CN115314447B - 一种SDN环境中packet-in消息的处理方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于软件定义网络SDN环境的消息处理技术领域，具体地说，涉及一种SDN环境中packet‑in消息的处理方法，该方法包括：控制器加载匹配规则，建立消息队列；控制器中的应用向该消息队列订阅感兴趣的消息；控制器解封装来自交换机的packet‑in消息，根据匹配规则匹配所述packet‑in消息的数据部分，将满足匹配规则的消息发布到消息队列；消息队列将应用感兴趣的消息推送给应用，应用完成消息处理。
Description
技术领域
本发明属于软件定义网络SDN环境的消息处理技术领域，具体地说，涉及一种SDN环境中packet-in消息的处理方法及系统。
背景技术
目前，传统TCP/IP网络具有灵活性不足、运维难度大等等的缺点，而软件定义网络(software defined network，简写为SDN)能够更好地弥补传统TCP/IP网络的不足。然而，SDN思想中的集中控制器对功能、性能同时提出了很高的要求。控制器作为其控制域内控制逻辑的核心，负责域内的网络监控和控制，毫无疑问地成为域内控制流量最为密集的节点，另外，由于是上层应用和底层转发设备的中间连接模块，控制器的性能必须得以保证。
现有的SDN控制器种类繁杂，使用较多的有ONOS(Open Network OperatingSystem，开放式网络操作系统)、Open-Daylight、NOX/POX和Ryu等等，上述控制器多以Java、python等语言编写，稳定性强，但性能较差，多个进程/线程运行逻辑多有耦合，很难保证性能方面的要求；另一方面，在大规模网络部署的情况下，除ONOS和HyperFlow外，多数常见控制器本身并不支持多控制器协同的场景，从而降低了控制器的处理性能。
为保证控制逻辑的实现，现有的控制器通过南向接口和SDN转发设备相连，实现控制流量的转发。其中，最有代表性的是Openflow、OVSDB(OpenvSwitch Database，开放虚拟交换机数据库)和POF(Protocol-Oblivious Forwarding，协议无关转发)协议等等，这些南向协议使得控制器的南向接口标准化、统一化，同时还简化了控制逻辑的部署与维护。但是，现有的南向接口未考虑控制器的性能处理，尤其是上层应用在处理packet-in消息时，各个应用需要遍历所有数据包后确认自身关心的消息并加以处理，这浪费了大量计算资源。
目前，针对SDN中的packet-in消息处理的现有方法有：
第一种，专利名称《一种二层分布式多控制器架构系统及构建方法》(专利申请号：CN201510562508.5)：该专利提出了一种将多控制器部署为二层架构的方式，通过分散控制器功能来缓解控制压力，直接控制器负责拓扑发现和策略制定，而间接控制器负责应用分析和全局维护。该方法具有分离控制器的特点，通过修改架构来进一步保证控制器性能，但是，其可扩展性差，控制逻辑复杂，最重要的是并未对上层应用实现机制层面的优化，因此，对于性能的保证十分有限，且并未实现对pack-in信息加速，也没有实现针对控制器中应用的加速处理。
第二种，专利名称《基于规则预部署的软件定义网络高效路由》(专利申请号：CN202010128144.0)：该专利在架构中增加主动通配和被动匹配两个模块，主动通配模块是指控制器通过先验知识预测即将到来的数据流的信息并为其指定通配转发规则，被动匹配模块则是指当通配规则不适用时被动上发控制器计算转发路径。该方法通过预测的方式，减少packet-in消息数量，从而提升控制性能，但是，存在预测难度大，准确率低，控制粒度较粗糙的缺点，且并未实现对pack-in信息加速，也没有实现针对控制器中应用的加速处理。
发明内容
为解决现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种SDN环境中packet-in消息的处理方法，该方法包括：
控制器加载匹配规则，建立消息队列；
控制器中的应用向该消息队列订阅感兴趣的消息；
控制器解封装来自交换机的packet-in消息，根据匹配规则匹配所述packet-in消息的数据部分，将满足匹配规则的消息发布到消息队列；
消息队列将应用感兴趣的消息推送给应用，应用完成消息处理。
作为上述技术方案的改进之一，所述匹配规则包括：若干协议无关的匹配域。
作为上述技术方案的改进之一，所述控制器加载匹配规则，建立消息队列；其具体过程为：
控制器根据配置，设置预设值；控制器加载匹配规则，将交换机发送的packet-in消息依据匹配规则对其中的消息数据包部分的偏移量+长度获取所需要匹配的内容，再根据掩码将匹配域中的待匹配内容与预设值相匹配，得到匹配结果，并根据该匹配结果，建立消息队列。
作为上述技术方案的改进之一，所述消息队列采用发布-订阅模式，将匹配规则与话题对应，控制器将满足匹配规则的packet-in消息发布到相应话题的消息队列上；
应用先向消息队列订阅感兴趣的话题，然后消息队列将与该感兴趣的话题对应的packet-in消息推送给应用。
作为上述技术方案的改进之一，匹配规则与话题对应的形式为：
话题与消息绑定形式，所有的packet-in消息复用一条或多条消息队列，每一条packet-in消息均需增加话题前缀报文或者增加话题报头字段后，再发布到消息队列；或
话题与队列绑定形式，形式上使用数量和话题的数量相当的消息队列，每条消息队列对应一个话题，根据话题，将匹配后的packet-in消息发布的对应的话题。
本发明还提供了一种SDN环境中packet-in消息的处理系统，该系统包括：
匹配模块，用于控制器加载匹配规则，建立消息队列；
转发模块，用于控制器解封装来自交换机的packet-in消息，根据匹配规则匹配所述packet-in消息的消息数据包部分，将满足匹配规则的消息发布到消息队列；
消息队列模块，用于利用消息队列，完成对控制器和应用之间的通信，实现对packet-in消息的传递与缓存；和
应用模块，用于向该消息队列订阅感兴趣的消息，并接收已订阅的感兴趣的消息。
作为上述技术方案的改进之一，所述匹配规则包括：若干协议无关的匹配域。
作为上述技术方案的改进之一，所述匹配模块包括：
配置单元，用于控制器根据配置，设置预设值；和
匹配单元，用于控制器加载匹配规则，packet-in消息依据匹配规则对其中的消息数据包部分的偏移量+长度获取所需要匹配的内容，再根据掩码将匹配域中的待匹配内容与预设值相匹配，得到匹配结果，并根据该匹配结果，建立消息队列。
作为上述技术方案的改进之一，所述消息队列采用发布-订阅模式，将匹配规则与话题对应，控制器将满足匹配规则的packet-in消息发布到相应话题的消息队列上；
应用先向消息队列订阅感兴趣的话题，然后消息队列将与该感兴趣的话题对应的packet-i消息推送给应用。
作为上述技术方案的改进之一，匹配规则与话题对应的形式为：
话题与消息绑定形式，所有的packet-in消息复用一条或多条消息队列，每一条packet-in消息均需增加话题前缀报文或者增加话题报头字段后，再发布到消息队列；或
话题与队列绑定形式，形式上使用数量和话题的数量相当的消息队列，每条消息队列对应一个话题，根据话题，将匹配后的packet-in消息发布的对应的话题。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明利用消息队列的发布-订阅模式，减少了应用对无关packet-in消息的处理，提升了控制器的消息处理效率。
附图说明
图1是本发明的一种SDN环境中packet-in消息的处理系统的结构示意图；
图2是本发明的一种SDN环境中packet-in消息的处理方法的流程图；
图3是现有的传统控制器针对交换机packet-in消息的处理流程图；
图4是本发明的一种SDN环境中packet-in消息的处理方法处理packet-in消息的流程图；
图5是本发明的一种SDN环境中packet-in消息的一个具体实施例的处理方法流程图。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明提供了一种SDN环境中packet-in消息的处理方法，该方法应用于SDN控制器及其与应用的通信中，针对packet-in消息进行优化处理。如图2所示，在接收到交换机的packet-in消息后，依据配置和匹配规则，对消息进行解封装及匹配域匹配，根据匹配结果，将匹配后的packet-in消息发布到相应话题的消息队列；控制器中的应用，根据自身需求订阅相应的话题后，消息队列将应用感兴趣的消息推送给应用，应用完成消息处理。
如图2所示，本发明提出了一种SDN环境中packet-in消息的处理方法及处理系统，当前的SDN中，由于控制器细粒度的控制会带来大量的packet-in消息，控制器作为其控制域内控制逻辑的处理核心，面临着网络突发流量带来的流量波峰、SDN应用遍历待处理消息导致处理效率低的性能瓶颈问题，影响控制器的处理性能。该方法用于SDN控制器及其与应用的通信中，在控制器接收到交换机的packet-in消息后，依据配置和匹配原则，对该packet-in消息进行解封装及匹配域匹配，根据匹配结果，将消息发布到相应话题的消息队列；控制器的应用根据自身需求订阅相应的话题后，消息队列将相应的消息推送给应用，应用完成处理。本发明利用消息队列的“发布-订阅”模式，减少了应用对没有匹配的无关packet-in消息的处理，提升了控制器的消息处理效率。
该方法具体包括：
控制器加载匹配规则，建立消息队列；
其中，所述匹配规则包括：若干协议无关的(offset,length,value,mask)匹配域。
具体地，控制器根据配置，设置预设值；控制器加载匹配规则，packet-in消息依据匹配规则对其中的消息数据包部分的偏移量+长度获取所需要匹配的内容，再根据掩码将匹配域中的待匹配内容与预设值相匹配，得到匹配结果，并根据该匹配结果，建立消息队列。
其中，所述消息队列采用发布-订阅模式，将匹配规则与话题对应，控制器将满足匹配规则的packet-in消息发布到相应话题的消息队列上；
应用先向消息队列订阅感兴趣的话题，然后消息队列将与该感兴趣的话题对应的packet-in消息推送给应用。
其中，上述匹配规则与话题对应的形式为：
话题与消息绑定形式，所有的packet-in消息复用一条或多条消息队列，每一条packet-in消息均需增加话题前缀报文或者增加话题报头字段后，再发布到消息队列；或
话题与队列绑定形式，形式上使用数量和话题的数量相当的消息队列，每条消息队列对应一个话题，根据话题，将匹配后的packet-in消息发布的对应的话题中，每个packet-in消息根据自身的匹配结果决定发布到相应话题的消息队列。
控制器中的应用向该消息队列订阅感兴趣的消息；
控制器解封装来自交换机的packet-in消息，根据匹配规则匹配所述packet-in消息的数据部分，将满足匹配规则的消息发布到消息队列；
消息队列将应用感兴趣的消息推送给应用，应用完成消息处理。
如图3所示，传统控制器针对交换机packet-in消息的处理模式是，上层应用依次遍历并解析所有待处理消息直到找到自身感兴趣的数据消息，才能开始处理。
交换机A和B发送packet-in消息至控制器，控制器接收交换机A的packet-in消息和交换机B的packet-in消息，控制器负责南向通信的部分完成接收后进行初步数据包解析，然后依次通知已完成注册的应用-1、应用-2、应用-n。
如图4所示，图4为本发明的处理方式，由于将控制器中应用的处理模式改为仅处理自身感兴趣的消息，可以减少应用对无关packet-in消息的处理，从而提升控制器的消息处理效率。
将交换机A的packet-in消息和交换机B的packet-in消息发送至控制器的匹配模块，匹配模块根据预设的匹配规则进行消息匹配，通过转发模块将满足匹配规则的消息推送至消息队列，并由消息队列完成消息传递，即推送给订阅该类消息的应用-1，应用-2、应用-n。
如图1所示，本发明还提供了一种SDN环境中packet-in消息的处理系统，该系统包括：
匹配模块位于控制器内，用于控制器加载匹配规则，建立消息队列；
具体地，所述匹配模块包括：
配置单元，用于控制器根据配置，设置预设值；和
匹配单元，用于控制器加载匹配规则，packet-in消息依据匹配规则对其中的消息数据包部分的偏移量+长度获取所需要匹配的内容，再根据掩码将匹配域中的待匹配内容与预设值相匹配，得到匹配结果，并根据该匹配结果，建立消息队列。
转发模块位于控制器内，用于控制器解封装来自交换机的packet-in消息，根据匹配规则匹配所述packet-in消息的消息数据包部分，将满足匹配规则的消息发布到消息队列；
消息队列模块，用于利用消息队列，完成对控制器和应用之间的通信，实现对packet-in消息的传递与缓存；和
应用模块包括多个应用，所述应用，用于向该消息队列订阅感兴趣的消息，并接收已订阅的感兴趣的消息。
其中，所述匹配规则包括：若干协议无关的(offset,length,value,mask)匹配域。
其中，所述消息队列采用发布-订阅模式，将匹配规则与话题对应，控制器将满足匹配规则的packet-in消息发布到相应话题的消息队列上；
应用先向消息队列订阅感兴趣的话题，然后消息队列将与该感兴趣的话题对应的packet-in消息推送给应用。
其中，匹配规则与话题对应的形式为：
话题与消息绑定形式，所有的packet-in消息复用一条或多条消息队列，每一条packet-in消息均需增加话题前缀报文或者增加话题报头字段后，再发布到消息队列；或
话题与队列绑定形式，形式上使用数量和话题的数量相当的消息队列，每条消息队列对应一个话题，根据话题，将匹配后的packet-in消息发布的对应的话题。
实施例1.
本发明提供了一个具体实施例的方法，其方法流程，如图5所示，该方法能够有效地提升SDN中，控制器对于packet-in消息的处理性能。在本实施例中，以Switch作为测试用交换机，以ONOS作为控制器，以ARP PROXY作为测试用APP,即应用，arp proxy为话题；
如图5所示，该方法具体包括：
步骤1)根据配置文件，设置预设值和匹配规则，建立消息队列，并与ARP PROXY建立队列连接与通信；ARP PROXY向消息队列发起topic＝arp_proxy的订阅请求；
步骤2)控制器ONOS收取交换机switch的packet-in消息；
步骤3)判断消息是否完整，若消息不完整时返回步骤1)；若消息完整，匹配模块对交换机switch的packet-in消息进行解析，去掉南向协议Openflow的报文头部，并加载预设的ARP PROXY匹配规则，匹配规则为(0x000C,0x0002,0x0806,0xFFFF)，即从有效数据包开始的地方偏移offset＝0x000C并取得长度为length＝0x0002的数据内容X，将数据内容X与掩码mask＝0xFFFF做与运算后和value＝0x0806相比较，若完全相同，则将match_flag置为1；若不完全相同，则置为零；
步骤4)转发模块根据匹配模块的匹配结果，若match_flag为1时，则根据匹配规则，为packet-in消息的报文头部增加arp proxy话题的话题前缀报文，然后将满足匹配规则的消息(增加了arp proxy话题的话题前缀报文的packet-in消息)发布到消息队列，此时消息队列模式是publish，即话题和消息绑定，即每一个消息都具有话题前缀报文，并复用一个消息队列；
步骤5)ARP PROXY向消息队列订阅感兴趣的消息，并接收已订阅的感兴趣的消息，即仅收取与arp proxy话题相关的packet-in消息，并完成自身的逻辑处理，此时消息队列模式是subscribe，即话题和消息绑定，即每一个消息都具有话题前缀报文，并复用一个消息队列。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种SDN环境中packet-in消息的处理方法，该方法包括：
控制器加载匹配规则，建立消息队列；
控制器中的应用向该消息队列订阅感兴趣的消息；
控制器解封装来自交换机的packet-in消息，根据匹配规则匹配所述packet-in消息的数据部分，将满足匹配规则的消息发布到消息队列；
消息队列将应用感兴趣的消息推送给应用，应用完成消息处理；
所述消息队列采用发布-订阅模式，将匹配规则与话题对应，控制器将满足匹配规则的packet-in消息发布到相应话题的消息队列上；
应用先向消息队列订阅感兴趣的话题，然后消息队列将与该感兴趣的话题对应的packet-in消息推送给应用；
匹配规则与话题对应的形式为：
话题与消息绑定形式，所有的packet-in消息复用一条或多条消息队列，每一条packet-in消息均需增加话题前缀报文或者增加话题报头字段后，再发布到消息队列；或
话题与队列绑定形式，形式上使用数量和话题的数量相当的消息队列，每条消息队列对应一个话题，根据话题，将匹配后的packet-in消息发布的对应的话题。
2.根据权利要求1所述的SDN环境中packet-in消息的处理方法，其特征在于，所述匹配规则包括：若干协议无关的匹配域。
3.根据权利要求2所述的SDN环境中packet-in消息的处理方法，其特征在于，所述控制器加载匹配规则，建立消息队列；其具体过程为：
控制器根据配置，设置预设值；控制器加载匹配规则，将交换机发送的packet-in消息依据匹配规则对其中的消息数据包部分的偏移量+长度获取所需要匹配的内容，再根据掩码将匹配域中的待匹配内容与预设值相匹配，得到匹配结果，并根据该匹配结果，建立消息队列。
4.一种SDN环境中packet-in消息的处理系统，该系统包括：
匹配模块，用于控制器加载匹配规则，建立消息队列；
转发模块，用于控制器解封装来自交换机的packet-in消息，根据匹配规则匹配所述packet-in消息的消息数据包部分，将满足匹配规则的消息发布到消息队列；
消息队列模块，用于利用消息队列，完成对控制器和应用之间的通信，实现对packet-in消息的传递与缓存；和
应用模块，用于向该消息队列订阅感兴趣的消息，并接收已订阅的感兴趣的消息；
所述消息队列采用发布-订阅模式，将匹配规则与话题对应，控制器将满足匹配规则的packet-in消息发布到相应话题的消息队列上；
应用先向消息队列订阅感兴趣的话题，然后消息队列将与该感兴趣的话题对应的packet-i消息推送给应用；
匹配规则与话题对应的形式为：
话题与消息绑定形式，所有的packet-in消息复用一条或多条消息队列，每一条packet-in消息均需增加话题前缀报文或者增加话题报头字段后，再发布到消息队列；或
话题与队列绑定形式，形式上使用数量和话题的数量相当的消息队列，每条消息队列对应一个话题，根据话题，将匹配后的packet-in消息发布的对应的话题。
5.根据权利要求4所述的SDN环境中packet-in消息的处理系统，其特征在于，所述匹配规则包括：若干协议无关的匹配域。
6.根据权利要求5所述的SDN环境中packet-in消息的处理系统，其特征在于，所述匹配模块包括：
配置单元，用于控制器根据配置，设置预设值；和
匹配单元，用于控制器加载匹配规则，packet-in消息依据匹配规则对其中的消息数据包部分的偏移量+长度获取所需要匹配的内容，再根据掩码将匹配域中的待匹配内容与预设值相匹配，得到匹配结果，并根据该匹配结果，建立消息队列。
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| 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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