CN116996439B - 一种基于sdn的高效路由寻址方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于SDN的报文转发方法及系统，其中，所述包括SDN控制器和通信网络，通信网络包括数据始发路由器、骨干路由器和路由始发路由器，SDN控制器分别与数据始发路由器、骨干路由器和路由始发路由器通信连接，数据始发路由器与路由始发路由器至少通过一个骨干路由器通信连接。本发明采用SDN转发控制分立的架构解决当前路由器路由表生成方式，采用顶层规划的方式，通过可控的标签专发表，提升路由寻址以及报文转发效率。

Description

一种基于SDN的高效路由寻址方法及系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体地说是一种基于SDN的高效路由寻址方法及系统。

背景技术

现有常用的路由寻址方法为基于IP地址路由寻址和基于MPLS的标签转发式路由寻址，各有优缺点。

基于IP地址路由寻址方式采用‘最长掩码匹配原则’，通过遍历路由表方式进行匹配，目标路由匹配时，以最长掩码为最优，选择对应出接口进行数据包转发，但是路由遍历影响转发效率，特别是IPv6 128位空间，遍历消耗资源更多，转发效率更低。

基于MPLS的标签转发方案，增加了路由寻址效率，但是当前的MPLS方案严重依靠IP路由表，本身不具备路由转发表自动生成能力,Label而且MPLS标签协议要求每个设备都需要支持标签生成协议，消耗设备资源，并且生成的标签不具备可读性,而且只具有本地意义的短标签标识符，故障定位存在难度。

而且现有的传统路由器，要求每个设备都要支持动态路由协议，配置过程复杂，要求必须对每个路由器进行配置。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于SDN的报文转发方法及系统，采用SDN转发控制分立的架构解决当前路由器路由表生成方式，采用顶层规划的方式，通过可控的标签专发表，提升路由寻址以及报文转发效率。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种基于SDN的报文转发方法，数据包通过分别与SDN控制器通信连接的数据始发路由器、骨干路由器和路由始发路由器进行转发，包括如下步骤：

S10）数据始发路由器入接口接收到数据包后，先查看数据包是否带有Label标签，若带有Label标签，则跳转至步骤S20）执行，反之，则跳转至步骤S50）执行；其中，Label标签为路由始发路由器向通信网络中的路由器发布的且带有路由始发路由器路由标识符的标签；

S20）数据始发路由器解析数据包报头获得Label标签并判断Label标签是否为Local标签，若Label标签不为Local标签，则跳转步骤S30）执行，反之，则按照标准IP路由方式处理；

S30）数据始发路由器将Label标签、路由表和标签转发表项进行映射识别，然后将数据包转发至相应的数据始发路由器出接口，并在对数据包进行相应的封装后将数据包进行转发，数据包转发至骨干路由器，则跳转至步骤S40）继续执行，数据包转发至路由始发路由器，则由始发路由器将数据包转发给数据包接收端；其中，骨干路由器为数据包转发过程中与数据包发出端和数据包接收端均不直接通信连接的路由器；

S40）骨干路由器入接口接收到数据包后，解析获得数据包所带有的Label标签，将Label标签和标签转发表进行映射识别，然后将数据包转发至相应的骨干路由器出接口，并在对数据包进行相应的封装后将数据包进行转发；

S50）数据始发路由器对数据包目标IP地址与数据始发路由器的路由表中的路由表项进行匹配，如果数据始发路由器的路由表中的路由表项中有与数据包目标IP地址相匹配的路由器，则跳转至步骤S60）继续执行，反之，则丢弃该数据包；

S60）判断下一跳出接口是否为直连链路接口，如果出接口不是直连链路接口，则需要以该下一跳出接口IP地址为数据包目标IP地址重复步骤S50），直至下一跳出接口为直连链路接口，然后跳转步骤S70）继续执行；

S70）判断与下一跳出接口IP地址相匹配的数据始发路由器路由表项是否和数据始发路由器标签转发表的标签转发表项存在Label标签映射，若存在，则将数据包转发至对应的出接口并在对数据包进行相应的标签封装后将数据包转发出去，反之，则跳转至步骤S80）执行；

S80）对数据包进行标准IP数据包处理，将数据包转发至相应的出接口，并在对数据包进行相应的标签封装后将数据包转发出去。

上述基于SDN的报文转发方法，数据始发路由器、骨干路由器和路由始发路由器组成通信网络，通信网络组网完成时，SDN控制器为数据始发路由器、骨干路由器和路由始发路由器分配唯一的路由标识符。

上述基于SDN的报文转发方法，通信网络组网完成时，SDN控制器将路由信息和标签转发表分配给对应的路由器。

上述基于SDN的报文转发方法，SDN控制器根据网络拓扑连接信息和始发路由信息生成路由表和标签转发表项并将路由表和标签转发表项下发至数据始发路由器、骨干路由器与路由始发路由器。

上述基于SDN的报文转发方法，路由始发路由器的始发路由由路由器标识符统一标识。

上述基于SDN的报文转发方法，数据始发路由器在将Label标签、路由表和标签转发表项进行映射识别时，只匹配唯一且定长的路由标识符。

利用上述基于SDN的报文转发方法进行报文转发的系统，包括SDN控制器和通信网络，通信网络包括数据始发路由器、骨干路由器和路由始发路由器，SDN控制器分别与数据始发路由器、骨干路由器和路由始发路由器通信连接，数据始发路由器与路由始发路由器至少通过一个骨干路由器通信连接；数据始发路由器、骨干路由器和路由始发路由器中内置有路由表、路由标识符、标签转发表和标签转发表项。

上述系统，通信网络组网完成时，SDN控制器为数据始发路由器、骨干路由器和路由始发路由器分配路由信息和标签转发表，且SDN控制器根据网络拓扑连接信息以及始发路由信息生成对应的路由表和标签转发表项并将生成的路由表和标签转发表项下发到对应的路由器。

上述系统，数据始发路由器、骨干路由器和路由始发路由器分别通过北向接口与SDN控制器通信连接。

上述系统，通信网络组网完成时，SDN控制器为数据始发路由器、骨干路由器和路由始发路由器分配相应的唯一的路由标识符。

本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：

1.采用SDN转发、控制分离架构可以降低成本：通过采用集中化和自动化的网络管理方式，SDN可以在总体上节省成本。路由器可以采用通用服务器承载数据业务可以减少不必要的支出。

2.简化管理：SDN允许对整个网络进行集中管理，针对扩容、修改、创建路由，都可以集中管理，避免逐个路由器手动配置。

3.利用本发明的路由寻址方法进行数据包转发时，规避IP最长掩码匹配原则寻址消耗资源过多问题，标签定长寻址转发效率高。

4.本发明的Label标签具有全局性、可读性、当通信网络存在故障时较为容易确定故障点。

附图说明

图1为本发明中基于SDN的报文转发系统的工作原理图；

图2为本发明中基于SDN的报文转发流程图。

具体实施方式

下面结合示例，针对本发明进行进一步说明。

如图1所示，本发明中，基于SDN的报文转发系统，包括SDN控制器和通信网络，通信网络包括数据始发路由器、骨干路由器和路由始发路由器，SDN控制器分别与数据始发路由器、骨干路由器和路由始发路由器通信连接，数据始发路由器与路由始发路由器至少通过一个骨干路由器通信连接；数据始发路由器、骨干路由器和路由始发路由器中内置有路由表、路由标识符、标签转发表和标签转发表项。其中，数据始发路由器、骨干路由器和路由始发路由器分别通过北向接口与SDN控制器通信连接；路由始发路由器为数据包转发过程中通信网络中与客户端直接通信连接的路由器，数据始发路由器为数据包转发过程中通信网络中与服务端直接通信连接的路由器，骨干路由器为数据包转发过程中通信网络中不与客户端和服务端直接通信连接的路由器。

通信网络组网完成时，SDN控制器为数据始发路由器、骨干路由器和路由始发路由器分配路由信息和标签转发表，且SDN控制器根据网络拓扑连接信息以及始发路由信息生成对应的路由表和标签转发表项并将生成的路由表和标签转发表项下发到对应的路由器，并且SDN控制器为数据始发路由器、骨干路由器和路由始发路由器分配相应的唯一的路由标识符。利用SDN控制器生成路由表和标签转发表项并将二者下发至对应的路由器，可以降低路由器的资源消耗。

在专用网络中，客户端通过专用网络访问服务端获取信息资源时，服务端通过专用网络向客户端发送数据包。当数据包需要经过多个路由器转发才可以被客户端接收到时，路由器转发数据包时需要进行寻址以确定与客户端相连接的路由器的地址。现有常用的路由寻址方法为基于IP地址路由寻址和基于MPLS的标签转发式路由寻址，鉴于这两种寻址方法存在一定的不足之处，本发明采用另一种寻址方法实现数据包的转发。

如图2所示，使用本发明中基于SDN的报文转发系统进行报文转发时，数据包经由基于SDN的报文转发系统中的通信网络转发至客户端，在这一过程中，基于SDN的报文转发系统所进行的操作如下：

S00）服务端向数据始发路由器发送数据包；

S10）数据始发路由器入接口接收到数据包后，先查看数据包是否带有Label标签，若带有Label标签，则跳转至步骤S20）执行，反之，则跳转至步骤S50）执行；其中，Label标签为路由始发路由器向通信网络中的路由器发布的且带有路由始发路由器路由标识符的标签；

S20）数据始发路由器解析数据包报头获得Label标签并判断Label标签是否为Local标签，若Label标签不为Local标签，则跳转步骤S30）执行，反之，则按照标准IP路由方式处理；

S30）数据始发路由器将Label标签、路由表和标签转发表项进行映射识别，然后将数据包转发至相应的数据始发路由器出接口，并在对数据包进行相应的封装后将数据包进行转发，数据包转发至骨干路由器，则跳转至步骤S40）继续执行，数据包转发至路由始发路由器，则由始发路由器将数据包转发给数据包接收端；其中，骨干路由器为数据包转发过程中与数据包发出端和数据包接收端均不直接通信连接的路由器；

S40）骨干路由器入接口接收到数据包后，解析获得数据包所带有的Label标签，将Label标签和标签转发表进行映射识别，然后将数据包转发至相应的骨干路由器出接口，并在对数据包进行相应的封装后将数据包进行转发；

S50）数据始发路由器对数据包目标IP地址与数据始发路由器的路由表中的路由表项进行匹配，如果数据始发路由器的路由表中的路由表项中有与数据包目标IP地址相匹配的路由器，则跳转至步骤S60）继续执行，反之，则丢弃该数据包；

S60）判断下一跳出接口是否为直连链路接口，如果出接口不是直连链路接口，则需要以该下一跳出接口IP地址为数据包目标IP地址重复步骤S50），直至下一跳出接口为直连链路接口，然后跳转步骤S70）继续执行；

S70）判断与下一跳出接口IP地址相匹配的数据始发路由器路由表项是否和数据始发路由器标签转发表的标签转发表项存在Label标签映射，若存在，则将数据包转发至对应的出接口并在对数据包进行相应的标签封装后将数据包转发出去，反之，则跳转至步骤S80）执行；

S80）对数据包进行标准IP数据包处理，将数据包转发至相应的出接口，并在对数据包进行相应的标签封装后将数据包转发出去。

Label标签包括路由器标识符、业务标识符和子业务标识符；路由器转发数据包时，路由器通过Label标签中路由标识符确定接收数据包的路由器。Label标签设置数据包报头的2.5层，在解析数据包报头时，获得标签之后，直接可以将标签与标签转发表进行映射识别，并根据映射结果对数据包进行转发，无需对网络层进行解析。

本实施例中，Label标签包括标签值字段、EXP、S和TTL。

其中，标签值字段，长度为20bit，用于转发的指针，包括路由标识符、业务标识符和子业务标识符。

路由器标识符，占用8 bits固定长度标识空间，主要用来唯一标识标签交互网络中的路由器，也是数据转发时查询转发标签表的主要依据。当一个路由器作为路由始发路由器时，都会产生一个带有该路由器的路由器标识符的Label标签，通过短而定长且具有可规划性的标签指导数据包从其他路由器发向本路由器。该路由器标识符随路由始发路由器Label标签向其他路由器扩散，即只有路由始发路由器才会生成Label标签。路由器标识符空间可以根据网络规模进行调整，8 bits的路由器数量空间为<28=256,如果网络规模比较大，可以扩展至9bits～10bits，以扩大标签网络规模。为增加标签可读性，通过冒号将路由器标识符、业务标识符和子业务标识符分隔开。

业务标识符，占用4 bits固定长度标识空间，用于标识始发路由的业务归属信息。随路由始发路由器的Label标签向其他路由器扩散，不用于指导数据按Label标签路由转发，只用于标识业务信息。

子业务标识符，占用8 bits固定长度标识空间，用于标识路由始发路由器的子业务归属信息。随路由始发路由器的Label标签向其他路由器扩散，不用于指导数据按Label标签路由转发，只用于标识子业务信息。

本发明中，在数据始发路由器中确定数据包转发的目的路由器（即路由始发路由器），在将数据包转发出去的时候为数据包打上路由始发路由器所发布的Label标签，骨干路由器接收到数据包后进行数据包转发时，骨干路由器仅需将Label标签与标签转发表进行映射识别之后就可以对数据包进行相应的打标封装并转发，无需将Label标签与路由表进行映射识别，节省了骨干路由器进行数据包转发时的寻址时间。

而当服务端通过与服务端直接通信连接的路由器向通信网络中的其他路由器发布带有与服务端直接通信连接的路由器的路由器标识符的Label标签时，SDN控制器会生成相应的路由表和标签转发表并下发给对应的路由器，这样客户端访问服务端时，与服务端不直接通信连接的路由器可以根据该Label标签利用本发明中基于SND的报文转发方法将访问请求转发至服务端，同样也可以减少带有访问请求的报文的转发时间。

在步骤S20）中判断Label标签是否为Local标签，其原因在于数据包的转发可能发生在连接于同一个路由器的客户端和服务端之间，而此种情况下不需要再根据路由表、标签转发表以及标签转发表项以及目标路由器的路由器标识符进行映射识别，因此，如果Label标签是Local标签，则按照标准IP路由方式处理，这样可以节省时间和资源。

始发路由器和骨干路由器在根据路由表、标签转发表项和标签转发表以及目的路由器的路由器标识符进行映射识别时，骨干路由器和与服务端直接通信连接的边缘路由器只对唯一的且定长的路由标识符进行映射识别。

而在通信网络组网完成后，SDN控制器生成路由表和标签转发表并将路由表和标签转发表下发至对应的路由器，这样还便于通过SDN控制器对发生故障的路由器进行定位。

在广域网、企业网等大型专网中运用本发明时，使用本发明进行数据包转发时，路由器（包括组网用的边缘路由器和骨干路由器）在寻址过程中只需要将路由表、标签转发表项和标签转发表以及目的路由器的路由器标识符进行映射识别，无需遍历网络中所有路由器的IP地址，不仅可以节省资源，而且可以提高转发效率。

在本发明中，由SDN控制器和通信网络组成的报文转发系统中，由SDN控制器根据网络拓扑连接信息以及始发路由信息生成对应的路由表和标签转发项并将生成的路由表和标签转发表项下发到对应的路由器，可以减轻路由器的设备资源消耗。在利用本发明基于SDN的报文转发系统进行报文转发时，基于SDN的报文转发系统中的路由器在转发报文时需要进行寻址，以确保报文能够转发至目的路由器。

本发明基于SDN的报文转发系统中的路由器进行寻址时，先由SDN控制器根据网络拓扑连接信息以及始发路由信息生成对应的路由表和标签转发项并将生成的路由表和标签转发表项下发到对应的路由器，路由器再将标签转发表项放入该路由器内的标签转发表中，然后再根据Label标签和标签转发表进行报文转发，具体情况分为如下两种：

（1）路由器为一侧通过交换机与客户端或服务端直接通信连接且另一侧与其他路由器通信连接的路由器，此种路由器为边缘路由器。该路由器在转发数据包时，通过如下步骤进行寻址：

（a）边缘路由器入接口接收到数据包之后，先查看数据包是否带有Label标签，若带有Label标签，则跳转至步骤（b）执行，反之，跳转至步骤（c）执行；由于Label标签设置2.5层，即位于网络层与传输层之间，查看护具包是否带有Label标签时，仅需解包到网络层即可知道；

（b）边缘路由器根据Label标签和标签转发表确认数据包转发的目的路由器以及该边缘路由器对该数据包进行转发的出接口，然后将数据包进行打包转发；

（c）获取数据包转发的目的IP地址，然后将所获得的数据包转发的目的IP地址与该边缘路由器的路由表进行匹配，若没有匹配的路由，则寻址结束，反之，则跳转至步骤（d）继续执行；

（d）判断下一跳出接口是否为直连链路接口（即是否为物理接口），如果出接口不是直连链路接口，则需要以该下一跳IP地址为目标地址，重新进行IP路由匹配，即重新进入步骤（c）进行管理，直至匹配出接口到直连链路上，然后再跳转至步骤（e）继续执行；

（e）判断匹配的路由表项是否存在Label标签映射，如果存在Label标签映射，则将数据包转发至对应出接口，并进行相应的数据包标签封装，将数据转发出去。如果不存在Label标签映射，则对数据包进行标准IP数据包处理， 将数据包转发到相应出接口，并进行相应的数据包封装，转发数据。

（2）路由器两侧连接的均为路由器的路由器，称之为骨干路由器。骨干路由器的寻址与边缘路由器的寻址相比较为简单，其原因在于，边缘路由器将数据包转发至骨干路由器前将数据包打上了Label标签，通过Label标签和标签转发表进行映射识别，得到标签映射表，如表1所示，标签映射表中记载了数据包转发的目标网段、标签以及该骨干路由器进行数据包转发的出接口，至此完成寻址，接着由该骨干路由器的相关出接口将数据包转发出去。

表1标签映射表

本发明中，利用SDN控制器生成标签转发表项，可以极大地节省路由器的设备资源。而且路由器的转发引擎在匹配Label表项时，只匹配唯一的、定长的路由标识符。用一台路由器的路由标识符对该路由器上所有的始发路由进行统一标识，引导数据包转发到该路由器，从而可以减少该路由器以及其他路由器的标签转发表容量，提升寻址效率，以增加转发效率。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种基于SDN的报文转发方法，其特征在于，数据包通过分别与SDN控制器通信连接的数据始发路由器、骨干路由器和路由始发路由器进行转发，在数据始发路由器中确定数据包转发的路由始发路由器，并在将数据包转发出去的时候为数据包打上路由始发路由器所发布的Label标签，包括如下步骤：

S10）数据始发路由器入接口接收到数据包后，先查看数据包是否带有Label标签，若带有Label标签，则跳转至步骤S20）执行，反之，则跳转至步骤S50）执行；其中，Label标签为路由始发路由器向通信网络中的路由器发布的且带有路由始发路由器路由标识符的标签，数据始发路由器、骨干路由器和路由始发路由器组成通信网络，通信网络组网完成时，SDN控制器为数据始发路由器、骨干路由器和路由始发路由器分配唯一的路由标识符；用一台路由器的路由标识符对该路由器上所有的始发路由进行统一标识，引导数据包转发到该路由器；当服务端通过与服务端直接通信连接的路由器向通信网络中的其他路由器发布带有与服务端直接通信连接的路由器的路由器标识符的Label标签时，SDN控制器会生成相应的路由表和标签转发表并下发给对应的路由器；

S20）数据始发路由器解析数据包报头获得Label标签并判断Label标签是否为Local标签，若Label标签不为Local标签，则跳转步骤S30）执行，反之，则按照标准IP路由方式处理；

S30）数据始发路由器将Label标签、路由表和标签转发表项进行映射识别，然后将数据包转发至相应的数据始发路由器出接口，并在对数据包进行相应的封装后将数据包进行转发，数据包转发至骨干路由器，则跳转至步骤S40）继续执行，数据包转发至路由始发路由器，则由始发路由器将数据包转发给数据包接收端；其中，骨干路由器为数据包转发过程中与数据包发出端和数据包接收端均不直接通信连接的路由器；

S40）骨干路由器入接口接收到数据包后，解析获得数据包所带有的Label标签，将Label标签和标签转发表进行映射识别，然后将数据包转发至相应的骨干路由器出接口，并在对数据包进行相应的封装后将数据包进行转发；

S50）数据始发路由器对数据包目标IP地址与数据始发路由器的路由表中的路由表项进行匹配，如果数据始发路由器的路由表中的路由表项中有与数据包目标IP地址相匹配的路由器，则跳转至步骤S60）继续执行，反之，则丢弃该数据包；

S60）判断下一跳出接口是否为直连链路接口，如果出接口不是直连链路接口，则需要以该下一跳出接口IP地址为数据包目标IP地址重复步骤S50），直至下一跳出接口为直连链路接口，然后跳转步骤S70）继续执行；

S70）判断与下一跳出接口IP地址相匹配的数据始发路由器路由表项是否和数据始发路由器标签转发表的标签转发表项存在Label标签映射，若存在，则将数据包转发至对应的出接口并在对数据包进行相应的标签封装后将数据包转发出去，反之，则跳转至步骤S80）执行；

S80）对数据包进行标准IP数据包处理，将数据包转发至相应的出接口，并在对数据包进行相应的标签封装后将数据包转发出去。

2.根据权利要求1所述的基于SDN的报文转发方法，其特征在于，通信网络组网完成时，SDN控制器将路由信息和标签转发表分配给对应的路由器。

3.根据权利要求1所述的基于SDN的报文转发方法，其特征在于，SDN控制器根据网络拓扑连接信息和始发路由信息生成路由表和标签转发表项并将路由表和标签转发表项下发至数据始发路由器、骨干路由器与路由始发路由器。

4.根据权利要求1所述的基于SDN的报文转发方法，其特征在于，路由始发路由器的始发路由由路由器标识符统一标识。

5.根据权利要求1所述的基于SDN的报文转发方法，其特征在于，数据始发路由器在将Label标签、路由表和标签转发表项进行映射识别时，只匹配唯一且定长的路由标识符。

6.利用权利要求1所述的基于SDN的报文转发方法进行报文转发的系统，其特征在于，包括SDN控制器和通信网络，通信网络包括数据始发路由器、骨干路由器和路由始发路由器，SDN控制器分别与数据始发路由器、骨干路由器和路由始发路由器通信连接，数据始发路由器与路由始发路由器至少通过一个骨干路由器通信连接；数据始发路由器、骨干路由器和路由始发路由器中内置有路由表、路由标识符、标签转发表和标签转发表项。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，通信网络组网完成时，SDN控制器为数据始发路由器、骨干路由器和路由始发路由器分配路由信息和标签转发表，且SDN控制器根据网络拓扑连接信息以及始发路由信息生成对应的路由表和标签转发表项并将生成的路由表和标签转发表项下发到对应的路由器。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，数据始发路由器、骨干路由器和路由始发路由器分别通过北向接口与SDN控制器通信连接。

9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，通信网络组网完成时，SDN控制器为数据始发路由器、骨干路由器和路由始发路由器分配相应的唯一的路由标识符。