保证通信两端的节点具有同一类的标识，作为通信双方的相对地址或者绝对地址；对象标识则是物联网中的各种物理实体或逻辑实体。根据标识，通信双方可以通过解析并获取到对方的地址，从而建立双方之间的通信连接。一个对象可以拥有多个对象标识，但一个标识唯一地对应一个实体对象或逻辑对象。在物联网中，设计一种有效的物理和逻辑实体标识寻址方法，这不仅可以通过标识来获取到该物品的相关信息，而且可以根据相关标识来获取到物体的地址，再通过地址来进行信息的传递。

物联网中设备标识的异构性，使得其网络通信方式也发生了变化。基于这些异构标识我们需要构建合适的传输网络、路由方式。然而主流的标识编码方案，例如：EPC、Ecode、OID等，它们的编码方式不同，标识的长度不同。因此，难以使用传统网络技术实现对异构标识网络的管理。

软件定义网络（SDN）是一种新型的网络架构。在传统网络架构中，控制面与数据面紧密耦合。而SDN架构以控制平面和数据平面分离为基本原则，采用开放而且标准化的控制面数据面通信协议（南向通信接口），使得网络的控制和管理不依赖于特定的网络硬件，并能够提供一套灵活的网络应用程序接口（北向通信接口），方便网络管理员通过一个逻辑集中的控制平面，使用软件灵活的数据面转发行为进行编程。

OpenFlow是当前主流的SDN实现技术，它的核心思想是将数据面设备的转发行为抽象为“匹配+动作”模型。然而，传统的OpenFlow协议并不适用于异构标识网络的转发，因为OpenFlow流表需要理解数据包首部字段的含义才能进行正确解析并匹配转发。这种协议依赖的特点限制了其在异构标识网络中的应用。

协议无感知转发（POF）是一种软件定义网络（SDN）的南向协议。它定义了一套协议无感知的转发指令集（POF-FIS）来对数据包进行匹配操作。因此支持POF的交换机不需要提取任何协议字段的知识，可以完全通过通用的<偏移量，长度>元组来定义协议字段。在异构标识网络中利用POF，针对不同的标识，仅仅需要指定不同的<偏移量，长度>去解析相应字段，即可实现匹配转发。

因此，在新的网络基础架构和技术下，基于POF来管理异构标识网络具有更大的灵活性和可适应性。

发明内容

本方案的技术内容分为三个部分。一是建立一种基于POF管理异构标识网络的网络模型；二是设计数据包格式，使具有异构标识的网络实体能够通信；三是设计异构标识的解析器，让控制器能根据解析结果下发流表，实现通信。

首先建立一种基于POF的异构标识网络模型，该网络模型由按以下顺序依次连接的SDN控制器、解析器、POF交换机、管理器、异构标识设备组成，由于异构标识设备大部分不能直接使用基于IP的通信方式，所以我们在异构标识设备与路由器之间加入了一个管理器，这个管理器负责管理这些异构标识设备，对它们发送的数据包进行封装，然后转发，并且对来自于路由器的数据包进行分解，然后转发给特定的异构标识设备。为了完成异构标识网络中设备间的通信任务，我们需要对异构标识网络的资源进行定位。因此我们引入一个解析器，当每一个设备加入到网络中时，其管理器都发送一个上线数据包，路由器把上线数据包packet-in到SDN控制器，SDN控制器再转发给解析器，解析器能够根据上线数据包的内容把异构标识ID和管理器的IP建立映射。这时，当需要查询设备的位置时，SDN控制器就可以通过解析器查询到设备所属的管理器的IP地址。然后SDN控制器就可以根据解析器返回的数据来计算上线数据包的路径，同时下发流表。

在我们的设计中，数据包的种类共有三种，分别是上线数据包、下线数据包和通信数据包。因此我们设计了这三种数据包的格式。我们把包含异构标识信息的字段称为控制帧，并且把控制帧插入在Eth帧和IP帧的后面。在上线数据包和下线数据包中，控制帧的内容由数据包类型、标识种类和标识ID组成。在通信数据包中，控制帧的内容由数据包类型、目的标识种类、目的标识ID、源标识种类、源标识ID组成。我们通过POF识别数据包的控制帧字段来实现对异构标识数据包的转发与路由。对于具有不同种类的标识ID，我们可以在流表中识别标识种类字段来确定标识ID的种类，这样就能匹配异构标识的ID。

本方案也实现了异构标识的解析器。该解析器能够根据SDN控制器发送的数据来完成相应的操作，并在数据库中存储、查询、删除或更改相关数据。同时它会把操作的结果反馈给SDN控制器。解析器的工作方式具体如下：

1）解析器接收到SDN控制器发送的数据包，然后解析器逐步解析和处理此数据包，根据数据包的内容执行相关操作。

2）如果解析器收到的数据包的控制帧的数据包种类字段是上线数据包，那么它就会在相应标识种类的数据库中插入标识ID和管理器IP的映射关系；如果数据包种类字段是下线数据包，那么它就会在相应数据库中查询这个标识ID，并删除；如果数据包种类字段是通信数据包，那么它就会解析出目标标识种类和目的标识ID，然后在数据库中查询到相应的管理器的IP，然后发送数据包给SDN控制器返回此结果。

本发明实施例上述方案主要具有如下优点：

1）本方案能够利用POF的无协议感知的特性，通过设置不同的偏移量和长度来适应不同的标识种类，而不需要像OpenFlow一样为每种标识种类设置一种通信协议。大大简化了网络开发的难度和复杂度，同时极大的增加了网络的可扩展性。

2）本方案在不影响正常的数据面通信的情况下，通过设置控制帧来实现控制异构标识网络，通过不同类型的数据帧的字段来实现对数据包的上线、下线和通信任务。

3）本方案通过设计解析器，将具有不同标识种类的设备的ID映射到它对应的管理器，来完成对设备的寻址任务。同时，SDN控制器根据解析结果能够下发流表到支持POF的交换机，交换机根据流表完成数据包的路由任务。并且管理器的引入使得我们不需要更改网络中的交换机的功能。对于交换机来说，管理器和异构标识设备是透明的，它仅仅需要执行匹配流表、转发、packet-in等任务，简化了数据面任务。并且SDN控制器也仅仅需要与解析器进行实时的信息交互，实现了对异构标识网络的管理任务，并且通过解析器完成对异构标识设备的管理。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的基于POF管理异构标识网络的网络模型；

图2为本发明实施例提供的基于协议无感知转发技术的系统架构图；

图3为本发明实施例提供的数据包格式；

图4为本发明实施例提供的解析器数据库示意图；

图5本发明实施例提供的第一跳POF交换机流表；

图6为本发明实施例提供的非第一跳POF交换机流表。

具体实施方式

下面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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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。

图1是基于协议无感知（POF）技术管理异构标识网络的网络模型，当异构标识设备连接到管理器后，管理器会构造一个上线数据包，然后发送给POF交换机S1。因为S1没能匹配到流表，所以它packet-in数据包到SDN控制器，SDN控制器收到数据包后转发给解析器。解析器收到数据包后开始解析数据包，由于数据包的数据包类型字段是上线数据包，因此它提取出数据包中的标识种类、标识ID和管理器IP信息，然后在自己的数据库中插入信息，完成上线任务。当异构标识设备需要与别的管理器下的异构标识设备通信时，它构建一个通信数据包然后发送给管理器。管理器对这个数据包封装Eth帧和IP帧，然后发送给与它相连的POF交换机。假如POF交换机同样没有匹配到流表，它同样会packet-in这个数据包到SDN控制器，SDN控制器同样转发给解析器。解析器根据这个数据包的目的标识种类和目的标识ID来进行查找，并且将查找的管理器的IP地址返回给SDN控制器。SDN控制器根据这个IP地址进行路径规划，然后下发流表到相关POF交换机，并且在第一跳交换机处把数据包的目的IP改成解析出的管理器的IP。当完成上述流程后，POF交换机中就会存在着匹配这个通信数据包的流表。因此，交换机仅仅需要匹配流表就能完成数据包的转发。当数据包到达目的管理器后，管理器根据数据包目的标识种类和目的标识ID字段确定接收这个数据包的异构标识设备，然后去除数据包的Eth帧和IP帧后转发给此设备。当异构标识下线时，管理器会构造一个下线数据包，同样的，解析器会收到来自SDN控制器发送的数据包，然后解析器根据数据包的标识种类和标识ID字段对数据库进行操作，删除相应数据，完成下线任务。

图2中给出了解析器、SDN控制器和POF交换机的实现架构图。POF交换机收到数据包后进行流水线处理，如果不存在匹配流表就通过POF协议栈packet-in数据包到SDN控制器，SDN控制器和解析器通过socket通信，解析器收到数据包进行数据分析，然后对数据库进行操作，如果有结果返回给解析器。解析器根据socket返回的结果进行路由规划，并通过POF协议栈把流表发送到POF交换机的流表管理模块，生成流表。然后交换机就能根据流表进行数据包的匹配和转发操作。

图3给出了数据包的设计格式，控制帧中的Type字段代表数据包的类型。且Eth帧和IP帧的长度是固定的，所以可以通过偏移量和长度确定Type、标识种类字段的位置，通过识别标识种类字段进而确定标识ID的长度，也就完成了对具有异构标识数据包的匹配和识别任务。

为了便于理解，下面结合一具体的示例来介绍使用POF管理异构标识网络的过程，该示例基于图1、2、3的架构实现，且具体系统内部信息在图4、5、6中给出。

图4是解析器的数据库内容，当管理器IP为10.0.0.1下的一个标识种类为EPC、标识ID为13293A91E133D81123456789的设备向标识种类为Ecode、标识ID为10064113736123456的设备发送信息。IP为10.0.0.1的管理器首先收到这个数据包，然后它对这个数据包进行封装，形成通信数据包，然后发送给与自己相接的POF交换机。在POF交换机收到数据包后，由于未能匹配到流表，它就把这个数据包packet-in到SDN控制器，SDN控制器发送给解析器。解析器在数据库中查询到目的设备的管理器IP为10.0.0.2，它就把这个IP通过socket发送给SDN控制器。SDN控制器收到消息后，进行路径规划，然后在这个路径涉及到的POF交换机上下发流表，如图5和图6，其中Match项中的{352, 136}是数据包中标识ID的起始位置和偏移长度，在与管理器直接相连的POF交换机处，Action除了从特定端口转发数据包外，首先会改变数据包的目的IP地址为解析出来的管理器的IP地址，之后的POF交换机的流表匹配目的标识ID后仅仅执行转发操作。

在SDN控制器成功下发流表之后，POF交换机上就有了匹配目的标识ID为10064113736123456的流表，然后它就根据流表的Action信息转发这个数据包，直到这个数据包转发到IP为10.0.0.2的管理器。管理器收到数据包后，它识别出目的标识种类和ID所对应的设备，然后把这个数据包转发给对应的设备，完成异构标识网络之间的通信。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于POF的管理异构标识网络的方法，其特征在于，包括：

建立一个基于POF的异构标识的网络模型，设计异构标识网络中数据包的格式，

所建立的基于POF的异构标识的网络模型由按以下顺序依次连接的SDN控制器、解析器、POF交换机、管理器、异构标识设备组成；

管理器负责管理所述异构标识设备，对其发送的数据包进行封装，然后转发，并且对来自于路由器的数据包进行分解，然后转发给特定的异构标识设备，当有新的设备加入到网络中时，管理器发送一个上线数据包，路由器把上线数据包packet-in到SDN控制器，SDN控制器再转发给解析器，解析器根据上线数据包的内容把异构标识ID和管理器的IP建立映射，当需要查询设备的位置时，SDN控制器通过解析器查询到设备所属的管理器的IP地址，然后SDN控制器根据解析器返回的数据来计算上线数据包的路径，同时下发流表。

2.根据权利要求1所述的一种基于POF的管理异构标识网络的方法，其特征在于：所设计的异构标识网络中数据包的格式由Eth帧、IP帧、控制帧、payload组成。

3.根据权利要求1所述的一种基于POF的管理异构标识网络的方法，其特征在于：所述的SDN控制器与解析器相连，用于转发POF交换机payload的数据包给解析器，并根据解析结果进行路径规划下发流表到POF交换机。

4.根据权利要求1所述的一种基于POF的管理异构标识网络的方法，其特征在于：所述的解析器与控制器相连，用于处理SDN控制器发送的数据，并在自己的数据库中执行创建、插入、删除、更改操作。

5.根据权利要求1所述的一种基于POF的管理异构标识网络的方法，其特征在于：所述的管理器位于异构标识设备和POF交换机之间，用于封装异构标识设备发送的数据并转发给POF交换机，且能接收POF交换机发送的数据并转发给特定的异构标识设备。

6.根据权利要求1所述的一种基于POF的管理异构标识网络的方法，其特征在于：所述的异构标识设备用于发送由标识种类、标识ID、payload信息组成的数据包到管理器。

7.根据权利要求2所述的一种基于POF的管理异构标识网络的方法，其特征在于：所述数据包的种类分为：上线数据包、下线数据包和通信数据包；

上线数据包的控制帧由数据包类型、标识种类、标识ID组成；

下线数据包的控制帧由数据包类型、标识种类、标识ID组成；

通信数据包的控制帧由数据包类型、目的标识种类、目的标识ID、源标识种类、源标识ID组成；

所述数据包由管理器构造并发送给与其相连的POF交换机，POF交换机packet-in这个数据包到SDN控制器，SDN控制器转发给解析器，解析器解析该数据包的种类并进行相应操作。

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