TW202344017A - 封包交換機及封包管理方法 - Google Patents

Abstract

一種網路封包管理方法，包含下列步驟：透過交換機，從第一終端裝置接收位址解析協定請求封包；判斷交換機內之多個位址資料是否對應於第二終端裝置；在其中一個位址資料對應於第二終端裝置時，透過交換機，根據該位址資料取得第二終端裝置的終端位址，以及產生具有該第二終端裝置之終端位址的位址解析協定封包至第一終端裝置；以及在該些位址資料未對應於第二終端裝置時，透過交換機，將位址解析協定請求封包上傳至控制器。

Description

封包交換機及封包管理方法

本揭示內容係關於一種封包交換機及封包管理方法，特別是用以確認多個終端裝置之終端位址的技術。

現今流行的軟體定義網路(Software Define Network, 簡稱SDN)環境，主要是由控制器與數個Openflow交換機所構成的封包網路架構，並透過Openflow協定來達到控制器與交換機之間的溝通。控制器透過Openflow協定，規劃Openflow交換機的封包轉傳路徑。因此，當與Openflow交換機連接的終端裝置發出位址解析封包(Address Resolution Protocol，簡稱ARP)時，Openflow 交換機透過Openflow 協定的溝通將ARP封包傳送給控制器，並由控制器處理ARP封包後，再發送給對應的Openflow交換機。然而，隨著網路拓樸架構日益增大，需要提供服務的終端裝置變多時，控制器的負載亦相應變重，而對控制器的效能需有更嚴格的要求才能確保資料傳輸的順暢。因此，如何設計一個新的網路封包管理方法，以改善控制器負載，乃為此一業界亟待解決的問題。

本揭示內容之一態樣為一種封包管理方法，包含下列步驟：透過交換機，接收第一終端裝置針對第二終端裝置所發送之位址解析協定請求封包；判斷交換機內儲存之複數個位址資料是否對應於第二終端裝置；在該些位址資料之其中一者對應於第二終端裝置時，透過交換機，根據該些位址資料之其中一者取得第二終端裝置之終端位址，以及透過交換機，產生具有第二終端裝置之終端位址的位址解析協定回應封包至第一終端裝置；以及在該些位址資料皆未對應於第二終端裝置時，透過交換機，將位址解析協定請求封包上傳至控制器。

本揭示內容之另一態樣一種封包交換機，包含儲存單元及處理單元。處理單元電性連接於儲存單元，用以自控制器接收複數個位址資料，且用以將位址資料儲存至儲存單元。處理單元還用以自第一終端裝置接收位址解析協定請求封包。在處理單元判斷該些位址資料之其中一者對應於第二終端裝置時，處理單元用以根據該些位址資料之其中一者取得第二終端裝置之終端位址，且用以產生具有第二終端裝置之終端位址的位址解析協定回應封包至第一終端裝置。

本揭示內容之另一態樣為一種封包管理方法，包含下列步驟：透過交換機，從控制器接收複數個位址資料，並將該些位址資料儲存於交換機中；接收第一終端裝置針對第二終端裝置所發送之位址解析協定請求封包；透過交換機，判斷該些位址資料是否包含對應於第一終端裝置的第一終端位址；在該些位址資料包含第一終端位址時，選擇性地透過交換機或控制器，產生位址解析協定回應封包至第一終端裝置，其中位址解析協定回應封包包含第二終端裝置之第二終端位址；以及在該些位址資料並未包含第一終端位址時，將位址解析協定請求封包上傳至控制器。

據此，由於交換機先針對接收到的位址解析協定請求封包進行初步篩選，以選擇性地由自身（交換機）進行傳送，或者上傳至控制器進行傳送，因此，將可有效減輕控制器在運作負載上的負荷。

以下將以圖式揭露本發明之複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。

於本文中，當一元件被稱為「連接」或「耦接」時，可指「電性連接」或「電性耦接」。「連接」或「耦接」亦可用以表示二或多個元件間相互搭配操作或互動。此外，雖然本文中使用「第一」、「第二」、…等用語描述不同元件，該用語僅是用以區別以相同技術用語描述的元件或操作。除非上下文清楚指明，否則該用語並非特別指稱或暗示次序或順位，亦非用以限定本發明。

本揭示內容關於一種封包交換機及其封包管理方法。請參閱第1圖所示，封包管理方法應用於封包網路管理系統100。封包網路管理系統100包含控制器110（Controller，網路封包控制器）及多個交換機120（Switch）。控制器110及多個交換機120之間係透過網路相連線。每個終端裝置130A～130F分別連線至交換機120，再透過交換機120及控制器110與其他終端裝置130A～130F建立連線。

在部份實施例中，封包網路管理系統100屬於一種軟體定義網路（Software-Defined Network，SDN）。軟體定義網路係一種將網路控制層（Control Layer）和資料層（Data Layer）分開，以提昇網路資源的控制彈性與使用效率的網路架構。換言之，控制器110屬於軟體定義網路中的網路控制層，用以進行集中化的網路傳輸及資源管理與分配，於部份實施例中，控制器110係透過Openflow協定與交換機120進行通訊。交換機120則屬於軟體定義網路中的資料層，用以進行單純的資料傳輸任務。在部份實施例中，交換機120係為一種Openflow交換機，透過Openflow協定與控制器110進行通訊，並依據由控制器110所規劃的Flow table傳遞網路封包。

如第1圖所示，控制器110包含儲存單元111及控制單元112。其中，儲存單元111用以儲存複數個位址資料111P，且可以被實作為唯讀記憶體、快閃記憶體、軟碟、硬碟、隨身碟、可由網路存取之資料庫或熟悉此技藝者可輕易思及具有相同功能之儲存媒體。

控制單元112電性連接於儲存單元111，其可為中央處理器(central processing unit, CPU)、系統單晶片(System on Chip, SoC)、應用處理器、數位訊號處理器(digital signal processor)或特定功能的處理晶片或控制器。控制單元112可根據Open Flow協議與交換機120通訊，以進行封包的管理與傳輸。

具體而言，每一個位址資料111P至少包含媒體存取控制位址（Media Access Control Address，以下簡稱MAC位址）。在部份實施例中，位址資料111P還可包含網際網路協定位址（Internet Protocol Address，以下簡稱IP位址）。控制單元112即係透過位址資料111P管理及傳輸封包。

在此說明封包網路管理系統100的運作方式如後。在第一終端裝置130A（即，發送端）傳送資料封包至第二終端裝置130B（即，接收端）時，第一終端裝置130A僅知道第二終端裝置130B的IP位址，因此，若要正確與第二終端裝置130B建立連線以傳輸資料，則第一終端裝置130A必須先取得第二終端裝置130B的MAC位址。

在第一終端裝置130A透過封包網路管理系統100取得第二終端裝置130B的MAC位址的過程中，第一終端裝置130A會發送一個針對第二終端裝置130B的位址解析協定（Address Resolution Protocol， ARP）之請求封包（ARP Request），在此簡稱「位址解析協定請求封包」。

當交換機120接收到位址解析協定請求封包後，會選擇性地由自身（即，交換機120）或控制器110，根據位址解析協定請求封包中的接收端資訊（如：第二終端裝置130B的IP位址）查詢位址資料111P，以取得第二終端裝置130B的終端位址（如： MAC位址）。接著，控制器110或交換機120將取得的第二終端位址回覆給第一終端裝置130A，如此，第一終端裝置130A才可以將欲發送之資料封包正確地傳送至第二終端裝置130B。

交換機120包含儲存單元121及處理單元122，處理單元122電性連接於儲存單元121，且可連線至控制器110。當控制單元112判斷有交換機120連線至控制器110時，控制單元112將該些位址資料111P傳送至交換機120，使控制器110及交換機120內皆儲存有該些位址資料111P。交換機120將判斷儲存之位址資料111P是否包含對應於第二終端裝置130B（即，接收端）的終端位址，以決定如何回應發送端（即，第一終端裝置130A）。

若交換機120判斷至少一個位址資料111P對應於第二終端裝置130B（如：位址資料111P包含第二終端裝置130B之MAC位址），則交換機120即可確認該位址資料111P為第二終端裝置130B的終端位址，並用以產生具有第二終端裝置130B的終端位址的位址解析協定回應封包（ARP reply）。交換機120將直接傳送位址解析協定回應封包至第一終端裝置130A，而無須經過控制器110的處理。

為便於後續說明，在此將第一終端裝置130A（即，發送端）之終端位址稱為「第一終端位址」，且將第二終端裝置130B（即，接收端）之終端位址稱為「第二終端位址」。交換機120會判斷該些位址資料111P是否具有第二終端位址，以選擇性地透過自身（交換機120）或交由控制器110回應第一終端裝置130A，進而確保控制器110的運作負載不會過大。

承上，在部份實施例中，交換機120還可判斷該些位址資料111P是否包含第一終端裝置130A（即，發送端）之第一終端位址。若位址資料111P沒有包含完整的第一終端位址，代表交換機120先前並未處理過第一終端裝置130A所傳送的資料。換言之，第一終端裝置130A屬於一個陌生裝置。因此，交換機120可將位址解析協定請求封包上傳至控制器110處理。

具體而言，若交換機120將位址解析協定請求封包上傳至控制器110處理，則控制器110會對網路拓樸中的所有交換機120及所有終端裝置130A～130F發送請求指令，只有第二終端裝置130B（即，正確的接收端）接收到請求指令時，才會回應控制器110，此時，控制器110可根據回應，確認第二終端裝置130B的第二終端位址。由於本領域人士能理解由「控制器110」取得發送端與接收端之終端位址的方法，故在此不另贅述。

總而言之，若該些位址資料111P中已包含第二終端位址，交換機120將無須上傳位址解析協定請求封包至控制器110，而可自行回應第一終端裝置130A。據此，將能平衡封包網路管理系統100的負載，並提昇網路傳輸的效率。

在其他實施例中，交換機120內還可紀錄有對應於該些終端裝置130A～130F連線至交換機120時的通訊埠編號（port）。為了確保資訊安全，交換機120之處理單元122可進一步判斷儲存單元121中紀錄/儲存有對應於第一終端裝置130A之通訊埠編號，以判斷第一終端裝置130A是否為陌生裝置或者是否發生過通訊埠異動（port move）的情況。交換機120可根據判斷結果，選擇性地更新該些位址資訊111P及對應於第一終端裝置130A之通訊埠編號，詳情將於後續段落說明。

第2圖所示為根據本揭示內容之部份實施例的封包管理方法之示意圖。在步驟S201中，當控制器110判斷有交換機120連線至控制器110時，控制器110將儲存單元111內之多個位址資料111P傳送至交換機120，使交換機120之儲存單元121儲存該些位址資料111P。位址資料111P係控制器110根據先前處理其他資料封包時的紀錄中所取得。

在步驟S202中，當第一終端裝置130A欲發送資料給第二終端裝置130B之前，交換機120接收第一終端裝置130A針對第二終端裝置130B所發送的位址解析協定請求封包（ARP request）。位址解析協定請求封包中包含第二終端裝置130B之IP位址。在部份實施例中，位址解析協定請求封包可能還包含第一終端裝置130A的IP位址及MAC位址。

在步驟S203中，交換機120之處理單元122判斷是否有任一個位址資料111P對應於第一終端裝置130A（即，發送端）。在部份實施例中，交換機120之處理單元122係判斷該些位址資料111P中是否包含第一終端裝置130A的IP位址及MAC位址。

若位址資料111P包含第一終端位址，則交換機120將進一步執行步驟S204～S206，以選擇性地由交換機120或控制器110回應第一終端裝置130A。相對地，若位址資料111P並未包含第一終端位址，則交換機120直接將解析請求指令上傳至控制器110，讓控制器110回應第一終端裝置130A（如步驟S207～S210）。

在此要特別一提者，步驟S203是為了確認第一終端裝置13A對於封包網路系統100而言是否屬於「可信任裝置」。在部份實施例中，交換機120可無須執行步驟S203，而直接執行步驟S204。

在此詳細說明封包網路管理系統100選擇性由交換機120或控制器110產生回應的步驟如後。在步驟S204中，當位址資料111P包含第一終端位址時，交換機120之處理單元122會進一步判斷是否有任何一個位址資料111P對應於第二終端裝置130B。換言之，判斷位址資料111P是否包含第二終端裝置130B（即，接收端）的第二終端位址。具體來說，「判斷位址資料111P是否包含第二終端裝置130B的第二終端位址」是指交換機120之處理單元122先根據位址解析協定請求封包取得第二終端裝置的IP位址，再依據第二終端裝置130B的IP位址查詢位址資料111P，以確認是否有任何一筆位址資料111P包含對應第二終端裝置130B之IP位址的MAC位址。

在步驟S205中，若位址資料111P包含第二終端位址，則交換機120之處理單元122會直接根據第二終端位址，產生包含第二終端位址的位址解析協定回應封包，並透過交換機120，傳送位址解析協定回應封包至第一終端裝置130A。在此情況下，由於不用透過控制器110進行分配管理，故能減輕控制器110的運作負載。由於本領域人士能理解第一終端裝置130A接收到位址解析協定回應封包後，再透過封包網路管理系統100傳送資料封包的細節，故在此不另贅述。

在步驟S206中，若位址資料111P包含第一終端位址，但未包含第二終端位址，此時交換機120之處理單元122會將位址解析協定請求封包上傳至控制器110，以透過控制器110找出第二終端位址，且產生位址解析協定回應封包。

另一方面，若位址資料111P並未包含第一終端位址，則交換機120會根據目前上傳位址解析協定請求封包的第一終端裝置130A，選擇性地更新交換機120之儲存單元121內所紀錄的資訊（如：位址資料111P、通訊埠編號）。具體而言，在步驟S207中，交換機120之處理單元122判斷儲存單元121中是否紀錄有包含對應於第一終端裝置130A的通訊埠編號。。

在步驟S208中，在該些位址資料111P包含第一終端裝置130A的第一終端位址（如：IP位址及MAC位址）、但交換機120儲存單元122卻並未紀錄有對應於第一終端裝置130A的通訊埠編號時，代表第一終端裝置130A連線至交換機120的通訊埠編號變更過。因此，交換機120之處理單元122將根據該第一終端裝置130A當前與該交換機120的連線狀態紀錄通訊埠編號，並將通訊埠編號對應於第一終端裝置130A，使儲存單元122內的資訊能被更新至符合當前連線狀態。

在步驟S209中，若位址資料111P並未包含第一終端位址、且交換機120之儲存單元122內亦未曾紀錄過對應於第一終端裝置130A的通訊埠編號，此時，交換機120根據當前上傳位址解析協定請求封包的第一終端裝置130A，即時取得/紀錄第一終端裝置130A的IP位址、MAC位址及通訊埠編號，其中IP位址及MAC位址將被紀錄為第一終端位址。

交換機120能夠以表格的形式紀錄每一筆位址資料111P，以及對應之通訊埠編號，如下表所示。其中，MAC位址及IP位址僅為示意，且VID為「虛擬區域網路識別符（Virtual Local Area Network Identifier）」，用以對應不同的終端裝置。此外，若終端裝置並非直接連線於交換機120（而可能是透過其他區域網路間接地連線，如第1圖之終端裝置130A及130D），則交換機120將不會直接紀錄該終端裝置的通訊埠編號。

VID	MAC位址	IP位址	通訊埠編號
1	AA:AA:AA	A.A.A	1
1	BB:BB:BB	B.B.B	（無）

在交換機120更新完儲存單元121內儲存的資訊後，在步驟S210中，交換機120將位址解析協定請求封包及/或即時更新之第一終端位址上傳至控制器110，以透過控制器110查詢出第二終端位址，並產生位址解析協定回應封包。接著，控制器110將位址解析協定回應封包傳送回第一終端裝置130A，使第一終端裝置130A可據以傳送資料封包。

此外，在部份實施例中，控制器110之控制單元112將定期地傳送該些位址資料111P及/或通訊埠編號至交換機120，以更新交換機120中儲存的位址資料111P。換言之，交換機120可定期連線至控制器110，以更新位址資料111P。在其他部份實施例中，當交換機120將位址解析協定請求封包上傳至控制器110，以由控制器110找出第二終端位址後（如：前述步驟S206或S210），控制器110會同時傳送包含第二終端位址的該些位址資料111P至交換機120，以更新交換機120內儲存的位址資料111P。

在部份實施例中，交換機120之處理單元122內安裝有控制模組122a，用以執行前述步驟S201～S210中的各項操作。控制模組122a可為寫入處理單元122內的軟體程式，且能根據事先儲存的位址資料111P，以判斷位址資料111P中是否包含對應於接收到的位址解析協定請求封包的終端位址。換言之，封包網路管理系統100對於位址解析協定請求封包的處理動作將被分配給控制器110及交換機120，以確保封包網路管理系統100中各裝置的運算負載不會過重。

前述各實施例中的各項元件、方法步驟或技術特徵，係可相互結合，而不以本揭示內容中的文字描述順序或圖式呈現順序為限。

雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100:封包網路管理系統 110:控制器 111:儲存單元 112:控制單元 111P:位址資料 120:交換機 121:儲存單元 122:處理單元 122a:控制模組 130A-130F:終端裝置 S201-S210:步驟

第1圖為根據本揭示內容之部份實施例之封包網路管理系統之示意圖。 第2圖為根據本揭示內容之部份實施例之封包管理方法之流程圖。

國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

S201-S210:步驟

Claims (13)

1. 一種封包管理方法，包含：透過一交換機，接收一第一終端裝置針對一第二終端裝置所發送之一位址解析協定請求封包； 判斷該交換機內儲存之複數個位址資料是否對應於該第二終端裝置； 在該些位址資料之其中一者對應於該第二終端裝置時，透過該交換機，根據該些位址資料之該其中一者取得該第二終端裝置之一終端位址，以及產生具有該第二終端裝置之該終端位址的一位址解析協定回應封包至該第一終端裝置；以及 在該些位址資料皆未對應於該第二終端裝置時，透過該交換機，將該位址解析協定請求封包上傳至一控制器。
2. 如請求項1所述之封包管理方法，還包含：在將該位址解析協定請求封包上傳至該控制器後，透過該控制器，取得該第二終端位址，並產生具有該第二終端裝置之該終端位址的該位址解析協定回應封包至該第一終端裝置。
3. 如請求項2所述之封包管理方法，其中該控制器及該交換機屬於一軟體定義網路。
4. 如請求項1所述之封包管理方法，其中該第一終端裝置具有一第一終端位址，且該第二終端裝置的該終端位址為一第二終端位址，該封包管理方法還包含： 判斷該些位址資料是否包含該第一終端位址； 在該些位址資料不包含該第一終端位址時，將該位址解析協定請求封包上傳至一控制器；以及 透過該控制器，取得該第二終端位址，並產生具有該第二終端位址的該位址解析協定回應封包至該第一終端裝置。
5. 如請求項4所述之封包管理方法，還包含： 判斷該交換機是否紀錄有對應於該第一終端裝置的一通訊埠編號，以選擇性地更新該些位址資料及對應於該第一終端裝置的該通訊埠編號。
6. 如請求項5所述之封包管理方法，其中選擇性地更新該些位址資料及對應於該第一終端裝置的該通訊埠編號的方法還包含： 在該些位址資料包含該第一終端位址，但該交換機並未紀錄有對應於該第一終端裝置的該通訊埠編號時，透過該交換機，紀錄對應於該第一終端裝置的該通訊埠編號。
7. 如請求項5所述之封包管理方法，其中選擇性地更新該些位址資料及對應於該第一終端裝置的該通訊埠編號的方法還包含：在該些位址資料並未包含該第一終端位址，且該交換機並未紀錄有對應於該第一終端裝置的該通訊埠編號時，透過該交換機，紀錄對應於該第一終端裝置的該第一終端位址及該通訊埠編號。
8. 一種封包交換機，包含： 一儲存單元；以及 一處理單元，電性連接於該儲存單元，用以自一控制器接收複數個位址資料，且用以將該些位址資料儲存至該儲存單元，其中該處理單元還用以自一第一終端裝置接收一位址解析協定請求封包，在該處理單元判斷該些位址資料之其中一者對應於一第二終端裝置時，該處理單元用以根據該些位址資料之該其中一者，取得該第二終端裝置之一終端位址，且用以產生具有該第二終端裝置之該終端位址的一位址解析協定回應封包至該第一終端裝置。
9. 如請求項8所述之封包交換機，其中當該些位址資料皆未對應於該第二終端裝置時，該處理單元用以將該位址解析協定請求封包上傳至該控制器。
10. 如請求項9所述之封包交換機，其中該第一終端裝置具有一第一終端位址，且該第二終端裝置的該終端位址為一第二終端位址，該處理單元還用以判斷該些位址資料是否包含該第一終端位址，在該些位址資料不包含該第一終端位址時，該處理單元用以將該位址解析協定請求封包上傳至該控制器。
11. 如請求項10所述之封包交換機，其中該處理單元還用以判斷該儲存單元是否紀錄有對應於該第一終端裝置的一通訊埠編號，以選擇性地更新該些位址資料及對應於該第一終端裝置的該通訊埠編號。
12. 如請求項11所述之封包交換機，其中在該些位址資料包含該第一終端位址，但該交換機並未紀錄有對應於該第一終端裝置的該通訊埠編號時，該處理單元用以紀錄對應於該第一終端裝置的該通訊埠編號。
13. 如請求項12所述之封包交換機，其中在該些位址資料並未包含該第一終端位址，且該交換機並未紀錄有對應於該第一終端裝置的該通訊埠編號時，該處理單元用以紀錄對應於該第一終端裝置的該第一終端位址及該通訊埠編號