JP2018023094A - 多様な構成ユニットを支援可能なソフトウェア定義型ネットワークコントローラ - Google Patents

Abstract

【課題】異なるニーズに対応でき、構成を柔軟に変更できるソフトウェア定義型ネットワークコントローラを提供する。
【解決手段】ソフトウェア定義型ネットワークコントローラ２６は、1個以上のオープンソースのＯｐｅｎＦｌｏｗコントローラ１９を含む。コントローラ代理モジュール２１はネットワークコントローラを支援しており、互いに異なる各ネットワークコントローラのノースバウンドＡＰＩを同一のＮＢＩ１２に転換する。内蔵アプリケーションモジュール２２はコントローラ代理モジュール経由で外部の1個以上のＯｐｅｎＦｌｏｗスイッチを制御するとともにネットワークの故障を検知する。さらに内蔵アプリケーションモジュール２２はトポロジー情報とトラフィック情報を収集し、これらの情報をデータベース２３に保存する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ソフトウェア定義型ネットワーク、特に、異なるニーズに対応でき、且つ、構成を柔軟に変更できるよう、多様な構成ユニットを支援可能なソフトウェア定義型ネットワークに関するものである。

ソフトウェア定義型ネットワークとは、一種の新しいネットワークアーキテクチャである。現行のネットワークは、ネットワーク機器上におけるコントロールプレーン（Control Plane）とデータプレーン（Data Plane）が、いずれもネットワーク機器というハードウェアに帰属しており、メーカーの異なる一台一台の通信装置に対してそれぞれ設定を行って、互いに異なるこれらの装置間で、IETF（The Internet Engineering Task Force）の定めたRFC（Request For Comments）標準によりデータが転送される。しかしソフトウェア定義型ネットワークは、ネットワーク機器上のコントロールプレーンとデータプレーンを分離し、コントロールプレーンの単一ソフトで集中制御することにより、ネットワーク機器はデータ転送機能に集中できるという点で従来型のメカニズムとは異なる。ネットワーク機器は標準規格の設備で可能であり、データ転送の環境はすべてコントローラによって集中制御される。

従来の技術である中華民国専利番号第201605198号「インテリジェント型ネットワーク管理装置及びネットワーク管理の方法」では、インテリジェント型ネットワーク管理装置が提供されており、受信したパケットに基づいて分析を進め、所定のイベント発生の有無を判断する分析ユニット、及び、当該分析ユニットにより所定イベントが発生したと判断されたことをうけて、コマンドを作成してソフトウェア定義型ネットワーク（Software Defined Networking, SDN）コントローラに送信し、SDNスイッチの設定を変更する処理ユニットにより構成されている。或いは、中国専利第WO105024939号の場合、意思決定モジュール、コントローラ・リソースプール、Open Flow制御サーバー、及びOpen Flowスイッチによって構成されており、意思決定モジュールはシステム全体におけるコア機能として、Active Controllerの動作を管理しており、コントローラ・リソースプールがすべてのEmpty Controllerを集めておき、Open Flowサーバーがリアルタイムで負荷をモニタリングし、Open Flowスイッチがテータ転送機能を担う。

本発明者は、上記従来型に付き物の欠点を踏まえて独自の改良を加え、長年研究に勤しんだ結果、多様な構成ユニットを支援可能なソフトウェア定義型ネットワークコントローラを開発するに至った。

しかし、従来のソフトウェア定義型ネットワークは、コントロールプレーンとデータプレーンの分離を謳い、コントロールプレーンとデータプレーンを定義し、Open Flowプロトコルを通信プロトコルとするのみであり、その構造は以下の課題に踏み込むまでには至っていない。第一に、SDN（Software Defined Networking）コントローラには数多くのオープンソースのソフトウェアが存在するので、新たに開発する必要はないが、同時によけいな制約を受けないよう、複数のオープンソースのソフトウェアをいかにうまく利用するかという問題である。第二に、大規模なソフトウェア定義型ネットワークには、複数のソフトウェア定義型ネットワークコントローラが必要だが、複数のコントローラ間でいかにして情報交換を進めるかの問題である。第三に、ソフトウェア定義型ネットワークの障害検知メカニズムの問題である。第四に、ソフトウェア定義型ネットワークに同時に存在する実ネットワーク設備と仮想化ネットワーク設備をいかにうまく管理するかという問題である。ソフトウェア定義型ネットワークの運用上、これらの課題の解決が待たれる。

本発明の目的は、実際の運用に当たり、異なるタイプのアーキテクチャまたはネットワーク規模に適用可能となるような、多様な構成ユニットを支援可能なソフトウェア定義型ネットワークコントローラを提供することである。

本発明はオープンソースのコントローラソフトウェアを支援している。また、ネットワークの規模が大きくなると、単一のソフトウェア定義型ネットワークコントローラでは要求を満たせなくなることから、複数のソフトウェア定義型ネットワークコントローラで管理することになるが、この場合、複数のコントローラ間における情報交換、相互調整がとても重要である。

本発明が提起する、多様な構成ユニットを支援可能なソフトウェア定義型ネットワークコントローラは、実ネットワーク設備と仮想化ネットワーク設備により構成されているソフトウェア定義型ネットワークを管理できる。

本発明が提起する、多様な構成ユニットを支援可能なソフトウェア定義型ネットワークコントローラは、以下のような構成となる。本発明は、オープンソースのOpen Flowプロトコルを支援するネットワークコントローラを含む。また、本発明は、さまざまなタイプのネットワークコントローラを支援し、互いに異なる当該ネットワークコントローラのノースバウンドAPI（Application Programming Interface）を、同一のNBI（Northbound Interface）に転換するコントローラ代理モジュールを含んでいる。

本発明は、また、コントローラ代理モジュールを経て外部における1個以上のOpen Flowスイッチをコントロールする内蔵アプリケーションモジュールを含んでいる。本発明は、ソフトウェア定義型ネットワークのトポロジー情報とトラフィック情報を集め、これらの情報をもとにして端末どうしのネットワークを管理するAPIサーバーモジュールを含んでいる。

最後に、本発明は、当該APIサーバーモジュールが集めたネットワークのトポロジー情報とトラフィック情報を保存するデータベースを含んでおり、ネットワークコントローラと内蔵アプリケーションモジュールはいずれも、データベースとリンクして、トポロジー情報とトラフィック情報を得ることができる。

本発明は従来の技術と較べて、以下の点で優れている。（1）従来のアーキテクチャと較べて多種類の異なるオープンソースOpen Flowコントローラをそれぞれ支援することができるとともに、多種類の同一のオープンソースOpen Flowコントローラを同時に管理することができるので、構造設定に柔軟性が増し、多種類のネットワークサービスを同時に提供する必要性がない。（2）SDNコントローラのレイヤー構造を支援し、LANでもWANでも実行可能なので、使用場所によって異なるアプリケーションモジュールを提供できる（LANではネットワーク隔離やネット接続制限、WANでは経路制御や回路帯域管理）。（3）LAN回線におけるSDNコントローラの高可用性構造を支援するとともに、WAN／遠隔地ネットワーク環境においてダブルレイヤーコントローラ（メインコントローラ）による2エリア管理構造を構築できる。（4）同一セグメントにおけるOpen Flow LAN回線下のネットワーク障害を検知でき、セグメントの異なるOpen Flow LAN回線においても、複数のLAN間におけるネットワーク障害を検知できる。

ソフトウェア定義型ネットワークのコンセプト図 本発明において、多様な構成ユニットを支援可能なソフトウェア定義型ネットワークコントローラシステム構造図 本発明において、多種類の異なるオープンソース・コントローラを支援するシステム構造図 本発明において、複数の同一オープンソース・コントローラを支援するシステム構造図 本発明において、ソフトウェア定義型ネットワークコントローラのレイヤー構造を支援するシステム構造図 本発明において、ソフトウェア定義型ネットワークコントローラの高可用性構造を支援するシステム構造図 本発明において、ダブルレイヤーコントローラ、またはメインコントローラによる2エリア管理構造を支援するシステム構造図 本発明において、同一セグメントにおけるネットワーク検知を支援するシステム構造図 本発明において、異なるセグメントにおけるネットワーク検知を支援するシステム構造図

本発明は、多種類のオープンソースのOpen Flowコントローラ、レイヤー構造を支援し、ソフトウェア定義型ネットワークの障害検知機能を具備している。本発明は、ネットワーク機能を司る内蔵アプリケーションモジュールが多様なアプリケーションサービスを提供するとともに、共通のノースバウンドAPIを具備しており、外部のアプリケーションに対して、共通のノースバウンドAPIを通してソフトウェア定義型ネットワーク機器を制御することにより、コントロールプレーンとデータ転送プレーンを分離するネットワーク環境を構築する。

以下、図面を用いて本発明の詳細を説明する。図1はソフトウェア定義型ネットワークの基本的な構造図である。ソフトウェア定義型ネットワークコントローラ13は、標準化されたSBI（southbound interface）14を通して（Open Flowプロトコル18を利用するなどして）、単一のソフトウェア定義型ネットワークコントローラ13で、多種類のソフトウェア定義型ネットワークスイッチを制御できるようにしている。しかし、ソフトウェア定義型ネットワークコントローラ13は、それぞれに異なるNBI 12をもっているので、NBI 12に共通のインターフェースがない。ゆえにこのままでは、それぞれに異なるソフトウェア定義型ネットワークコントローラ13のニーズに従って、アプリケーションモジュール11を改めて開発して相互接続しなければならない。

図2は、多様な構成ユニットを支援可能なソフトウェア定義型ネットワークコントローラのシステム構造図であり、第一Open Flowコントローラ19、コントローラ代理モジュール21、内蔵アプリケーションモジュール22、データベース23、及びAPIサーバー29を含んでいる。そのうち、第一Open Flowコントローラ19は、オープンソースのOpen Flowコントローラであり、本発明においては、複数の、且つ同一または多種類のオープンソースのOpen Flowコントローラ19を同時に設置することもできる。本発明は、コントローラ代理モジュール21を通して、外部のアプリケーションモジュール11に対し、または直接的に内蔵アプリケーションモジュール22に対し、共通のNBI 12を提供する。

そのうち、内蔵アプリケーションモジュール22は、ネットワーク検知機能、ネットワークのトポロジー情報とトラフィック情報などの統計機能を有しており、外部のアプリケーションモジュール11は、共通のNBI 12経由で内蔵アプリケーションモジュール22における情報、つまりネットワークのトポロジー情報、ネットワーク障害検知の結果などを取得できる。本発明におけるデータベース23は、外部のOpen Flowスイッチ17関連情報、ネットワークのトポロジー情報、ホスト機（Host）情報、フローエントリー情報（Flow Entry）、トラフィック量などの情報を保存するためのものであり、これらの情報は、外部のアプリケーションモジュール11または内蔵アプリケーションモジュール22が取得可能である。

本発明におけるAPIサーバー29は、レイヤー構造をとっており、上層のソフトウェア定義型ネットワークコントローラは、コントローラ代理モジュール21と下層のソフトウェア定義型ネットワークコントローラのAPIサーバー29を通して情報交換し、ソフトウェア定義型ネットワークコントローラのレイヤー間に跨るネットワーク全体のトポロジーと関連情報を取得できる。

本発明における多様な構成ユニットを支援可能なソフトウェア定義型ネットワークコントローラを図3に示す。本発明は、本発明のコントローラ代理モジュール21経由で、異なるオープンソースのOpen Flowコントローラ、たとえば、第一Open Flowコントローラ19と第二Open Flowコントローラ20を別々に管理できる。本発明の内蔵アプリケーションモジュール22が第一Open Flowコントローラ19を制御したい場合には、本発明のコントローラ代理モジュール21経由で、制御パラメータを、第一Open Flowコントローラ19に対応する第一API 24及びそのパラメータに転換し、第一Open Flowコントローラ19は、当該パラメータにより外部のOpen Flowスイッチ17に対し任務実行のコマンドを出し、実行後、Open Flowスイッチ17のフィードバック情報が対応フォーマットに転換されて、内蔵アプリケーションモジュール22に提供される。

これと同様に、本発明の内蔵アプリケーションモジュール22が第二Open Flowコントローラ20を制御したい場合には、本発明のコントローラ代理モジュール21経由で、制御パラメータを、第二Open Flowコントローラ20に対応する第二API 25及びそのパラメータに転換し、第二Open Flowコントローラ20は、当該パラメータにより外部のOpen Flowスイッチ17に対し任務実行のコマンドを出す。内臓アプリケーションモジュール22からすると、同一インターフェースを経由してコントローラ代理モジュール21と情報交換できるわけであり、オープンソースのOpen Flowコントローラが異なればインターフェースも異なる点を考慮して、これに対応する必要がない。

また、本発明のコントローラ代理モジュール21を経由すれば、異なる第一API 24と第二API 25を転換して、第一Open Flowコントローラ19と第二Open Flowコントローラ20を制御できるのに加えて、APIに対する連続的なコマンドを実行できる。一般的には、内蔵アプリケーションモジュール22は、最初に第一Open Flowコントローラ19に対して有効な経路情報を求め、この請求を終えてから、第一Open Flowコントローラ19から内蔵アプリケーションモジュール22に対する有効経路情報のフィードバックを待って、さらに内蔵アプリケーションモジュール22が第一Open Flowコントローラ19に対して経路確保の請求コマンドを発する運びとなる。しかし本発明においては、内蔵アプリケーションモジュール22が直接、コントローラ代理モジュール21に対して、必要とされるP2P（pear-to-pear）パラメータ（送信元IPアドレス、送信先IPアドレス、または保証帯域といった情報）を提供するので、コントローラ代理モジュール21を経由するだけで、第一Open Flowコントローラ19の要求に適合する連続的なパラメータまたはコマンドに転換できることから、詳細情報を請求することなくコマンドを実行するだけで、抽象化モデルを得ることができる。

本発明は、複数の異なるオープンソースOpen Flowコントローラを支援できるだけでなく、複数の同一のオープンソースOpen Flowコントローラも支援できることが、第一Open Flowコントローラ19を例にとって図4に示されている。管理すべき外部Open Flowスイッチ17の数量が増えるにしたがって、第一Open Flowコントローラ19の数量を増やせば、本発明が拡張されて、内臓アプリケーションモジュール22が多様なネットワークサービスを提供できるようになる。また、コントローラ代理モジュール21経由で、複数の第一Open Flowコントローラ19のリソースを統合し、ネットワーク全体のトポロジー情報を取得することにより、それぞれの第一Open Flowコントローラ19を異なるエリアに設置して、ドメインの異なるOpen Flowスイッチ17（外部におけるLANまたはWANのOpen Flowスイッチ17など）を管理できるようになる。

本発明における多様な構成ユニットを支援可能なソフトウェア定義型ネットワークコントローラは、ソフトウェア定義型ネットワークのレイヤー構造化も支援している。図5に示すように、本発明が大規模なソフトウェア定義型ネットワークエリアに応用される場合には、SDNネットワークの集中管理が可能である。そのうち、上層のソフトウェア定義型ネットワークコントローラは、コントローラ代理モジュール21を通して下層のソフトウェア定義型ネットワークコントローラのAPIサーバー29と情報交換することで、ソフトウェア定義型ネットワークコントローラのレイヤー間に跨るネットワーク全体のトポロジーと関連情報を取得して、端末どうしのネットワーク経路と帯域を管理できる。このようなレイヤー構造をとることにより、本発明はLAN及びWANの同時管理が可能となり、末端どうしのネットワークの質をモニタリングして、優良なネットワークサービスを提供できる。実際に使用するエリアにより、本発明は異なるアプリケーションモジュールを提供して、LAN範囲内においてネットワークの隔離やネット接続制限の機能を提供するとともに、WAN範囲内で経路制御や回路帯域の管理を行うことも可能である。

本発明はまた、LAN回線におけるソフトウェア定義型ネットワークコントローラの高可用性構造（High Availability, HA）を支援している。図6に示すように、当該構造は可用性ニーズに対応してバックアップの機能を持たせて、機器が故障したときに即座にバックアップして、サービス提供継続、サービス中断時間の最少化が可能となる。この機能を実現するため、本発明はメインとサブのサーバーを用意してバックアップ体制を整え、メインサーバー27がサービス提供不可能となった場合、サブサーバー28がサービス提供する。すなわち、メインサーバー27がサービス提供できなくなり、これに制御されているOpen Flowスイッチ17が制御情報を取得できなくなると、Open Flowプロトコルにより、Open Flowスイッチ17は自動的に上層コントローラ（つまりサブサーバー28）に対して制御情報を求めて、バックアップ用コントローラ経由でサービス提供を継続する。マニュアル切替が不要なので、サービス中断時間の最少化が可能となる。

本発明は、レイヤー構造をもつソフトウェア定義型ネットワークコントローラ、及び柔軟な高可用性構造により、WAN（または遠隔地ネットワーク）環境において、ダブルレイヤーコントローラ（またはメインコントローラ）による2エリア管理の複雑な構造を構築できる。図7に示すように、メインコントローラ30は、その下位のコントローラ（サーバー26）を制御するとともに、他のエリアネットワークを司るサブコントローラ31も制御することで、ダブルレイヤーコントローラによる大規模ネットワーク管理の構造を達成している。ここにおいて、メインコントローラ30の下位のサーバー26、及びこれに制御されるOpen Flowスイッチ17には図6で示した高可用性のバックアップ構造を採用し、他のエリアネットワークにおけるサブコントローラ31もまた同様の構造とすれば、全体として、下から上への高可用性構造をもつ、複数エリアを包摂するダブルレイヤーコントローラ（またはメインコントローラ）体制を構築して、2エリアを管理できる完全なSDN制御構造を構築できる。

本発明は、多様なネットワーク検知構造を支援できる。図8に示すように、そのうちの内蔵アプリケーションモジュール22がネットワーク検知機能を有していることから、通信機器ユニットが各自でデータ転送するという特徴により、ネットワーク管理者がネットワークのステータスを把握してエラー排除するのが難しいという課題を解決している。本発明の内蔵アプリケーションモジュール22は、第一Open Flowコントローラ19が提供する特殊な故障探査パケットを通して、探査待ち状態のネットワーク起点のスイッチに対して故障検知パケットを発送し、第一Open Flow LAN 31内にあるすべてのOpen Flowスイッチに傍受ポイントを設置して、Open Flowスイッチがプログラム可能である特性により、すべての故障検知パケットフローをネットワークにリンクさせてから、情報を複製して第一Open Flowコントローラ19にフィードバック報告する。このようにして、本発明においては、ネットワーク内におけるパケットフローの経路が確立されており、故障発生した回路の情報を素早く得ることができる。

また、本発明は、同一セグメントの第一Open Flow LANに応用可能であるのに加えて、セグメントの異なる第一Open Flow LAN 31と第二Open Flow LAN 32においても、異なるLAN間で故障検知が可能である（図9参照）。従来の技術では、複数のセグメントに跨るネットワーク故障検知は、ルーター経由で経路ステータスが提供されなければならないため、大量の試験パケットをネットワークに送信するので、このことがネットワーク帯域の負荷を増やす。本発明の場合、いかなる端末どうしの経路に対しても試験可能なので、検知の効率を大幅に向上させることが可能となる。

まとめて言うと、本案は技術的思想の創作に属し、従来の技術が持ち合わせ得ない機能や効果が付加されており、新規性、進歩性という発明特許の要件を満たしていると思われることから、ここに特許登録を出願する。

11：アプリケーションモジュール
12：NBI
13：ソフトウェア定義型ネットワークコントローラ
14：SBI
15：ソフトウェア定義型ネットワークスイッチ
17：Open Flowスイッチ
18：Open Flowプロトコル
19：第一Open Flowコントローラ
20：第二Open Flowコントローラ
21：コントローラ代理モジュール
22：内蔵アプリケーションモジュール
23：データベース
24：第一API
25：第二API
26：サーバー
27：メインサーバー
28：サーバー
29：APIサーバー
30：メインコントローラ
31：サブコントローラ
32：第一Open Flow LAN
33：第二Open Flow LAN

Claims (10)

1. オープンソースのOpen Flowプロトコルコントローラであるネットワークコントローラと、
   おのおのの前記ネットワークコントローラを支援し、互いに異なる前記ネットワークコントローラのノースバウンドAPI（Application Programming Interface）を、同一のNBI（Northbound Interface）に転換するコントローラ代理モジュールと、
   前記コントローラ代理モジュールを通して、外部にある1個以上のOpen Flowスイッチを制御し、ネットワーク障害を検知する内蔵アプリケーションモジュールと、
   ソフトウェア定義型ネットワークのトポロジー情報とトラフィック情報とを集め、これらの情報をもとにして端末どうしのネットワークを管理するAPIサーバーモジュールと、
   前記APIサーバーモジュールが集めたネットワークのトポロジー情報とトラフィック情報とを保存し、前記ネットワークコントローラと前記内蔵アプリケーションモジュールとが、必要とされるトポロジー情報とトラフィック情報とを得るためにリンクすることができるデータベースと、
   によって構成されていることを特徴とする、多様な構成ユニットを支援可能なソフトウェア定義型ネットワークコントローラ。
2. 前記アプリケーションモジュールが進める障害検知は、ネットワーク検知、および、ネットワークのトポロジー情報とトラフィック情報などの統計を含むこと、
   を特徴とする、請求項1に記載の、多様な構成ユニットを支援可能なソフトウェア定義型ネットワークコントローラ。
3. 前記データベースは、おのおのの前記Open Flowスイッチ関連情報、ホスト機情報、フローエントリー情報、及びトラフィック量情報を保存すること、
   を特徴とする、請求項1に記載の、多様な構成ユニットを支援可能なソフトウェア定義型ネットワークコントローラ。
4. 前記コントローラ代理モジュールを通して、統一されたNBIを用いて、おのおのの前記ネットワークコントローラを個々に管理できること、
   を特徴とする、請求項1に記載の、多様な構成ユニットを支援可能なソフトウェア定義型ネットワークコントローラ
5. 前記コントローラ代理モジュールがAPIコマンドを連続的に実行できるので、内蔵アプリケーションモジュールが提供する送信元IPアドレス、送信先IPアドレス、及び保証帯域などの情報を、おのおのの前記コントローラが必要とする連続的なパラメータ及びコマンドに転換することでネットワーク抽象化モデルを得ることができること、
   を特徴とする、請求項1に記載の、多様な構成ユニットを支援可能なソフトウェア定義型ネットワークコントローラ
6. 前記コントローラ代理モジュールが、おのおのの前記コントローラのうち、性質を同じくするコントローラを管理して、複数のコントローラのリソースを統合し、ネットワーク全体のトポロジー情報を取得すること、
   を特徴とする、請求項1に記載の、多様な構成ユニットを支援可能なソフトウェア定義型ネットワークコントローラ。
7. 大規模なソフトウェア定義型ネットワークエリアに応用される場合には、SDNネットワークを集中管理し、このとき、上層のSDNコントローラが、前記コントローラ代理モジュールを通して、下層のSDNコントローラの前記APIサーバーモジュールとリンクすることにより、SDNコントローラ間におけるネットワーク全体のトポロジー情報を取得して、端末どうしのネットワークを管理制御できること、
   を特徴とする、請求項1に記載の、多様な構成ユニットを支援可能なソフトウェア定義型ネットワークコントローラ。
8. LAN回線におけるSDNコントローラの高可用性構造を支援してバックアップ機能を持たせており、機器が故障したときにニーズに応じてバックアップしてサービス中断時間の最少化が可能となること、
   を特徴とする、請求項1に記載の、多様な構成ユニットを支援可能なソフトウェア定義型ネットワークコントローラ。
9. WANまたは遠隔地ネットワーク環境において、ダブルレイヤーコントローラ、またはメインコントローラによる2エリア管理構造を構築できること、
   を特徴とする、請求項1に記載の、多様な構成ユニットを支援可能なソフトウェア定義型ネットワークコントローラ。
10. 前記内蔵アプリケーションモジュールが、おのおのの前記コントローラを通して、探査待ち状態のネットワーク起点のスイッチに対して故障検知パケットを発送して、特殊な故障探査パケットを送信し、LAN内にあるすべてのOpen Flowスイッチがプログラム可能である特性を利用して、すべての故障検知パケットフローをネットワークにリンクさせてから、情報を複製して、おのおのの前記コントローラにフィードバック報告するようにしており、ネットワーク内におけるパケットフローの経路が確立されて、故障発生した回路の情報を素早く得ることができること、
    を特徴とする、請求項1に記載の、多様な構成ユニットを支援可能なソフトウェア定義型ネットワークコントローラ。

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