CN114884879A - 一种基于标签技术的软件定义网络混合交换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于标签技术的软件定义网络混合交换方法，其特征在于，所述方法包括：获取软件定义网络的拓扑结构，对拓扑结构进行区域划分，得到若干子拓扑结构；对若干子拓扑结构中的所有交换机依次安装标签规则，得到标签转发规则集，对预设的初始规则集进行修正，得到标签生成规则集；根据标签转发规则集和标签生成规则集，得到用于支持默认路径转发的路由表，根据路由表和预设的单个流匹配路由表，通过预设的流水线处理，得到软件定义网络混合交换方式。本发明基于传统的软件定义网络混合交换框架的拓扑结构安装标签转发规则集和标签生成规则集，使得生成的路由表是基于标签技术的，极大的减少软件定义网络混合交换框架的流表项消耗。

Description

一种基于标签技术的软件定义网络混合交换方法

技术领域

本发明涉及网络交换机部署与路由技术领域，尤其涉及的是一种基于标签技术的软件定义网络混合交换方法。

背景技术

SDN因为其中心化的控制以及细粒度的流管理一度被视作未来的网络范式。然而SDN细粒度的流管理所带来的大量流表项与交换机用于存储流表项的TCAM(ternarycontent addressable memory,TCAM)的有限的容量之间产生了冲突。TCAM作为构建低时延数据平面的存储器被广泛应用在现代的路由器与交换机中。然而它的价格昂贵并且耗能高，因此它的容量通常很小，例如在HP-2920交换机中它所能支持的流条目只有1536条，在tofino芯片架构的p4可编程交换机上只有几兆字节大小的TCAM的容量。而在实际SDN场景中，例如多租户的数据中心，他们光处理VPC(Virtual Private Cloud,VPC)功能的条目就远远不止几千条，更何况还有一些其他网络功能的需求比如访问控制以及服务链，安全等。因此可拓展性一直是限制SDN大规模部署的核心问题，现有技术的一些方法，虽然能够一定程度上解决SDN混合交换框架拓展性不足，但仍显不够。

因此，现有技术还有待改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于标签技术的软件定义网络混合交换方法，旨在解决现有技术中SDN混合交换框架拓展性不足的问题。

本发明解决问题所采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供一种基于标签技术的软件定义网络混合交换方法，其中，所述方法包括：

获取软件定义网络的拓扑结构，并对所述拓扑结构进行区域划分，得到若干子拓扑结构；其中，所述拓扑结构包括若干交换机；

对若干所述子拓扑结构中的所有交换机依次安装标签规则，得到标签转发规则集，对预设的初始规则集进行修正，得到标签生成规则集；

根据所述标签转发规则集和所述标签生成规则集，得到用于支持默认路径转发的路由表，根据所述路由表和预设的单个流匹配路由表，通过预设的流水线处理，得到软件定义网络混合交换方式。

在一种实现方式中，所述对所述初始拓扑结构进行区域划分，得到若干子拓扑结构包括：

基于预设的第一算法，将所述初始拓扑结构划分成多个区域，得到若干子拓扑结构。

在一种实现方式中，所述对若干所述子拓扑结构中的所有交换机依次安装标签规则，得到标签转发规则集包括：

针对每个所述子拓扑结构，基于预设的第二算法，获取每个所述子拓扑结构的最短路径；

根据每个所述子拓扑结构中每个交换机的第一属性和与每个所述子拓扑结构对应的所述最短路径，确定所述交换机的匹配域和所述交换机的第一动作域；其中，所述匹配域用于对数据包进行匹配；所述第一动作域用于对数据包进行转发；

将所有子拓扑结构中所有交换机的所有匹配域和所有子拓扑结构中所有交换机的所有第一动作域存储，得到标签转发规则集。

在一种实现方式中，所述对预设的初始规则集进行修正，得到标签生成规则集包括：

基于预设的第二算法，计算所述拓扑结构的第一最短路径集；

针对所述拓扑结构中的每个交换机，根据所述第一最短路径集和预设交换机所处的位置，得到第二动作域；其中，所述第二动作域用于对数据包推送标签以及转发；

将所述初始规则集中的动作域替换为所述第二动作域，得到标签生成规则集。

在一种实现方式中，所述对若干所述子拓扑结构中的所有交换机依次安装标签规则，得到标签转发规则集还包括：

基于预设的第二算法，计算所述拓扑结构的第二最短路径集；

针对每个所述子拓扑结构中的每个所述交换机，根据所述交换机的第一属性和所述第二最短路径集，确定与所述交换机对应的安装标签转发规则的第二匹配域和与所述交换机对应的安装标签转发规则的第三动作域；

将所述拓扑结构中的所有交换机对应的安装标签转发规则的所有第二匹配域和安装标签转发规则的所有第三动作域存储，得到标签转发规则集。

在一种实现方式中，所述对预设的初始规则集进行修正，得到标签生成规则集还包括：

针对所述拓扑结构中的每个交换机，根据所述交换机的第二属性和所述第二最短路径集，确定所述交换机的第四动作域；其中，所述第四动作域用于对数据包推送标签以及转发；

将所述初始规则集中的动作域替换为所述第四动作域，得到标签生成规则集。

在一种实现方式中，所述根据所述标签转发规则集和所述标签生成规则集，得到用于支持默认路径转发的路由表包括：

将所述标签转发规则集存储在三态内容寻址存储路由表中；

将所述标签生成规则集存储在静态随机存取存储路由表中；

将所述三态内容寻址存储路由表和所述静态随机存取存储路由表组成用于支持默认路径转发的路由表。

在一种实现方式中，所述根据所述路由表和预设的单个流匹配路由表，通过预设的流水线处理，得到软件定义网络混合交换方式包括：

基于所述路由表和预设的单个流匹配路由表，通过预设的流水线对数据包进行处理，得到软件定义网络混合交换方式；其中，所述数据包为所述软件定义网络中传输的数据单位。

在一种实现方式中，所述三态内容寻址存储路由表包括第一子三态内容寻址存储路由表和第二子三态内容寻址存储路由表；所述静态随机存取存储路由表包括第一子静态随机存取存储路由表和第二子静态随机存取存储路由表；所述基于所述软件定义网络的所述路由表，对数据包进行处理包括：

当所述数据包到达交换机时，将所述第一子三态内容寻址存储路由表中的单个流控制的流表项和所述数据包进行匹配，得到第一匹配结果；其中，所述流表项用于表征流表规则；

当所述第一匹配结果为失败时，将所述第二子三态内容寻址存储路由表中的标签转发流表项和所述数据包进行匹配，得到第二匹配结果；

当所述第二匹配结果为失败时，将所述第一子静态随机存取存储路由表中的用于转发到目的主机的流表项与所述数据包中进行匹配，得到第三匹配结果；

当所述第三匹配结果为失败时，将所述第二子静态随机存取存储路由表中的标签生成流表项与所述数据包进行匹配，得到第四匹配结果；

当所述第四匹配结果为失败时，将所述数据包转发至控制器，并通过所述控制器确定转发策略。

在一种实现方式中，所述通过所述控制器确定转发策略包括：

当通过所述控制器确定所述数据包对应的数据流与预设数据流相同时，将所述数据包对应的流安装细粒度匹配流表项转发至所述第一子三态内容寻址存储路由表；

当通过所述控制器确定所述数据包对应的数据流与预设数据流相异时，将所述数据包对应的流安装默认路径的标签生成流表项转发至所述第二子静态随机存取存储路由表。

第二方面，本发明实施例还提供一种基于标签技术的软件定义网络混合交换装置，其中，所述装置包括：若干子拓扑结构获取模块，用于获取软件定义网络的拓扑结构，并对所述拓扑结构进行区域划分，得到若干子拓扑结构；其中，所述拓扑结构包括若干交换机；

规则预处理模块，用于对若干所述子拓扑结构中的所有交换机依次安装标签规则，得到标签转发规则集，对预设的初始规则集进行修正，得到标签生成规则集；

软件定义网络混合交换方式得到模块，用于根据所述标签转发规则集和所述标签生成规则集，得到用于支持默认路径转发的路由表，根据所述路由表和预设的单个流匹配路由表，通过预设的流水线处理，得到软件定义网络混合交换方式。

第三方面，本发明实施例还提供一种智能终端，包括有存储器，以及一个或者一个以上的程序，其中一个或者一个以上程序存储于存储器中，且经配置以由一个或者一个以上处理器执行所述一个或者一个以上程序包含用于执行如上述任意一项所述的基于标签技术的软件定义网络混合交换方法。

第四方面，本发明实施例还提供一种非临时性计算机可读存储介质，当所述存储介质中的指令由电子设备的处理器执行时，使得电子设备能够执行如上述中任意一项所述的基于标签技术的软件定义网络混合交换方法。

本发明的有益效果：本发明实施例首先获取软件定义网络的拓扑结构，并对所述拓扑结构进行区域划分，得到若干子拓扑结构；其中，所述拓扑结构包括若干交换机；然后对若干所述子拓扑结构中的所有交换机依次安装标签规则，得到标签转发规则集，对预设的初始规则集进行修正，得到标签生成规则集；最后根据所述标签转发规则集和所述标签生成规则集，得到用于支持默认路径转发的路由表，根据所述路由表和预设的单个流匹配路由表，通过预设的流水线处理，得到软件定义网络混合交换方式；可见，本发明实施例中基于传统的软件定义网络混合交换框架的拓扑结构安装标签转发规则集和标签生成规则集，使得生成的路由表是基于标签技术的，可以极大的减少软件定义网络混合交换框架的流表项消耗。

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，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。

图1为本发明实施例提供的基于标签技术的软件定义网络混合交换方法流程示意图。

图2为本发明实施例提供的一种实施方式的标签交换的路由方案示例图。

图3为本发明实施例提供的一种实施方式的段路由方案示例图。

图4为本发明实施例提供的一种实施方式的基于标签转发的SDN混合交换的包处理流程图。

图5为本发明实施例提供的基于标签技术的软件定义网络混合交换装置的原理框图。

图6为本发明实施例提供的智能终端的内部结构原理框图。

具体实施方式

本发明公开了基于标签技术的软件定义网络混合交换方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

在现有技术中，Xu等人提出了一种基于传统匹配的SDN混合交换框架。他的核心思想是结合默认路径转发与每流控制的路径转发。默认路径转发指的是路径的选择是粗粒度的，是基于目的地而非是基于流，因此能够将大量相同目的地的流的流表项聚合使这些流共享同一路径，从而减少TCAM的负担。而每流控制的路径转发的路径的选择则是细粒度的，是针对每条流的。一方面，细粒度的每流路径需要更多转发规则，另一方面，每条规则相比于传统的路由表或者交换表的规则占据了更多的内存空间。为了提升软件定义网络的拓展性，其做法是在数据平面部署大流的检测机制，一旦检测到大流，便对其采用SDN路径转发，而对其余流采用默认路径转发。这种做法能一定程度上减少所需的流表项，同时仍然保有对某些重要的流的控制。但即便是传统路由表的规模也并非是目前TCAM的容量可以承受的，例如斯坦福骨干路由器的路由表就高达几千乃至上万条。我们非常希望减少用于支持默认路径的条目的数量，以便可以保留更多的流条目来支持其他策略，并且可以使用更多的流条目用于其他目的，例如多播。Zhao等人对该问题进行建模并证明了它是个NP难问题，这说明了该问题难以通过传统方式优化。Fabric是一种新型的SDN转发架构，它将网络分成核心-边缘。边缘指的是软件交换机，它是所有流的入口。所有数据包都在边缘处获得标签，并在核心网络中通过标签进行转发，这种做法核心内部的交换机的流表项数目仅与转发等价类有关，而跟流无关。同时软件交换机由RAM(Random-Access Memory,RAM)去存储流表，因此具有足够容量容纳细粒度流管理所需的流表项。然而RAM是随机访问存储器，所以无法以线性速度对包进行分类，两者的吞吐量有着巨大的差距。在这种方案下，软件交换机往往成为整个网络的性能瓶颈，并且Fabric也没有对如何部署标签路径进行深入探索。

为了解决现有技术的问题，本实施例提供了一种基于标签技术的软件定义网络混合交换方法，基于传统的软件定义网络混合交换框架的拓扑结构安装标签转发规则集和标签生成规则集，使得生成的路由表是基于标签技术的，可以极大的减少软件定义网络混合交换框架的流表项消耗。具体实施时，首先获取软件定义网络的拓扑结构，并对所述拓扑结构进行区域划分，得到若干子拓扑结构；其中，所述拓扑结构包括若干交换机；然后对若干所述子拓扑结构中的所有交换机依次安装标签规则，得到标签转发规则集，对预设的初始规则集进行修正，得到标签生成规则集；最后根据所述标签转发规则集和所述标签生成规则集，得到用于支持默认路径转发的路由表，根据所述路由表和预设的单个流匹配路由表，通过预设的流水线处理，得到软件定义网络混合交换方式。

示例性方法

本实施例提供一种基于标签技术的软件定义网络混合交换方法，该方法可以应用于网络交换机部署与路由的智能终端。具体如图1所示，所述方法包括：

步骤S100、获取软件定义网络的拓扑结构，并对所述拓扑结构进行区域划分，得到若干子拓扑结构；其中，所述拓扑结构包括若干交换机；

具体地，本发明基于标签技术的SDN混合交换框架，通过将传统路由表转换成标签表的形式减少了用于支持默认路径的条目的数量，进一步的提升的混合交换框架的拓展性。故，本发明先可以获取软件定义网络的拓扑结构，然后可以对所述拓扑结构进行均匀划分的方式划分区域，也可以对所述拓扑结构进行非均匀划分的方式划分区域，得到若干子拓扑结构。其中，所述拓扑结构中包含多个交换机，同样的，每个子拓扑结构中也包含有多个交换机。

步骤S100中，所述对所述初始拓扑结构进行区域划分，得到若干子拓扑结构包括如下步骤：基于预设的第一算法，将所述初始拓扑结构划分成多个区域，得到若干子拓扑结构。

具体地，预设的第一算法可以为社区发现算法或者是聚类算法，可以通过社区发现算法将所述初始拓扑结构划分成多个区域，也可以通过聚类算法将所述初始拓扑结构划分成多个区域，得到若干子拓扑结构。在本实施例中，采用Louvain算法对整个拓扑进行划分，得到若干子拓扑结构。在将所述初始拓扑结构划分成多个区域后，将若干所述子拓扑结构中的交换机进行定义：将不与其他子拓扑结构相连的交换机称为内部交换机，将与其他子拓扑结构相连的交换机称为边缘交换机。如图2所示，S1就是内部交换机，而S2为边缘交换机。

得到目标拓扑结构后，就可以执行如图1所示的如下步骤：S200、对若干所述子拓扑结构中的所有交换机依次安装标签规则，得到标签转发规则集，对预设的初始规则集进行修正，得到标签生成规则集；

具体地，本发明希望借助标签转发技术去减少默认路径的条目数量。然而简单的将节点视作转发等价类的方案并不具有良好的拓展性，因此，需要找到更好的标签路径部署方案。其目标有两个，第一部署的标签转发路径保证各个节点之间在标签栈大小的限制下(标签栈大小通常为3)能够通过标签进行转发。第二是尽可能的减少标签流表项对TCAM的占用。本发明因此提出启发式的标签部署方案：可以对所述交换机设置优先级，根据交换机的优先级，对若干所述子拓扑结构中的所有交换机依次安装标签规则，也可以根据随机的顺序对若干所述子拓扑结构中的所有交换机依次安装标签规则，得到标签转发规则集。此外，初始规则集是网络策略预先设定好的，以通配符匹配的方式存在，可以将有相同目的地的流聚合起来，由一条规则匹配。本发明对预设的初始规则集进行修正，也就是将初始规则集的动作域改成推送标签再转发到出端口，从而得到标签生成规则集。

在步骤S200中，所述对若干所述子拓扑结构中的所有交换机依次安装标签规则，得到标签转发规则集包括如下步骤：针对每个所述子拓扑结构，基于预设的第二算法，获取每个所述子拓扑结构的最短路径；根据每个所述子拓扑结构中每个交换机的第一属性和与每个所述子拓扑结构对应的所述最短路径，确定所述交换机的匹配域和所述交换机的第一动作域；其中，所述匹配域用于对数据包进行匹配；所述第一动作域用于对数据包进行转发；将所有子拓扑结构中所有交换机的所有匹配域和所有子拓扑结构中所有交换机的所有第一动作域存储，得到标签转发规则集。

具体地，启发式的标签部署方案有两种，先论述第一种：标签交换的路由方案。在本实施例中，预设的第二算法为迪杰斯特拉算法，可以以每个所述子拓扑结构为单独的小拓扑，执行迪杰斯特拉算法，计算最短路径，得到每个所述子拓扑结构的最短路径。也就是说，多个子拓扑结构对应的多个最短路径组成最短路径集。如果每个所述子拓扑结构中每个交换机的第一属性为内部交换机，此时，只需安装到区域内其他交换机的流表项，所述交换机的匹配域为交换机所对应的标签，所述交换机的第一动作域为转发到之前计算好的两点之间最短路径的下一跳所对应的端口；如果每个所述子拓扑结构中每个交换机的第一属性为边缘交换机，那么除了这些流表项之外还需要安装到与其直接相连的其他区域边缘交换机的流表项，所述交换机的匹配域为边缘交换机对应的标签，所述交换机的第一动作域为转发到其相连的端口。现以图2中的交换机S1和S2举例，在标签交换的方案下，内部交换机是无法感知到除本地区域外的交换机的，因此在交换机S1处仅有到同区域内的交换机S2的标签流表项。交换机S2作为边缘交换机，能够感知到与之相连的其他区域的边缘交换机，因此它需要额外安装到达其他边缘交换机的标签，附表1展示了S1安装的标签流表项，附表2展示了S2安装的标签流表项。

附表1交换机S1的标签规则集

标签规则	匹配域	动作
			R1	S1	弹出标签S1
R2	S2	转发到端口2

附表2交换机S2的标签规则集

标签规则	匹配域	动作
			R1	S1	转发到端口2
R2	S2	弹出标签S2
			R3	S3	转发到端口1

最后，将所有子拓扑结构中所有交换机的所有匹配域和所有子拓扑结构中所有交换机的所有第一动作域存储，得到每个交换机的标签转发规则集。

在步骤S200中，所述对预设的初始规则集进行修正，得到标签生成规则集包括如下步骤：基于预设的第二算法，计算所述拓扑结构的第一最短路径集；针对所述拓扑结构中的每个交换机，根据所述第一最短路径集和预设交换机所处的位置，得到第二动作域；其中，所述第二动作域用于对数据包推送标签以及转发；将所述初始规则集中的动作域替换为所述第二动作域，得到标签生成规则集。

具体地，基于迪杰斯特拉算法，计算整个拓扑结构的第一最短路径集P，针对所述拓扑结构中的每个交换机，遍历每一台交换机，在本实施例中，预设的交换机为出口交换机，出口交换机为与目的主机相连的交换机，当预设交换机所处的位置为本地区域(也即本地子拓扑结构)时，第二动作域为推送出口交换机所对应的标签，目的是为了给数据包打上标签，打上标签后的数据包在之后交换机节点中就可以通过匹配TCAM的标签流表中的规则进行转发。如果预设交换机所处的位置为非本地区域(也即非本地子拓扑结构)时，那么将根据该交换机到出口交换机的路径(也即第一最短路径集中的最短路径)，数据包将通过本地区域内的具体一个边缘交换机以及下一个区域的具体一个边缘交换机，如，假设要为S1安装到交换机S4的标签。S1到S4的路径是S1->S2->S3->S4。我们知道S1的区域边缘交换机是S2，而下一个区域的边缘交换机是S3。因此打上两个标签S2和S3。接下来就可以依据标签进行转发，被打上了S2和S3标签的数据包到达S2，交换机S2看到了标签S2，弹出该标签，接下来看到标签S3，依据标签S3将数据包转发到S3。交换机S3看到标签S3，弹出标签。此时出口交换机S4在本地区域，因此在交换机S3中安装到交换机S4的规则的动作域就是推送标签S4并转发到相应出端口即可。第二动作域为打上边缘交换机的标签以及下一个区域的边缘交换机的标签。在推送标签后转发到相应的出端口。最后，将所述初始规则集中的动作域替换为所述第二动作域，得到标签生成规则集。以如图2中的交换机S1为例来说明：原始规则集参见附表3，修改后的标签生成规则集参见附表4。首先以整个拓扑为输入计算出最短路径集，通过最短路径集，可以知道想到达出口交换机S6,S3,S4都必须要通过本地区域的边缘交换机S2转发。因此对应的规则R1,R3,R4都改成推送标签S2,S3。R2的出口交换机为S2，S2为本地区域交换机，因此仅需推送交换机对应的标签S2即可。

附表3交换机S1的一部分原始规则集

规则	匹配域	动作域	出口交换机	优先级
					R1	1**	转发到端口2	S6	1
R2	***	转发到端口2	S2	0
					R3	**1	转发到端口2	S3	2
R4	0*1	转发到端口2	S4	3

附表4交换机S1的一部分原始规则集

综上方法是标签交换的路由方案，标签交换方案会带来额外的时延，因为基于标签交换的方案每次进入一个新的区域，都要进入一次新区域的入口交换机的SRAM(SRAM转发相较于TCAM转发需要更多的时间)以获取该区域路由信息(即标签)。除此之外，由于安装标签转发路径时用的是每个区域的拓扑计算的最短路径，这个最短路径在整个拓扑是并不一定是最短路径，因此会造成路径拉伸。也就是说，由于标签转发仅在区域内进行，每当到达一个新的区域都需要重新到RAM表中寻找新的标签信息，并且由于本地区域的标签转发没有考虑全局拓扑信息，会带来一定程度路径拉伸。但好处在于标签交换方案仅需安装很少的标签流表项，便可保证各个节点之间能够通过标签进行转发。需要说明的是数据包在每个新的区域需要进入RAM以推送标签从而转发。在到达出口交换机后，还需要进入RAM，通过主机表转发至相应主机。

在步骤S200中，所述对若干所述子拓扑结构中的所有交换机依次安装标签规则，得到标签转发规则集还包括如下步骤：基于预设的第二算法，计算所述拓扑结构的第二最短路径集；针对每个所述子拓扑结构中的每个所述交换机，根据所述交换机的第一属性和所述第二最短路径集，确定与所述交换机对应的安装标签转发规则的第二匹配域和与所述交换机对应的安装标签转发规则的第三动作域；将所述拓扑结构中的所有交换机对应的安装标签转发规则的所有第二匹配域和安装标签转发规则的所有第三动作域存储，得到标签转发规则集。

具体地，启发式的标签部署方案的第二种为段路由，首先迪杰斯特拉算法，计算所述拓扑结构(全局拓扑结构)的第二最短路径集P，针对每个所述子拓扑结构中的每个所述交换机，也即遍历每个区域(所述子拓扑结构)的交换机，第二匹配域为与每个该区域的交换机一对一对应的标签；如果所述交换机的第一属性为内部交换机，与所述交换机对应的安装标签转发规则的第三动作域为安装到达本地区域其他交换机的流表项(与标签交换方案相同)，如果所述交换机的第一属性为边缘交换机，还需要额外安装与其相连的其他区域的边缘交换机标签的流表项，与所述交换机对应的第三动作域为转发到第二最短路径集P中该交换机与其他区域边缘交换机的路径的下一跳。最后，将所述拓扑结构中的所有交换机对应的与所述交换机对应的安装标签转发规则的第二匹配域和第三动作域存储，得到标签转发规则集。现以图3和附表5举例说明，在段路由的方案下，边缘交换机能够感知到其余非直连的其他区域的边缘交换机。在整个拓扑中，有4台边缘交换机，因此在交换机S2中需要安装除自身外的4条标签规则。与之前一样，需要通过输入整个拓扑计算得到最短路径集合P，根据交换机S2到其余边缘交换机的最短路径就可以得到转发端口。

附表5交换机S2的标签规则集

标签规则	匹配域	动作域
			R1	S1	转发到端口2
R2	S2	弹出标签S2
			R3	S3	转发到端口1
R4	S4	转发到端口1
			R5	S5	转发到端口1

在步骤S200中，所述对预设的初始规则集进行修正，得到标签生成规则集还包括如下步骤：针对所述拓扑结构中的每个交换机，根据所述交换机的第二属性和所述第二最短路径集，确定所述交换机的第四动作域；其中，所述第四动作域用于对数据包推送标签以及转发；将所述初始规则集中的动作域替换为所述第四动作域，得到标签生成规则集。

具体地，针对所述拓扑结构中的每个交换机，也即遍历每一台交换机，假设所述交换机的第二属性为出口交换机，如果出口交换机在本地区域，所述交换机的第四动作域为推送出口交换机对应的标签，如果出口交换机不在本地区域，需要根据最短路径找到源区域的边缘交换机以及目的区域的边缘交换机，所述交换机的第四动作域为根据这两个边缘交换机对应的标签以及出口交换机的标签产生。此外，如果入口交换机与出口交换机都不是边缘交换机，那么就打上对应的三层标签(这两个边缘交换机的标签和出口交换机标签)。如果入口交换机恰好是源区域的边缘交换机，那么需推送目的区域的边缘交换机的标签和出口交换机的标签。如果出口交换机恰好是目的区域的边缘交换机，那么需推送源区域的边缘交换机以及目的区域边缘交换机的标签。在推送完标签后还需要转发到相应的出端口。最后将所述初始规则集中的动作域替换为所述第四动作域，得到标签生成规则集。如图3，附表6为初始规则集，附表7为标签生成规则集；与标签交换方案不同在于数据包在一开始就被推送由标签编码的完整的路由信息。例如R1规则，它的的出口交换机是S6，在段路由方案里，边缘交换机能够感知到出口交换机所处区域的边缘交换机S5的存在，因此，打上三层标签，分别是入口交换机到达本地区域的边缘交换机的标签，目的区域边缘交换机的标签，以及目的区域出口交换机的标签。所以动作域被修改为推送标签S2,S5,S6并转发相应端口。

附表6交换机S1的一部分原始规则集

附表7交换机S1的一部分原始规则集

综上方法是段路由方案，段路由方案的优势在于不存在路径拉伸(使用了全局的拓扑信息),不需要多次进入RAM查找标签表。但其劣势在于会有相对多一点的标签流表项，这一点我们可以直观的从这两个方案安装标签规则的例子中看出，但是段路由方案相对于现有技术中的流表项已经少了很多。该方案与标签交换的方案一样，在到达出口交换机后，仍需要进入RAM，通过主机表转发至相应主机。

本发明可部署在同时具有硬件流表与软件流表的SDN交换机，例如HP-3500yl以及p4可编程交换机。本发明提供了上述两种基于区域管理的启发式方案的标签规则生成代码，标签交换方案消耗的流表项少，但增加了额外的时延。段路由消耗相对更多的流表项，但不会增加额外的时延，操作人员可灵活的根据需求采取哪一种启发式的标签路由方案。可以根据标签交换和段路由的特点和当前的网络场景选择哪一种方案。比如说当前TCAM负载不是很严重的时候，就可以选择段路由方案，提升流的性能。如果TCAM负载很严重，那么就可以选择标签交换方案。通过牺牲一点流的性能，进一步减少默认路由所需流表项的数目。

得到规则集后，就可以执行如图1所示的如下步骤：S300、根据所述标签转发规则集和所述标签生成规则集，得到用于支持默认路径转发的路由表，根据所述路由表和预设的单个流匹配路由表，通过预设的流水线处理，得到软件定义网络混合交换方式。

具体地，可以直接将所述标签转发规则集、所述标签生成规则集存储，得到用于支持默认路径转发的路由表，然后数据包将根据这个路由表和精确的单个流匹配路由表通过预设的流水线处理，从而得到软件定义网络混合交换方式。

步骤S300包括如下步骤：

S301、将所述标签转发规则集存储在三态内容寻址存储路由表中；

S302、将所述标签生成规则集存储在静态随机存取存储路由表中；

S303、将所述三态内容寻址存储路由表和所述静态随机存取存储路由表组成用于支持默认路径转发的路由表。

具体地，将所述标签转发规则集存储在三态内容寻址存储路由表(TCAM)中；将所述标签生成规则集存储在静态随机存取存储路由表(Static Random-Access Memory，SRAM)中；最后将所述三态内容寻址存储路由表和所述静态随机存取存储路由表融合用于支持默认路径转发的路由表。

在一种实现方式中，得到路由表后，基于所述软件定义网络的所述路由表，对数据包进行处理；其中，所述数据包为所述软件定义网络中传输的数据单位。所述三态内容寻址存储路由表包括第一子三态内容寻址存储路由表和第二子三态内容寻址存储路由表；所述静态随机存取存储路由表包括第一子静态随机存取存储路由表和第二子静态随机存取存储路由表；相应的，所述基于所述软件定义网络的所述路由表，对数据包进行处理包括如下步骤：当所述数据包到达交换机时，将所述第一子三态内容寻址存储路由表中的单个流控制的流表项和所述数据包进行匹配，得到第一匹配结果；其中，所述流表项用于表征流表规则；当所述第一匹配结果为失败时，将所述第二子三态内容寻址存储路由表中的标签转发流表项和所述数据包进行匹配，得到第二匹配结果；当所述第二匹配结果为失败时，将所述第一子静态随机存取存储路由表中的用于转发到目的主机的流表项与所述数据包中进行匹配，得到第三匹配结果；当所述第三匹配结果为失败时，将所述第二子静态随机存取存储路由表中的标签生成流表项与所述数据包进行匹配，得到第四匹配结果；当所述第四匹配结果为失败时，将所述数据包转发至控制器，并通过所述控制器确定转发策略。

具体地，第一子三态内容寻址存储路由表也即细粒度的转发表TCAM；第二子三态内容寻址存储路由表也即标签转发表TCAM；第一子静态随机存取存储路由表也即主机表SRAM；第二子静态随机存取存储路由表也即标签转发表SRAM；主机表SRAM用来将数据包转发到与该交换机相连接的目的主机，由控制器预先安装规则在此表；标签转发表SRAM用于为数据包打上标签。实际中，如图4所示，其展示了基于标签技术的SDN混合交换的数据包处理流程。标签转发表(TCAM)的流表项事先由控制器下发，其必须保证任何一个节点都能够通过标签转发的方式到达另一个节点。而当包到达交换机时，首先经过细粒度的转发表进行查找，如无法匹配。则转到下一级标签转发表中，如再无法匹配。则转发到交换机的SRAM主机表中继续匹配，如无法匹配，则转发到交换机的SRAM标签转发表中继续匹配，如无法匹配，将所述数据包转发至控制器，并通过所述控制器确定转发策略。

在一种实现方式中，所述通过所述控制器确定转发策略包括如下步骤：当通过所述控制器确定所述数据包对应的数据流与预设数据流相同时，将所述数据包对应的流安装细粒度匹配流表项转发至所述第一子三态内容寻址存储路由表；当通过所述控制器确定所述数据包对应的数据流与预设数据流相异时，将所述数据包对应的流安装默认路径的标签生成流表项转发至所述第二子静态随机存取存储路由表。

实际中，预设数据流为关键流；控制器决定这条流是否值得被细粒度的转发，根据结果决定在哪一张表安装规则。也即当通过所述控制器确定所述数据包对应的数据流与关键流相同，将所述数据包转发至细粒度的转发表TCAM；当通过所述控制器确定所述数据包对应的数据流与关键流相异时，将所述数据包转发至标签转发表SRAM。图4中判断关键流的方法由网络策略来定，例如中间盒的部署、管理和安全。

标签转发表(TCAM)的流表项的安装取决于不同的标签路径部署方案。一个简单的标签路径部署方案是每个交换机就相当于一个标签，数据包可打上出口交换机相对应的标签进行转发。这种方案下每个交换机中的流表项的开销和转发等价类成正比，也就是与节点个数成正比，这导致了在大型拓扑的场景下不具有很好的拓展性。例如SDN交换机HP-3500yl中TCAM的容量是1536条流表项。而500节点的拓扑需要在每个交换机内安装500条标签流表项，这就占去了TCAM的容量的三分之一。然而如果按照本发明前述方法提出来启发式的标签路由方案，标签转发表(TCAM)的流表项将大量减少。

因此，本发明是整合Fabric基于标签转发的思想以及传统路由与SDN相结合的思想。我们改进的点在于把标签转发技术应用在如何解决传统路由表默认路径流条目过多的问题，并以此提出了基于标签转发的SDN混合交换框架。将粗粒度的通配符转发转变成标签转发能够大大减少所需的流表项。每条流在入口交换机的SRAM(Static Random-AccessMemory，SRAM)中被打上标签，之后便通过标签在TCAM中进行转发，这种方式所需TCAM流表项的数目与转发等价类相关，而传统路由表是基于目的地的转发，而非基于流，因此转发等价类的数目将受到限制，因此能够大大减少所需的流表项数目。

本发明的亮点：

本发明针对SDN拓展性不足的问题提出了基于标签转发的SDN混合交换框架。该框架与之前混合交换框架主要不同在于我们用标签技术解决了用于支持默认路径规则数量过多的问题。首先，我们提出了一种简单的标签路径部署方法，虽然相较于传统路由表能够压缩大量的流表项，但难以拓展到大型拓扑。因此我们又基于区域管理提出了两种启发式的标签部署方案。相较于最初的标签部署方案，本发明提出的方案在大型拓扑场景下也能大大减少流表项的数目。具体来说，标签交换方案减少了百分之九十以上的标签流表项，段路由的表现稍差，但仍也减少百分之四十左右的标签流表项，由此省下来的流表项将用于更多的网络功能。标签交换相较于段路由会增加额外的时延，操作人员可以根据当前TCAM是否充裕，或者是更注重时延，来灵活的选择标签部署方案以支持默认路由。

示例性设备

如图5中所示，本发明实施例提供一种基于标签技术的软件定义网络混合交换装置，该装置包括若干子拓扑结构获取模块401、规则预处理模块402和软件定义网络混合交换方式得到模块403，其中：

若干子拓扑结构获取模块401，用于获取软件定义网络的拓扑结构，并对所述拓扑结构进行区域划分，得到若干子拓扑结构；其中，所述拓扑结构包括若干交换机；

规则预处理模块402，用于对若干所述子拓扑结构中的所有交换机依次安装标签规则，得到标签转发规则集，对预设的初始规则集进行修正，得到标签生成规则集；

软件定义网络混合交换方式得到模块403，用于根据所述标签转发规则集和所述标签生成规则集，得到用于支持默认路径转发的路由表，根据所述路由表和预设的单个流匹配路由表，通过预设的流水线处理，得到软件定义网络混合交换方式。

基于上述实施例，本发明还提供了一种智能终端，其原理框图可以如图6所示。该智能终端包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示屏、温度传感器。其中，该智能终端的处理器用于提供计算和控制能力。该智能终端的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该智能终端的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种基于标签技术的软件定义网络混合交换方法。该智能终端的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该智能终端的温度传感器是预先在智能终端内部设置，用于检测内部设备的运行温度。

本领域技术人员可以理解，图6中的原理图，仅仅是与本发明方案相关的部分结构的框图，并不构成对本发明方案所应用于其上的智能终端的限定，具体的智能终端可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

在一个实施例中，提供了一种智能终端，包括有存储器，以及一个或者一个以上的程序，其中一个或者一个以上程序存储于存储器中，且经配置以由一个或者一个以上处理器执行所述一个或者一个以上程序包含用于进行以下操作的指令：

获取软件定义网络的拓扑结构，并对所述拓扑结构进行区域划分，得到若干子拓扑结构；其中，所述拓扑结构包括若干交换机；

对若干所述子拓扑结构中的所有交换机依次安装标签规则，得到标签转发规则集，对预设的初始规则集进行修正，得到标签生成规则集；

根据所述标签转发规则集和所述标签生成规则集，得到用于支持默认路径转发的路由表，根据所述路由表和预设的单个流匹配路由表，通过预设的流水线处理，得到软件定义网络混合交换方式。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本发明所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

综上所述，本发明公开了一种基于标签技术的软件定义网络混合交换方法，其特征在于，所述方法包括：获取软件定义网络的拓扑结构，并对所述拓扑结构进行区域划分，得到若干子拓扑结构；其中，所述拓扑结构包括若干交换机；对若干所述子拓扑结构中的所有交换机依次安装标签规则，得到标签转发规则集，对预设的初始规则集进行修正，得到标签生成规则集；根据所述标签转发规则集和所述标签生成规则集，得到用于支持默认路径转发的路由表，根据所述路由表和预设的单个流匹配路由表，通过预设的流水线处理，得到软件定义网络混合交换方式。本发明实施例基于传统的软件定义网络混合交换框架的拓扑结构安装标签转发规则集和标签生成规则集，使得生成的路由表是基于标签技术的，可以极大的减少软件定义网络混合交换框架的流表项消耗。

基于上述实施例，本发明公开了一种基于标签技术的软件定义网络混合交换方法，应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (13)

1.一种基于标签技术的软件定义网络混合交换方法，其特征在于，所述方法包括：

获取软件定义网络的拓扑结构，并对所述拓扑结构进行区域划分，得到若干子拓扑结构；其中，所述拓扑结构包括若干交换机；

对若干所述子拓扑结构中的所有交换机依次安装标签规则，得到标签转发规则集,对预设的初始规则集进行修正，得到标签生成规则集；

根据所述标签转发规则集和所述标签生成规则集，得到用于支持默认路径转发的路由表，根据所述路由表和预设的单个流匹配路由表，通过预设的流水线处理，得到软件定义网络混合交换方式。

2.根据权利要求1所述的基于标签技术的软件定义网络混合交换方法，其特征在于，所述对所述拓扑结构进行区域划分，得到若干子拓扑结构包括：

基于预设的第一算法，将所述初始拓扑结构划分成多个区域，得到若干子拓扑结构。

3.根据权利要求1所述的基于标签技术的软件定义网络混合交换方法，其特征在于，所述对若干所述子拓扑结构中的所有交换机依次安装标签规则，得到标签转发规则集包括：

针对每个所述子拓扑结构，基于预设的第二算法，获取每个所述子拓扑结构的最短路径；

根据每个所述子拓扑结构中每个交换机的第一属性和与每个所述子拓扑结构对应的所述最短路径，确定所述交换机的匹配域和所述交换机的第一动作域；其中，所述匹配域用于对数据包进行匹配；所述第一动作域用于对数据包进行转发；

将所有子拓扑结构中所有交换机的所有匹配域和所有子拓扑结构中所有交换机的所有第一动作域存储，得到标签转发规则集。

4.根据权利要求3所述的基于标签技术的软件定义网络混合交换方法，其特征在于，所述对预设的初始规则集进行修正，得到标签生成规则集包括：

基于预设的第二算法，计算所述拓扑结构的第一最短路径集；

针对所述拓扑结构中的每个交换机，根据所述第一最短路径集和预设交换机所处的位置，得到第二动作域；其中，所述第二动作域用于对数据包推送标签以及转发；

将所述初始规则集中的动作域替换为所述第二动作域，得到标签生成规则集。

5.根据权利要求1所述的基于标签技术的软件定义网络混合交换方法，其特征在于，所述对若干所述子拓扑结构中的所有交换机依次安装标签规则，得到标签转发规则集还包括：

基于预设的第二算法，计算所述拓扑结构的第二最短路径集；

针对每个所述子拓扑结构中的每个所述交换机，根据所述交换机的第一属性和所述第二最短路径集，确定与所述交换机对应的安装标签转发规则的第二匹配域和与所述交换机对应的安装标签转发规则的第三动作域；

将所述拓扑结构中的所有交换机对应的安装标签转发规则的所有第二匹配域和安装标签转发规则的所有第三动作域存储，得到标签转发规则集。

6.根据权利要求5所述的基于标签技术的软件定义网络混合交换方法，其特征在于，所述对预设的初始规则集进行修正，得到标签生成规则集还包括：

针对所述拓扑结构中的每个交换机，根据所述交换机的第二属性和所述第二最短路径集，确定所述交换机的第四动作域；其中，所述第四动作域用于对数据包推送标签以及转发；

将所述初始规则集中的动作域替换为所述第四动作域，得到标签生成规则集。

7.根据权利要求1所述的基于标签技术的软件定义网络混合交换方法，其特征在于，所述根据所述标签转发规则集和所述标签生成规则集，得到用于支持默认路径转发的路由表包括：

将所述标签转发规则集存储在三态内容寻址存储路由表中；

将所述标签生成规则集存储在静态随机存取存储路由表中；

将所述三态内容寻址存储路由表和所述静态随机存取存储路由表组成用于支持默认路径转发的路由表。

8.根据权利要求7所述的基于标签技术的软件定义网络混合交换方法，其特征在于，所述根据所述路由表和预设的单个流匹配路由表，通过预设的流水线处理，得到软件定义网络混合交换方式包括：

基于所述路由表和预设的单个流匹配路由表，通过预设的流水线对数据包进行处理，得到软件定义网络混合交换方式；其中，所述数据包为所述软件定义网络中传输的数据单位。

9.根据权利要求8所述的基于标签技术的软件定义网络混合交换方法，其特征在于，所述三态内容寻址存储路由表包括第一子三态内容寻址存储路由表和第二子三态内容寻址存储路由表；所述静态随机存取存储路由表包括第一子静态随机存取存储路由表和第二子静态随机存取存储路由表；所述基于所述路由表和预设的单个流匹配路由表，通过预设的流水线对数据包进行处理，得到软件定义网络混合交换方式包括：

当所述数据包到达交换机时，将所述第一子三态内容寻址存储路由表中的单个流控制的流表项和所述数据包进行匹配，得到第一匹配结果；其中，所述流表项用于表征流表规则；

当所述第一匹配结果为失败时，将所述第二子三态内容寻址存储路由表中的标签转发流表项和所述数据包进行匹配，得到第二匹配结果；

当所述第二匹配结果为失败时，将所述第一子静态随机存取存储路由表中的用于转发到目的主机的流表项与所述数据包中进行匹配，得到第三匹配结果；

当所述第三匹配结果为失败时，将所述第二子静态随机存取存储路由表中的标签生成流表项与所述数据包进行匹配，得到第四匹配结果；

当所述第四匹配结果为失败时，将所述数据包转发至控制器，并通过所述控制器确定转发策略。

10.根据权利要求9所述的基于标签技术的软件定义网络混合交换方法，其特征在于，所述通过所述控制器确定转发策略包括：

当通过所述控制器确定所述数据包对应的数据流与预设数据流相同时，将所述数据包对应的流安装细粒度匹配流表项转发至所述第一子三态内容寻址存储路由表；

当通过所述控制器确定所述数据包对应的数据流与预设数据流相异时，将所述数据包对应的流安装默认路径的标签生成流表项转发至所述第二子静态随机存取存储路由表。

11.一种基于标签技术的软件定义网络混合交换装置，其特征在于，所述装置包括：

若干子拓扑结构获取模块，用于获取软件定义网络的拓扑结构，并对所述拓扑结构进行区域划分，得到若干子拓扑结构；其中，所述拓扑结构包括若干交换机；

规则预处理模块，用于对若干所述子拓扑结构中的所有交换机依次安装标签规则，得到标签转发规则集，对预设的初始规则集进行修正，得到标签生成规则集；

软件定义网络混合交换方式得到模块，用于根据所述标签转发规则集和所述标签生成规则集，得到用于支持默认路径转发的路由表，根据所述路由表和预设的单个流匹配路由表，通过预设的流水线处理，得到软件定义网络混合交换方式。

12.一种智能终端，其特征在于，包括有存储器，以及一个或者一个以上的程序，其中一个或者一个以上程序存储于存储器中，且经配置以由一个或者一个以上处理器执行所述一个或者一个以上程序包含用于执行如权利要求1-10中任意一项所述的方法。

13.一种非临时性计算机可读存储介质，其特征在于，当所述存储介质中的指令由电子设备的处理器执行时，使得电子设备能够执行如权利要求1-10中任意一项所述的方法。

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