CN117459454A - 一种数据转发方法、系统、交换装置、介质及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种数据转发方法、系统、交换装置、介质及设备，其中，所述系统中，协议模块与守护进程模块通信连接，守护进程模块与内核路由表通过Netlink通信连接，内核路由表与LCP Plugin模块通信连接，LCP Plugin模块分别与虚拟模块、FIB表和VPP接口通信连接，VPP接口分别与Linux内核接口和SRv6模块通信连接，此外，VPP单元中的Tap模块和Linux内核中的Tap模块通过Tap接口通信连接。本发明可以满足现代高性能网络对于数据包处理能力、路由计算能力和灵活性的要求。
Description
技术领域
本发明涉及网络通信技术领域，具体地说是一种数据转发方法、系统、交换装置、介质及设备。
背景技术
虚拟路由器（Virtual Router，VR）和SRv6（Segment Routing over IPv6）作为热门的研究和应用领域，引起了广泛的关注和探讨。Batalle J等人于2013年提出了一种基于OpenFlow的路由虚拟化架构，该架构可以将物理网络设备虚拟化为虚拟路由器，从而实现了网络的可编程、灵活和高效的虚拟化，但其缺点在于需要解决虚拟化和安全性等方面的问题。张宇巍等人提出了一种基于VPP的虚拟路由器架构。该架构将Quagga技术与虚拟化技术相结合，实现了基于软件的虚拟路由器功能，并在实验中展示了其高效和灵活的路由能力，以此提升数据平面性能。在FRR技术方面，来自美国Facebook公司的研究者们提出了一种基于FRRouting的虚拟路由器技术，该技术可以将多个物理路由器虚拟化为一个虚拟路由器，从而提高了网络的可靠性和灵活性。Cerovic等主要研究了路由器的多种软件处理框架，采用集成 DPDK 的 L2包转发组件的矢量包处理程序 ( VPP，vectorpacketprocessing) 作为基础，设计了高性能 UPF 网元原型系统实例，但此研究并没有考虑在软件架构的虚拟路由器原型设计。Ahmed Abdelsalam等人主要研究了SRv6虚拟化网络的性能测试和可扩展性，提出了一种SRperf性能测试方案，并在实际网络环境中进行了实验验证。结果表明，该架构可以测试SRv6虚拟化网络的性能和可扩展性，适用于大规模网络。但需要较高的技术和资源投入。Hyoudou K等研究了DPDK-based vRouter技术在SRv6虚拟化网络中的应用和性能优化，提出了一种基于DPDK的vRouter SRv6虚拟路由器架构，通过云计算技术实现了网络服务的自动化和高效化，从而提高了网络服务的质量和效率。但同样面临虚拟化和云安全等方面的挑战。GuptaN等提出了基于硬件数据包处理技术的无线传感器虚拟化网络性能优化，提出了一种基于FPGA的硬件架构，该架构可以有效降低网络延迟和丢包率,具有较高的实用性。并没有解决虚拟化和路由协议等方面的问题。Abdelsalam A等研究了基于P4可编程数据平面技术的SRv6uSID性能优化，提出了一种基于P4的SRv6 uSID加速方法，该架构可以显著提高SRv6虚拟化网络的性能和可扩展性，适用于高速网络环境。但由于uSID并不成熟，并不能实际应用。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种数据转发方法、系统、交换装置、介质及设备，可以满足现代高性能网络对于数据包处理能力、路由计算能力和灵活性的要求。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种数据转发系统，包括：
内置有协议模块和守护进程模块的FR路由单元；协议模块中内置有用于Linux和Unix平台的IP路由协议套件；
内置有内核路由表、TCP/UDP协议和虚拟模块的Linux内核；
内置有LCP Plugin模块、VPP接口、FIB表和SRv6模块的VPP单元；SRv6模块内置有Localsids子模块、Policy子模块和Steer子模块；
协议模块与守护进程模块通信连接，守护进程模块与内核路由表通过Netlink通信连接，内核路由表与LCP Plugin模块通信连接，LCP Plugin模块分别与虚拟模块、FIB表和VPP接口通信连接，VPP接口分别与Linux内核接口和SRv6模块通信连接。
上述数据转发系统，LCP Plugin模块分别与内核路由表和FIB表进行路由同步。
上述数据转发系统，LCP Plugin模块分别与虚拟模块和VPP接口进行接口同步。
上述数据转发系统，VPP单元和Linux内核分别内置有一个Tap模块，VPP单元中的Tap模块和Linux内核中的Tap模块通过Tap接口通信连接。
一种数据转发方法，利用上述数据转发系统进行数据转发，具体操作包括：
P1）路由条目同步：Linux内核与FR单元动态联动并进行路由计算，然后将更新的路由条目同步至FIB表中；
P2）数据报文转发：Linux内核将接收到的数据报文不经内核路由表直接转发至VPP单元并由SRv6模块根据FIB表进行数据报文转发，SRv6模块数据报文的目的IP地址与FIB表进行对比，如果FIB表中存在所述目的IP地址，则将所述数据报文传递给下一节点并由下一节点进行转发，反之，则将所述数据报文丢弃。
上述数据转发方法，在进行数据报文转发前，在VPP单元中创建环回loop0以及与Tap接口形成映射关系的Inloop0，并在FR路由单元中对Inloop0接口网段进行声明，再通过SRv6模块配置与Inloop0对应网段相对应的locator信息。
一种交换装置，所述交换装置内置有上述数据转发系统。
上述交换装置，FR路由单元、Linux单元和VPP单元集成一体。
计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法。
计算机设备，包括可读存储介质、处理器以及存储在可读存储介质上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法。
本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：
1.将本发明应用在虚拟路由器中时，虚拟路由器可以在具备完善的SRv6节点行为以及路由功能的同时仍保持高速的数据转发性能，可以用于生产环境，推动NFV技术的发展。
2.本发明可以满足现代高性能网络对于数据包处理能力、路由计算能力和灵活性的要求。
3.本发明将数据平面和控制平面分离，可以实现更加灵活的网络架构和更高效的数据包处理能力。
4.本发明将 SRv6节点的SRv6转发处理移植到用户空间中，能够有效的避免交互过程所导致的性能瓶颈，有效提高SRv6转发处理的性能。
5.利用本发明构建一种SRv6软件路由器，可以解决在软件路由器中实现SRv6转发功能需要消耗大量的计算和存储资源，通过优化虚拟化技术，提高SRv6数据转发性能，降低虚拟化开销，以提高软件路由器的性能。
6.实现了Linux内核态与用户态数据交互方法，并通过监听控制平面信息, 实现数据平面路由表的同步。消除软件路由器在报文转发速率上的瓶颈, 可实现使用标准x86平台服务器替代专用网络设备, 使得网络资源更加具有弹性, 易于管理。
7.本发明拓展支持了更多的SRv6路径，随着网络规模的扩大和应用需求的增加，需要支持更多的SRv6路径。将VPP对于SRv6的实现全部扩展至软件路由器，增强SRv6转发能力，支持更多的SRv6路径，以满足不断增长的应用需求。
附图说明
图1为本发明中数据转发系统的工作原理图；
图2为具有本发明中数据转发系统的虚拟路由器数据转发的流程示意图；
图3为Tap接口工作原理图；
图4为SRv6模块处理数据报文流程示意图；
图5为本发明中数据转发系统进行数据报文转发的流程示意图；
图6为本发明中数据转发系统进行数据报文转发的另一种流程示意图；
图7为本发明中能够进行数据转发的计算机设备工作原理图。
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，本发明中数据转发系统，包括FR路由单元、Linux内核和VPP单元，所述FR路由单元内置有协议模块和守护进程模块，协议模块中内置有用于Linux和Unix平台的IP路由协议套件，所述Linux内核内置有内核路由表、TCP/UDP协议、虚拟模块和Tap模块，VPP单元内置有LCP Plugin模块、VPP接口、FIB表、SRv6模块和Tap模块，SRv6模块内置有Localsids子模块、Policy子模块和Steer子模块；协议模块与守护进程模块通信连接，守护进程模块与内核路由表通过Netlink通信连接，内核路由表与LCP Plugin模块通信连接，LCP Plugin模块分别与虚拟模块、FIB表和VPP接口通信连接，VPP接口分别与Linux内核接口和SRv6模块通信连接，此外，VPP单元中的Tap模块和Linux内核中的Tap模块通过Tap接口通信连接。
本发明中，LCP Plugin模块分别与内核路由表和FIB表进行路由同步，LCP Plugin模块分别与虚拟模块和VPP接口进行接口同步，LCP Plugin模块与虚拟模块通过Tap接口通信连接。
本实施例中，将以具有本发明中数据转发系统的虚拟路由器为例进行说明。
在具有本发明中数据转发系统的虚拟路由器中，仍将FR路由单元和Linux内核作为控制平面，弃用现有虚拟路由器中由Linux内核提供的SRv6数据处理模块，直接采用VPP单元的SRv6模块作为数据平面，从而将数据平面的工作移植到用户空间。并通过调用Netlink监听FR路由单元向内核路由表所提供的动态路由信息，同时将SRv6模块的locator信息通过FR路由单元进行公告，而且VPP单元中的LCP Plugin模块既可作为接口进行信息同步，同时还可以提供单向的Linux内核到VPP单元的路由同步，这样不仅提高了数据平面的转发性能，又实现了更多的SRv6节点行为，例如end、endx、endt、enddt4和dt6等。其中，通过如下操作将SRv6模块的locator信息通过FR路由单元进行公告：在VPP单元中创建环回loop0以及与Tap接口形成映射关系的Inloop0，并在FR路由单元中对Inloop0接口网段进行声明，再通过SRv6模块配置与Inloop0对应网段相对应的locator信息。将SRv6模块的locator信息通过FR路由单元进行公告后，则具有本发明中数据转发系统的虚拟路由器可以正常使用SRv6功能。
本发明中，VPP单元作为数据平台，主要负责高效地非路由数据包处理和转发，Linux内核作为控制平台，主要负责路由数据包的转发和路由计算，FR路由单元作为动态路由协议栈，负责动态路由协议的计算和转发表的维护。通过数据平面和控制平面分离，可以实现更加灵活的网络架构和更高效的数据包处理能力。
如图2所示，AS100和AS50为两个不同的自治域，自治域AS100中包含RR反射路由器和PE路由器，其中，PE路由器为具有本发明中数据转发系统的路由器（可为虚拟路由器），采用VPP单元作为数据平面，利用DPDK提供高效的数据包处理和I/O操作接口，实现高性能的非路由数据包处理和转发，同时支持多种的数据包处理功能，提高系统的灵活性和可扩展性，而Linux内核作为转发平面，用以负责路由数据包的转发和路由计算，Linux内核可以利用Linux内核协议栈提供的路由和转发功能，实现数据包的转发和路由计算。在将具有本发明数据转发系统的虚拟路由器设置在服务器或者计算机设备中时，可将Linux内核集成在服务器或计算机设备的操作系统中，可以实现更加灵活的网络配置与管理。FR路由单元作为动态路由协议栈，可以实现多种动态路由协议的计算和转发表的维护。而将FR路由单元与VPP单元和Linux内核进行集成，可以实现更加灵活和高效的路由计算和转发表的管理。
在本发明的数据转发系统中，如图3所示，将VPP单元和Linux内核通过Tap接口互通，在Linux内核中，通过调用ioctl系统调用创建一个Tap接口，同时指定Tap接口的名称和一些参数（例如MAC地址和IP地址等）。然后VPP单元中的应用程序绑定Tap接口，在VPP单元中，应用程序可以通过Socket系统调用打开一个网络套接字，并通过ioctl系统调用该套接字绑定到所述Tap接口上。如此一来，在应用程序中发送的路由数据包就会通过所述Tap接口发送到Linux内核，而接收到的路由数据包也会通过所述Tap接口传递到应用程序中。当VPP单元应用程序通过所述Tap接口发送路由数据包时，路由数据包将会被送到Linux内核中，Linux内核可以利用内核协议栈进行数据包处理和和转发，例如进行路由计算和NAT等操作，并将处理后的数据包发送出去，同时，当Linux内核接收到路由数据包时，路由数据包将被传递到Linux内核的Tap模块中，并通过Tap接口传递到VPP单元的应用程序中。通过这种方式可以实现更加灵活的网络架构和更高效的数据包处理能力。同时，由于Tap接口是一种虚拟接口，可以实现更加灵活和可扩展的网络配置和管理。
具体地来讲，本发明的数据转发系统在转发数据报文时，是通过使用IPv6扩展头，在数据包中携带SRv6路径信息，并通过SRv6编码实现数据包的转发和路径选择。即，SRv6模块使用IPv6扩展头中的Segment Routing Header（SRH）来携带路径信息，其中，SRH所携带的路径信息中包含一个Segment List字段和一个Segment Left字段。在SRv6路径中，每个Segment代表一个网络路径上的节点（例如一台路由器或一个网络设备）。当数据包到达一个SRv6节点时，节点会根据SRH中的Segment List选择下一个节点，并将Segment Left减一。当Segment Left为0时，数据包到达目的地。
本发明中利用SRv6模块进行数据包转发的流程如图4所示，具体流程为：接收数据报文，然后对数据报文进行解析并得到数据报文类型，然后对解析后的数据报文进行规则匹配处理，当数据报文符合转发规则时，判断数据报文的转发流向，对不需进行SRv6处理的数据报文，可以数据报文进行直接输出，对于需进行SRv6处理的数据报文，则根据数据报文的类型进行处理，当数据报文为非SRv6报文时，获取数据报文的转发策略，然后对数据报文进行SR封装，接着解析封装后的数据报文的SRH并对SRH与报文目的地址进行更新，然后再输出数据报文，而当数据报文为SRv6报文时，可以直接解析数据报文的SRH，并对SRH与报文目的地址进行更新，然后再输出数据报文。
SRv6技术在数据转发系统的应用，可以提供更加灵活和可控的网络架构和路由策略，可以支持多种路由策略和拓扑结构，并可以提高网络的可扩展性和性能。同时，SRv6技术还可以支持服务链和网络编程等高级功能，进一步提升网络的灵活性和可编程性。
将基于现有技术的虚拟路由器（虚拟路由器1）与基于本发明数据转发系统的虚拟路由器（虚拟路由器2）进行数据转发试验对比时，客户端与服务器之间设有的两种虚拟路由器数量均为3个，分别对IPv4数据包、IPv6数据包、SRv6_DX4数据包以及SRv6_DX6数据包进行转发，具体试验结果参见表1～4。
表1IPv4数据包转发试验结果
表2 IPv6数据包转发试验结果
表3 SRv6_DX4数据包转发试验结果
表4 SRv6_DX6数据包转发试验结果
由表1～4中所记载的数据，可以明显发现基于本发明数据转发系统的虚拟路由器转发速率和转发量更高。
如图5所示，本发明中数据转发系统进行数据转发时，具体操作包括：
P1）路由条目同步：Linux内核与FR单元动态联动并进行路由计算，然后将更新的路由条目同步至FIB表中；
P2）数据报文转发：Linux内核将接收到的数据报文不经内核路由表直接转发至VPP单元并由SRv6模块根据FIB表进行数据报文转发，SRv6模块数据报文的目的IP地址与FIB表进行对比，如果FIB表中存在所述目的IP地址，则将所述数据报文传递给下一节点并由下一节点进行转发，反之，则将所述数据报文丢弃。
又如图6所示，具有本发明数据转发系统的虚拟路由器在进行数据报文转发时，FR路由单元生成动态路由交互报文并转发至内核协议栈，然后由Tap接口和LCP Plugin模块通过接口同步和路由同步的方式经由DPDK将动态路由交换报文同步至VPP单元，而数据报文则经由物理网卡和DPDK直接转发至SRv6模块并由SRv6模块根据FIB表进行数据报文转发。
基于本发明中的数据转发系统，本发明还提供一种交换装置，所述交换装置内置有所述数据转发系统，而且FR路由单元、Linux单元和VPP单元集成一体。所述交换装置可以为物理路由器，也可以为交换机，还可以为软件路由器。
基于上述基于数据转发方法，相应的，本实例中还提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，该计算机程序被处理器执行时实现如下步骤：Linux内核与FR单元动态联动并进行路由计算，然后将更新的路由条目同步至FIB表中；Linux内核将接收到的数据报文不经内核路由表直接转发至VPP单元并由SRv6模块根据FIB表进行数据报文转发，SRv6模块数据报文的目的IP地址与FIB表进行对比，如果FIB表中存在所述目的IP地址，则将所述数据报文传递给下一节点并由下一节点进行转发，反之，则将所述数据报文丢弃。
如图7所示，基于上述数据转发方法以及计算机可读存储介质，本实施例中，还提供了一种计算机设备，其包括可读存储介质、处理器以及存储在可读存储介质上并可在处理器上运行的计算机程序，其中可读存储介质与处理器均设置在总线上，处理器执行计算机程序时实现如下步骤：Linux内核与FR单元动态联动并进行路由计算，然后将更新的路由条目同步至FIB表中；Linux内核将接收到的数据报文不经内核路由表直接转发至VPP单元并由SRv6模块根据FIB表进行数据报文转发，SRv6模块数据报文的目的IP地址与FIB表进行对比，如果FIB表中存在所述目的IP地址，则将所述数据报文传递给下一节点并由下一节点进行转发，反之，则将所述数据报文丢弃。
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 (10)
1.一种数据转发系统，其特征在于，包括：
内置有协议模块和守护进程模块的FR路由单元；协议模块中内置有用于Linux和Unix平台的IP路由协议套件；
内置有内核路由表、TCP/UDP协议和虚拟模块的Linux内核；
内置有LCP Plugin模块、VPP接口、FIB表和SRv6模块的VPP单元；SRv6模块内置有Localsids子模块、Policy子模块和Steer子模块；
协议模块与守护进程模块通信连接，守护进程模块与内核路由表通过Netlink通信连接，内核路由表与LCP Plugin模块通信连接，LCP Plugin模块分别与虚拟模块、FIB表和VPP接口通信连接，VPP接口分别与Linux内核接口和SRv6模块通信连接。
2.根据权利要求1所述的数据转发系统，其特征在于，LCP Plugin模块分别与内核路由表和FIB表进行路由同步。
3.根据权利要求1所述的数据转发系统，其特征在于，LCP Plugin模块分别与虚拟模块和VPP接口进行接口同步。
4.根据权利要求1所述的数据转发系统，其特征在于，VPP单元和Linux内核分别内置有一个Tap模块，VPP单元中的Tap模块和Linux内核中的Tap模块通过Tap接口通信连接。
5.一种数据转发方法，其特征在于，利用权利要求1～4任一所述的数据转发系统进行数据报文转发，具体操作包括：
P1）路由条目同步：Linux内核与FR单元动态联动并进行路由计算，然后将更新的路由条目同步至FIB表中；
P2）数据报文转发：Linux内核将接收到的数据报文不经内核路由表直接转发至VPP单元并由SRv6模块根据FIB表进行数据报文转发，SRv6模块数据报文的目的IP地址与FIB表进行对比，如果FIB表中存在所述目的IP地址，则将所述数据报文传递给下一节点并由下一节点进行转发，反之，则将所述数据报文丢弃。
6.根据权利要求5所述的数据转发方法，其特征在于，在进行数据报文转发前，先在VPP单元中创建环回loop0以及与Tap接口形成映射关系的Inloop0，并在FR路由单元中对Inloop0接口网段进行声明，再通过SRv6模块配置与Inloop0对应网段相对应的locator信息。
7.一种交换装置，其特征在于，所述交换装置内置有权利要求1～4任一所述的数据转发系统。
8.根据权利要求7所述的交换装置，其特征在于，FR路由单元、Linux单元和VPP单元集成一体。
9.计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求5或6所述的方法。
10.计算机设备，包括可读存储介质、处理器以及存储在可读存储介质上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现5或6所述的方法。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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