CN102868645A - Openflow交换机***及其报文处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种Openflow交换机***及其报文处理方法，其***包括：一个或多个控制器；与一个或多个终端相连接的Openflow交换机；与所述Openflow交换机相连接应用服务器，其用于根据报文的消息类型，对所述报文中的DSCP值进行赋值；以及与所述应用服务器相连接的QoS三层交换机，其用于根据报文中的DSCP值，获取当前报文的优先级，并按照所述报文的优先级高低发送报文至控制器。本发明通过根据报文的类型，将***中报文按照一定的优先级进行调度，在不提高整个***成本的同时，避免了***因带宽过小，导致高优先级的报文掉包的现象，进而提高了***稳定性。

Description

Openflow交换机***及其报文处理方法

技术领域

本发明涉及以太网领域技术，尤其涉及一种Openflow交换机***及其报文处理方法。

背景技术

目前互联网发展迅速，其应用规模的庞大及其地位的重要性，远远超出了设计者们的想象，而现在的互联网主要有以下弊端：特定的范围内没有统一的管理、网络转发机制与策略单一、运营商难以最大限度优化自身网络、以及传统交换机用于转发的功能和协议多且杂，很难配置，***容易出错等问题。为应对上述弊端，人们提出了Openflow交换机，其将传统交换机上的报文转发和转发策略分离开来，采用专门的一台控制器（controller）通过网线和交换机连接。这样原来同在一台交换机设备上的报文转发功能（硬件芯片实现）和报文转发策略（各种软件协议）就被分开到了不同的硬件设备上。而一台控制器（controller）还可以控制多台Openflow交换机，从而实现了统一的转发控制端，更有效地控制了网络。

参图1所示，目前，在Openflow交换机***中，往往控制网络中的一个或多个控制器与相应的Openflow交换机直接相连并进行数据通信，然而，一个或多个控制器的控制通道（control path）的带宽是有限的，而一般Openflow交换机的中央处理器（CPU）处理能力也不强，在Openflow交换机和多个控制器连接时，Openflow的管理端口往往需要同时收发大量报文，由于带宽的限制，易产生控制报文丢包现象，从而造成了整个***网络不稳定。

发明内容

本发明的目的在于对现有的控制通道网络进行改良，以提供一种可靠性高的Openflow交换机***。

本发明的另一目的在于提供一种Openflow交换机***的报文处理方法。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：一种Openflow交换机***，其包括：一个或多个控制器；与一个或多个终端相连接的Openflow交换机；与所述Openflow交换机相连接的应用服务器，其用于根据报文的消息类型，对所述报文中的DSCP值进行赋值；与所述应用服务器相连接的QoS三层交换机，其用于根据报文中的DSCP值，获取当前报文的优先级，并按照所述报文的优先级高低发送报文至控制器。

作为本发明***的进一步改进，所述报文的消息类型包括：controller-to-switch消息、异步消息、对称消息，其中，每一种消息类型还包括若干子类型。

作为本发明***的进一步改进，所述应用服务器具体用于：获取报文中的Openflow Type值；根据所述Openflow Type值获悉该报文所属的报文类型及相应的子类型；根据报文所属子类型，相应地为该报文的DSCP值赋值。

相应地，一种Openflow交换机***的报文处理方法，其包括：

S1、接收报文；

S2、根据报文的消息类型，对所述报文中的DSCP值进行赋值；

S3、根据报文中的DSCP值，获取当前报文的优先级，并按照所述报文的优先级高低进行报文发送。

作为本发明方法的进一步改进，所述报文的消息类型包括：controller-to-switch消息、异步消息、对称消息，其中，每一种消息类型还包括若干子类型。

作为本发明方法的进一步改进，所述步骤S2还具体包括：获取报文中的Openflow Type值；根据所述Openflow Type值获悉该报文所属的报文类型及相应的子类型；根据报文所属子类型，相应地为该报文的DSCP值赋值。

作为本发明方法的进一步改进，该方法还包括如下步骤：计算各报文所对应的报文加权值及交换机***中各控制器所对应的控制器加权值；根据所述报文加权值，获取多个报文加权值区间，并根据各控制器加权值，为每一个报文加权值区间对应一个控制器，其中，所述报文加权值区间的数目与控制器的数目相等；根据当前报文的报文加权值所处于的报文加权值区间，将该报文发送至与该报文加权值区间相对应的控制器。

作为本发明方法的进一步改进，“计算报文加权值”的步骤具体包括：根据各报文自身的优先级字段进行加权，得到包权值；根据Openflow流自身的优先级进行加权，得到流权值；根据所述包权值及流权值，计算得出所述报文加权值，其中，报文加权值=（2/3）*包权值+（1/3）*流权值。

作为本发明方法的进一步改进，“计算控制器加权值”的步骤具体包括：获取控制器与交换机之间的网络链路的速度权值；根据控制器所连接的交换机数目得到数量权值；根据控制器当前的服务质量得到质量权值；综合所述速度权值、数量权值、及质量权值计算得出控制器加权值，其中，控制器加权值= （2/4）*速度权值+（1/4）*数量权值+（1/4）*质量权值。

作为本发明方法的进一步改进，“获取多个报文加权值区间”的步骤具体包括：将所有报文加权值按大小进行排序，并均匀划分为N个报文组，其中，N为控制器的数目；根据每个报文组中报文加权值，获取N个初始权值区间；将低优先级的初始权值区间的区间上限设置为与高优先级的初始权值区间的区间下限相等；将最高优先级的的初始权值区间的区间上限设为100，将最低优先级的的初始权值区间的区间下限设为0。

本发明的有益效果是：本发明通过根据报文的类型，将***中报文按照一定的优先级进行调度，在不提高整个***成本的同时，避免了***因带宽过小，导致高优先级的报文掉包的现象，进而提高了***稳定性。

附图说明

图1是现有技术中Openflow交换机***的网络架构示意图；

图2是本发明第一实施方式中Openflow交换机***的网络架构示意图；

图3是本发明第一实施方式中Openflow交换机***的报文处理方法的流程图；

图4是本发明第二实施方式中Openflow交换机***的网络架构示意图；

图5是本发明第二实施方式中Openflow交换机***的报文处理方法的流程图；

图6是本发明第二实施方式中报文处理***的单元示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

参图2所示，其示意地绘示了本发明Openflow交换机***的网络架构，该架构100包括一个或者多个控制器（controller1、controller2、controller3…controllerN），控制器与Openflow交换机101之间通过控制网络相连，Openflow交换机101另一端通过多业务端口连接多个终端设备（终端1、终端2、终端3…终端N），上述终端设备可包括手机、电脑、PDA（个人数字处理）等。所述终端可通过数据通道与Openflow交换机101相互通信，实现报文发送。

于本发明第一实施方式中，上述Openflow交换机***100还包括一应用服务器102及一支持QoS（服务质量）的QoS三层交换机103，其中，应用服务器102与所述Openflow交换机101相连接，其用于根据报文的消息类型，对所述报文中的DSCP值进行赋值；而QoS三层交换机103与所述应用服务器102相连接，其用于根据报文中的DSCP值，获取当前报文的优先级，并按照所述报文的优先级高低发送报文至控制器。

于本发明中，Openflow协议里的支持的消息类型大约分为以下3类：controller-to-switch消息、异步消息（asynchronous）、及对称消息（symmetric），每一类消息又有多个子类型。controller-to-switch消息由控制器发起，用来管理或获取switch状态；asynchronous消息由switch发起，用来将网络事件或交换机状态变化更新到控制器；symmetric消息可由交换机或控制器发起。这几类消息最终会组成TCP报文在控制网络中传输，本实施方式中，根据本领域普通技术人员所掌握的经验，总结出其中有些类型的报文是非常重要的，这些报文必须得到交换机或控制器及时相应，否则会造成网络中断或不稳定，比如、一些对称消息和controller-to-switch消息，这类报文一般所占带宽也不大；而相比上述的重要报文，大量相对不重要的报文（如packet_in类型报文），甚至是冗余报文可以延迟发送甚至直接被丢失（对整个交换机***的正常工作几乎无影响）。

其中，本发明具体实施方式中，对于不同消息的区分，主要通过获取TCP报文中的第2个字节（Openflow Type值），并根据所述Openflow Type值获悉该报文所属的报文类型及相应的子类型（如Hello信息、Features_Reply信息、Port-Status信息等），其中按照报文的子类型，分别对应赋予该报文的DSCP为一定值，在此之前，本发明需要根据不同等级的重要信息，对其报文进行网络传输层面的报文优先级分类。在本发明中，可以使用应用服务器102对指定消息类型的报文做DSCP值（差分服务代码点，一种IP报文的优先级）重写动作，其中，DSCP使用6个bit，DSCP的值得范围为0~63，0优先级最低，63优先级最高。本发明中，对于较为重要的Hello/Echo等类型的消息报文，一般将其DSCP值设置成60；而对于大量相对不重要或者可以有延迟的异步消息（如Packet_in报文），则将其DSCP值设置成30。当被修改过DSCP值的消息报文发送到支持QoS的3层交换机时，该交换机能够根据不同的DSCP值进行优先级调度，从而使DSCP值高的报文优先通过，这样可以大幅度提高Openflow交换机***的连接性和可靠性。

本发明中，对于不同消息类型的报文所对应的DSCP值，详见下表（表1）：其中，DSCP值越高地报文，表示为优先级越高，***会优先处理。

参图3所示，在本发明第一实施方式中，基于上述Openflow交换机***的报文处理方法，其包括如下步骤：

S1、接收来自于各终端的网络报文；

S2、根据报文的消息类型，对所述报文中的DSCP值进行赋值；其中，所述报文的消息类型包括：controller-to-switch消息、异步消息、对称消息，其中，每一种消息类型还包括若干子类型。所述步骤S2还具体包括：

S21、获取报文中的Openflow Type值；

S22、根据所述Openflow Type值获悉该报文所属的报文类型及相应的子类型（参表1）。

S3、根据报文中的DSCP值（参表1），获取当前报文的优先级，并按照所述报文的优先级高低进行报文发送。

接下来，请参图4~图6，其为本发明交换机***及相应报文处理方法的第二实施方式。由于目前Openflow交换机***中的控制通道(control path)和多个控制器(controller)之间的网络连接的不确定性(如网络中断)，导致控制器的反应速度慢，且在packet_in报文过多时，易造成***中的控制器负担过重，进而在一定程度上造成***不稳定。在本具体实施例中，为了改良Openflow网络中的控制通道，本发明依靠使不同特点的报文发送到不同状态的控制器，以达到负载平衡的效果，具体地，该报文处理方法主要包括如下步骤：

S4、接收来自于各终端设备的网络报文，并计算各报文所对应的报文加权值及各控制器所对应的控制器加权值；

其中，在本发明具体实施方式中，在步骤S4中，“计算报文加权值”的步骤具体包括：

S41、根据各报文自身的优先级字段进行加权，得到包权值packet_priority（权值范围为0~100）；其中，报文字段包括基于VLAN报文的报文优先级（VLAN Priority）、基于IP报文的报文优先级（DSCP/ToS）、基于MPLS报文的报文优先级（MPLS Exp Bit）等，对于上述各类型的报文，报文优先级越高，其加权值也就越高。

S42、根据Openflow流自身的优先级进行加权，得到流权值flow_priority；同样地，流权值flow_priority的范围也为0~100。

S43、根据所述包权值packet_priority及流权值flow_priority，计算得出所述报文加权值overall_packet_priority（权值范围为0~100），其中，报文加权值=（2/3）*包权值+（1/3）*流权值。值得一提的是，上述packet_priority和overall_packet_priority的计算均可由特定功能的芯片来实现。

其中，本发明交换机需要收集各控制器的控制器加权值，该控制器加权值overall_controller_priority（权值范围为0~100）是根据openflow交换机和控制器之间网络链路的当前状态以及控制器的状态得到的，具体地，上述步骤S4中，“计算控制器加权值”的步骤具体包括：

S44、获取控制器与交换机之间的网络链路的速度权值link_priority（权值范围为0~100）；其中，具体地，***定时由交换机给各控制器发送Echo Request消息，间隔一段时间后，交换机会接收到控制器回复的Echo Reply报文，此时，交换机可以算出交换机和控制器之间网络链路的速度，链路速度 = Echo Request报文长度/（2 * 间隔时间)。

S45、根据控制器所连接的交换机数目得到数量权值concurrent_connection_priority（权值范围为0~100）；

S46、根据控制器当前的服务质量得到质量权值service_quality_priority（权值范围为0~100）；其中，服务质量包括过去一小时的CPU/内存占用比例、控制器的硬件性能和重启次数等；

S47、综合所述速度权值link_priority、数量权值concurrent_connection_priority、及质量权值service_quality_priority计算得出控制器加权值ovserall_controller_priority，其中，控制器加权值=（2/4）*速度权值+（1/4）*数量权值+（1/4）*质量权值。

在本发明更优选的实施方式中，Openflow交换机和控制器之间网络链路的加权数据，每隔一段时间(30秒)，交换机都要向控制器请求一次；并且，每隔1分钟，交换机需要计算出综合加权值。

本发明以设置三个控制器的交换机***为例，交换机根据各子项的加权值得到一张报文加权值和控制器加权值的对应表格，只需要每分钟随机采样选取12个报文（采样本文数目不一定），根据权值大小排序，可以得到表格（表2）如下：

报文	报文加权值	控制器识别号	控制器加权值
				报文1	90	控制器1	80
报文2	85	控制器2	70
				报文3	80	控制器3	40
报文4	76
				报文5	50
报文6	45
				报文7	34
报文8	32
				报文9	30
报文10	20
				报文11	18
报文12	10

 S5、根据所述报文加权值，获取多个报文加权值区间，并根据各控制器加权值，为每一个报文加权值区间对应一个控制器，其中，所述报文加权值区间的数目与控制器的数目相等；

其中，优选地，本实施方式中，在所述步骤S3中，“获取多个报文加权值区间”的步骤具体包括：

S51、将所有报文加权值按大小进行排序，并均匀划分为N个报文组，其中，N为控制器的数目；参表1所示，比如N为3，报文采样了12条，那分为3组，每组4条报文加权值：（90、85、80、76）、（50、45、34、32）、（30、20、18、10）。

S52、根据每个报文组中报文加权值，获取N个初始权值区间；

第1组报文：报文1~4，报文加权值区间【76，90】；

第2组报文：报文5~8，报文加权值区间【32，50】；

第3组报文：报文9~12，报文加权值区间【10，30】。

S53、将低优先级的初始权值区间的区间上限设置为与高优先级的初始权值区间的区间下限相等；至此，得到的各权值区间为：

第1组报文：报文1~4，报文加权值区间【76，90】；

第2组报文：报文5~8，报文加权值区间【32，76】；

第3组报文：报文9~12，报文加权值区间【10，32】。

S54、将最高优先级的的初始权值区间的区间上限设为100，将最低优先级的的初始权值区间的区间下限设为0。至此，得到的最终的报文权值区间为：

第1组报文：报文1~4，报文加权值区间【76，100】；

第2组报文：报文5~8，报文加权值区间【32，76】；

第3组报文：报文9~12，报文加权值区间【0，32】。

在本实施方式中，优选地，所述步骤S3还具体包括：

S55、根据当前控制器对应的控制器加权值所位于的报文加权值区间，将该控制器与该报文加权值区间相对应。

按照上述表2的具体实施例，得出的对应关系是：

第1组报文：报文1~4，报文加权值区间【76，100】，对应控制器1(加权值:80)；第2组报文：报文5~8，报文加权值区间【32，76】，对应控制器2 (加权值:70)；第3组报文：报文9~12，报文加权值区间【0，32】，对应控制器3(加权值:40)。

S6、根据当前报文的报文加权值所处于的报文加权值区间，将该报文发送至与该报文加权值区间相对应的控制器，便可以实现各控制器负载平衡。其中，值得一提的是，同一个TCP会话的报文，需要发往同一个控制器，防止报文乱序。

接下来，请参图6所示，在本第二实施方式中，与上述方法的一种报文处理***，包括如下单元：

报文接收单元10、用于接收来自于各终端设备的网络报文；

权值计算单元20、用于计算各报文所对应的报文加权值及各控制器所对应的控制器加权值；其中，所述权值计算单元20包括一报文权值计算单元21及一控制器权值计算单元22，两者的权值计算过程请参上文；

控制器对应单元30、用于根据所述报文加权值，获取多个报文加权值区间，并根据各控制器加权值，为每一个报文加权值区间对应一个控制器，其中，所述报文加权值区间的数目与控制器的数目相等；

报文分发单元40、用于根据当前报文的报文加权值所处于的报文加权值区间，将该报文发送至与该报文加权值区间相对应的控制器，便可以实现各控制器负载平衡。其中，值得一提的是，同一个TCP会话的报文，需要发往同一个控制器，防止报文乱序。

综上所述，本发明的交换机***及相应的报文处理方法，通过获取多个报文加权值区间以及与之对应的多个控制器权值，并将处于一定权值区间内的报文发送到对应的控制器，从而实现Openflow交换机***中各控制器的负载平衡，提高了***稳定性。此外，本发明通过根据报文的类型，将***中报文按照一定的优先级进行调度，在不提高整个***成本的同时，避免了***因带宽过小，导致高优先级的报文掉包的现象，进而提高了***稳定性。

本发明所介绍的方法中，所提及的步骤序号“S1”、“S2”…“Sn”等之间并不一定存在先后顺序，特此声明。

以上所描述的装置实施方式仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施方式方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种Openflow交换机***，其特征在于，其包括：

一个或多个控制器；

与一个或多个终端相连接的Openflow交换机；

与所述Openflow交换机相连接的应用服务器，用于根据报文的消息类型，对所述报文中的DSCP值进行赋值；

与所述应用服务器相连接的QoS三层交换机，用于根据报文中的DSCP值，获取当前报文的优先级，并按照所述报文的优先级高低发送报文至控制器。

2.根据权利要求1所述的Openflow交换机***，其特征在于，所述报文的消息类型包括：controller-to-switch消息、异步消息、对称消息，其中，每一种消息类型还包括若干子类型。

3.根据权利要求2所述的Openflow交换机***，其特征在于，所述应用服务器具体用于：

获取报文中的Openflow Type值；

根据所述Openflow Type值获悉该报文所属的报文类型及相应的子类型；

根据报文所属子类型，相应地为该报文的DSCP值赋值。

4.一种Openflow交换机***的报文处理方法，其特征在于，该方法包括：

S1、接收报文；

S2、根据报文的消息类型，对所述报文中的DSCP值进行赋值；

S3、根据报文中的DSCP值，获取当前报文的优先级，并按照所述报文的优先级高低进行报文发送。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述报文的消息类型包括：controller-to-switch消息、异步消息、对称消息，其中，每一种消息类型还包括若干子类型。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S2还具体包括：

获取报文中的Openflow Type值；

根据所述Openflow Type值获悉该报文所属的报文类型及相应的子类型；

根据报文所属子类型，相应地为该报文的DSCP值赋值。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，该方法还包括如下步骤：

计算各报文所对应的报文加权值及交换机***中各控制器所对应的控制器加权值；

根据所述报文加权值，获取多个报文加权值区间，并根据各控制器加权值，为每一个报文加权值区间对应一个控制器，其中，所述报文加权值区间的数目与控制器的数目相等；

根据当前报文的报文加权值所处于的报文加权值区间，将该报文发送至与该报文加权值区间相对应的控制器。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，“计算报文加权值”的步骤具体包括：

根据各报文自身的优先级字段进行加权，得到包权值；

根据Openflow流自身的优先级进行加权，得到流权值；

根据所述包权值及流权值，计算得出所述报文加权值，其中，报文加权值=（2/3）*包权值+（1/3）*流权值。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，“计算控制器加权值”的步骤具体包括：

获取控制器与交换机之间的网络链路的速度权值；

根据控制器所连接的交换机数目得到数量权值；

根据控制器当前的服务质量得到质量权值；

综合所述速度权值、数量权值、及质量权值计算得出控制器加权值，其中，控制器加权值= （2/4）*速度权值+（1/4）*数量权值+（1/4）*质量权值。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，“获取多个报文加权值区间”的步骤具体包括：

将所有报文加权值按大小进行排序，并均匀划分为N个报文组，其中，N为控制器的数目；

根据每个报文组中报文加权值，获取N个初始权值区间；

将低优先级的初始权值区间的区间上限设置为与高优先级的初始权值区间的区间下限相等；

将最高优先级的的初始权值区间的区间上限设为100，将最低优先级的的初始权值区间的区间下限设为0。

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