CN103491006A - 虚拟网络路由器的数据统一转发方法 - Google Patents

Abstract

一种虚拟网络路由器的数据统一转发方法，将虚拟路由器实例的控制平面与数据平面分离，控制平面运行在各虚拟路由器实例内部，负责路由计算；数据平面则转移至虚拟路由器内核中，各虚拟路由器实例的数据平面在虚拟路由器设备底层构成一个数据统一转发引擎，由该统一转发引擎负责将各虚拟路由器实例的转发表组织并压缩为一个共享转发表，并以此为依据负责本虚拟路由器节点上所有实例的数据转发，本发明可有效降低虚拟路由器的数据转发开销，使虚拟路由器达到线速转发的性能，同时提高虚拟路由器能够支持的虚拟路由器实例数量，提高虚拟网络数据转发性能。

Description

虚拟网络路由器的数据统一转发方法

技术领域

本发明属于互联网技术领域，尤其适用于数据中心、云平台等支持网络虚拟化的下一代新型互联网络，具体涉及一种虚拟网络路由器的数据统一转发方法。

背景技术

近年来，互联网领域出现了许多有关骨干网络设备的新技术突破，其中最重要的一项便是虚拟网络技术。虚拟网络是利用虚拟化技术对物理网络资源进行抽象和划分后，在公共的网络硬件基础设施之上构建的多个独立运行的逻辑网络。虚拟路由器作为虚拟网络的核心设备，建立在传统硬件路由设备之上，利用软件技术来复用硬件路由设备的各种资源，实现对物理路由器的功能仿真，达到在一台路由器设备上部署多个虚拟路由器实例的效果。虚拟路由器实例间可以通过隧道技术建立多条逻辑上的虚拟链路，构成虚拟网络拓扑环境（图1）。虚拟网络技术提供了更灵活、更可控的网络构建方式，为新型互联网服务与应用的发展提供了很好的实现平台。

虚拟网络分组的一跳转发，即分组从一个虚拟路由器实例出发，经过一条由物理链路及多个中间物理路由器组成的虚拟链路，到达另一个虚拟路由器实例的过程。在传统的虚拟网络数据转发技术中，各虚拟路由器实例分别维护各自的控制平面和数据平面，负责为其所属的虚拟网络同时提供路由与转发服务。控制平面负责运行虚拟网络路由协议，生成转发表，数据平面以转发表为依据完成虚拟网络的分组转发。在这种转发方式中，数据分组要进入虚拟路由器实例完成路由查找，需要经过物理网卡到虚拟网卡的多次映射，转发时延较长，且各实例的数据平面会竞争CPU、cache、高速数据通路等物理资源，大大降低了路由查找效率。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种虚拟网络路由器的数据统一转发方法，对虚拟路由器实例的数据转发流程进行了优化设计，将虚拟路由器实例的控制平面和数据平面进行分离，在设备底层为到达各虚拟路由器实例的分组提供统一的转发服务，本发明可以有效地降低虚拟路由器的数据转发开销，使虚拟路由器达到线速转发的性能，同时提高虚拟路由器能够支持的虚拟路由器实例数量，是提高虚拟网络数据转发性能的重要技术。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种虚拟网络路由器的数据统一转发方法，将虚拟路由器实例的控制平面与数据平面分离，控制平面运行在各虚拟路由器实例内部，负责路由计算；数据平面则转移至虚拟路由器内核中，各虚拟路由器实例的数据平面在虚拟路由器设备底层构成一个数据统一转发引擎，由该统一转发引擎负责将各虚拟路由器实例的转发表组织并压缩为一个共享转发表，并以此为依据负责本虚拟路由器节点上所有实例的数据转发。

各虚拟路由器实例的控制平面运行路由协议，动态生成转发表项，并将转发表发送至所述数据统一转发引擎。

所述数据统一转发引擎可视为原各虚拟路由器实例中数据平面的集合，具备普通数据平面的所有功能，如分组分类、路由查找、IP头校验、分组封装解封装等，它负责为虚拟路由器上所有的虚拟路由器实例提供统一的数据转发服务，其转发依据为引擎中路由查找模块的共享转发表。各虚拟路由器实例的控制平面分别运行各自的路由协议并生成转发表，这些转发表信息通过虚拟路由器实例与统一转发引擎间的通信被定期发送给统一转发引擎，在引擎中被组织为共享转发表，这样就可以将原来多个数据平面的转发表信息整合到一个统一转发引擎中。

通过构建trie树对各虚拟路由器实例的转发表前缀进行统一索引，可以将多个虚拟路由器实例的转发表组织成一个共享转发表。共享转发表结构由trie树、共享索引表和各虚拟路由器实例的转发表三部分组成。其中trie树用于组织各虚拟路由器实例转发表的地址前缀。包含有效前缀信息的trie树结点将指向一个共享索引表，该共享索引表将各虚拟路由器实例的编号作为关键字，来索引该前缀结点在对应的虚拟路由器实例转发表中的位置。

当各虚拟路由器实例均采用IP网络时，trie树用于组织各虚拟路由器实例转发表的IP地址前缀，它采用级压缩的方式，每个节点包含2ⁿ个分支，其中1≤n≤32，能够表示IP地址中的n比特位；trie树每个包含有效前缀信息（即前缀出现在任意一个虚拟路由器实例的转发表中）的结点都指向一个共享索引表，共享索引表将各虚拟路由器实例的编号作为关键字，来索引该trie树结点所代表的前缀在对应的虚拟路由器实例转发表中的位置，各虚拟路由器实例的转发表对普通的路由器转发表进行了扩展，在表项中增加了下一跳虚拟链路的起点与终点信息。

当有虚拟网络上的数据分组到达虚拟路由器设备时，进行如下操作：

a)从物理网卡上获取数据报文并解封装，取得内部的虚拟网络数据分组；

b)以虚拟网络数据分组对应的虚拟路由器实例编号及目的地址字段为依据，在所述数据统一转发引擎的路由查找模块内进行路由查找；

c)查找结束后，数据分组分三类处理：如果数据分组的目的地址为各虚拟路由器实例，将其经虚拟交换机递交给相应的虚拟路由器实例；如果数据分组的目的地址为设备的主机地址，则将数据分组上交给传输层处理；对于需要转发的虚拟网络数据分组，则根据路由查找结果对数据分组进行IP封装后，将其经物理网卡发送至下一跳虚拟路由器实例。

所述路由查找模块是数据统一转发引擎的核心，主要包含三类功能：1）建立共享转发表，作为各虚拟网络数据分组进行路由查找的依据；2）与引擎内其它模块交互，获取各虚拟路由器实例转发表以及虚拟网络数据分组等信息；3）对共享转发表进行操作，如添加一条转发表项、删除一条转发表项、对共享转发表进行路由查找等。

与现有技术相比，本发明虚拟网络路由器的统一转发避免了虚拟网络分组从虚拟路由器物理接口定向到虚拟接口以进入虚拟路由器实例，在实例中完成路由查找后再从虚拟接口定向到物理接口以进入物理网络的过程，降低了转发开销。基于共享转发表的统一路由查找节省了转发表存储空间，提高了路由查找效率。此外，统一转发技术减轻了虚拟路由器实例维护数据平面的负担，使其能将资源集中用于控制平面协议的运行与维护，同时也在一定程度上避免了各虚拟路由器实例过大的任务计算量对数据转发造成的干扰，对于提高虚拟网络数据转发的高效性和稳定性具有重要意义。

附图说明

图1为统一转发技术适用的典型虚拟网络环境。

图2为支持统一转发引擎的虚拟路由器结构，虚线箭头所指为虚拟网络数据传输路线，实线箭头所指为转发表信息传输路线。

图3为共享转发表结构。

图4为采用统一转发技术的虚拟网络示例。

图5为图4中的虚拟网络分组发送流程。

图6为图4中的VR1共享转发表。

图7为图4中的VR2共享转发表。

图8为图4中的VR3共享转发表。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明一种虚拟网络路由器的数据统一转发方法，主要是将虚拟路由器实例的控制平面与数据平面分离，控制平面运行在各虚拟路由器实例内部，负责路由计算；数据平面则转移至虚拟路由器内核中，各虚拟路由器实例的数据平面在虚拟路由器设备底层构成一个数据统一转发引擎，统一转发引擎负责将各虚拟路由器实例的转发表组织并压缩为一个共享转发表，并以此为依据负责本虚拟路由器节点上所有实例的数据转发。支持统一转发引擎的虚拟路由器结构如图2所示。

具体来说，本技术的实施步骤如下：

（1）各虚拟路由器实例的控制平面运行路由协议，动态生成转发表项，并通过一定的通信机制将转发表发送至数据统一转发引擎；

（2）数据统一转发引擎负责将各实例的转发表组织成一个共享转发表；

（3）当有虚拟网络上的数据分组到达虚拟路由器设备时，进行如下操作：

a）从物理网卡上获取数据报文并解封装，取得内部的虚拟网络数据分组；

b）以虚拟网络分组对应的虚拟路由器实例编号及分组的目的地址字段为依据，在统一转发引擎的路由查找模块内进行路由查找；

c）查找结束后，分组分三类处理：如果分组的目的地址为各虚拟路由器实例，将其经虚拟交换机递交给相应的虚拟路由器实例；如果分组的目的地址为设备的主机地址，则将分组上交给传输层处理；对于需要转发的虚拟网络分组，则根据路由查找结果对分组进行IP封装后，将其经物理网卡发送至下一跳虚拟路由器实例。

本发明中，共享转发表的组织技术说明如下：

构建共享转发表的关键是各虚拟路由器实例的转发表。这些转发表由各虚拟路由器实例中运行的路由协议动态生成，转发表的大小、结构取决于其所属虚拟网络的规模及所采用的路由协议。当各虚拟网络采用相同的网络层协议时，可以将这些转发表组织成一个共享转发表，实现对各转发表的统一索引。共享转发表结构由三部分组成，分别是trie树，共享索引表和各虚拟路由器实例的转发表，如图3所示。以IP网络为例，Trie树用于组织各虚拟路由器实例转发表的IP地址前缀，它采用级压缩的方式，每个节点包含2ⁿ个分支（1≤n≤32），可以表示IP地址中的n比特位。Trie树结点上的每个分支都指向一个共享索引表。共享索引表将各虚拟路由器实例的编号作为关键字，来索引该trie树前缀分支在对应的虚拟路由器实例转发表中的位置。各虚拟路由器实例的转发表对普通的路由器转发表进行了扩展，在表项中增加了下一跳虚拟链路的起点与终点信息。

下面以如图4所示的采用统一转发技术的小型虚拟网络环境对本发明进行详细说明。该环境中，三台虚拟路由器设备VR1、VR2和VR3分别通过三台物理路由器设备R1、R2和R3接入物理网络。每台虚拟路由器设备上均支持两个虚拟路由器实例（图4中VRI1、VRI2），VR1上的VRI1、VR2上的VRI2以及VR3上的VRI1间通过隧道封装技术建立虚拟链路，形成虚拟网络VNet1；VR1上的VRI2、VR2上的VRI1以及VR3上的VRI2间通过隧道封装技术建立虚拟链路，形成虚拟网络VNet2。PC1和PC2为VNet1上的用户终端，分别通过VR1上的VRI1、VR3上的VRI1接入虚拟网络VNet1进行通信。以PC1向PC2发送数据分组为例，从虚拟网络的视角看，分组从PC1发出后，依次被转发至VR1上的VRI1、VR2上的VRI2、VR3上的VRI1，最终到达PC2。PC2的响应分组则沿相同路径反方向到达PC1。由于VR1、VR2和VR3均部署了数据统一转发引擎，所以能代替VRI1、VRI2和VRI3为两台PC间的通信提供数据转发服务。

图4中PC1向PC2发送分组的具体流程如图5所示。首先，PC1向VR1发送一个虚拟网络分组（图5分组①），VR1从物理网卡上接收到分组后，根据分组目的地址7.0.0.2和虚拟路由器实例编号1查找VR1共享转发表，如图6所示，先自上而下遍历trie树，找到与7.0.0.2匹配的有索引的最长前缀为7.0.0.0/24，由此查找对应的共享索引表，得知此前缀在VRI1转发表中的位置，从而获得下一跳所经虚拟链路的起点地址2.0.0.2和终点地址4.0.0.2。之后，VR1对此虚拟网络分组进行封装，将封装头的源地址设为虚拟链路的起始地址，目的地址设为虚链路的终点地址，并更新TTL值和校验和。接着，内核更新缓存分组的MAC地址信息，将封装后分组（图5分组②）直接从物理网卡上发送出去。封装后分组经物理路由器R1与R2转发到达VR2，VR2将分组解封装，从封装头的目的地址得到虚拟路由器实例的编号为2，然后根据内部虚拟网络分组的目的地址7.0.0.2和虚拟路由器实例编号2以同样的方式查找VR2共享转发表，如图7所示，得到下一跳所经虚拟链路信息并重新封装虚拟网络分组，封装头的源地址和目的地址分别设为4.0.0.2和6.0.0.2（图5分组③）。封装分组从VR2发出后经R2、R3到达VR3，VR3将分组解封装后，根据内部虚拟网络分组的目的地址7.0.0.2和从封装头目的地址得到的虚拟路由器实例编号1查找VR3共享转发表，如图8所示，发现PC2与自己处于同一网段，因此直接将虚拟网络分组发送至PC2（图5分组④）。这样就完成了虚拟网络分组从PC1至PC2的传输。

Claims (7)

1.一种虚拟网络路由器的数据统一转发方法，其特征在于，将虚拟路由器实例的控制平面与数据平面分离，控制平面运行在各虚拟路由器实例内部，负责路由计算；数据平面则转移至虚拟路由器内核中，各虚拟路由器实例的数据平面在虚拟路由器设备底层构成一个数据统一转发引擎，由该统一转发引擎负责将各虚拟路由器实例的转发表组织并压缩为一个共享转发表，并以此为依据负责本虚拟路由器节点上所有实例的数据转发。

2.根据权利要求1所述的虚拟网络路由器的数据统一转发方法，其特征在于，各虚拟路由器实例的控制平面运行路由协议，动态生成转发表项，并将转发表发送至所述数据统一转发引擎。

3.根据权利要求1所述的虚拟网络路由器的数据统一转发方法，其特征在于，所述数据统一转发引擎可视为原各虚拟路由器实例中数据平面的集合，具备普通数据平面的所有功能，它负责为虚拟路由器上所有的虚拟路由器实例提供统一的数据转发服务，其转发依据为引擎中路由查找模块的共享转发表；各虚拟路由器实例的控制平面分别运行各自的路由协议并生成转发表，各转发表信息通过虚拟路由器实例与数据统一转发引擎间的通信被定期发送给数据统一转发引擎，在引擎中被组织为共享转发表，从而将原来多个数据平面的转发表信息整合到一个数据统一转发引擎中。

4.根据权利要求1所述的虚拟网络路由器的数据统一转发方法，其特征在于，通过构建trie树对各虚拟路由器实例的转发表前缀进行统一索引，从而将多个虚拟路由器实例的转发表组织成一个共享转发表，共享转发表结构由trie树、共享索引表和各虚拟路由器实例的转发表三部分组成，其中trie树用于组织各虚拟路由器实例转发表的地址前缀，包含有效前缀信息的trie树结点将指向一个共享索引表，该共享索引表将各虚拟路由器实例的编号作为关键字，来索引该前缀结点在对应的虚拟路由器实例转发表中的位置。

5.根据权利要求4所述的虚拟网络路由器的数据统一转发方法，其特征在于，当各虚拟路由器实例均采用IP网络时，trie树用于组织各虚拟路由器实例转发表的IP地址前缀，它采用级压缩的方式，每个节点包含2ⁿ个分支，其中1≤n≤32，能够表示IP地址中的n比特位；trie树每个包含有效前缀信息的结点都指向一个共享索引表，共享索引表将各虚拟路由器实例的编号作为关键字，来索引该trie树结点所代表的前缀在对应的虚拟路由器实例转发表中的位置，各虚拟路由器实例的转发表对普通的路由器转发表进行了扩展，在表项中增加了下一跳虚拟链路的起点与终点信息。

6.根据权利要求1所述的虚拟网络路由器的数据统一转发方法，其特征在于，当有虚拟网络上的数据分组到达虚拟路由器设备时，进行如下操作：

a)从物理网卡上获取数据报文并解封装，取得内部的虚拟网络数据分组；

b)以虚拟网络数据分组对应的虚拟路由器实例编号及目的地址字段为依据，在所述数据统一转发引擎的路由查找模块内进行路由查找；

c)查找结束后，数据分组分三类处理：如果数据分组的目的地址为各虚拟路由器实例，将其经虚拟交换机递交给相应的虚拟路由器实例；如果数据分组的目的地址为设备的主机地址，则将数据分组上交给传输层处理；对于需要转发的虚拟网络数据分组，则根据路由查找结果对数据分组进行IP封装后，将其经物理网卡发送至下一跳虚拟路由器实例。

7.根据权利要求6所述的虚拟网络路由器的数据统一转发方法，其特征在于，所述路由查找模块是数据统一转发引擎的核心，用于建立共享转发表，作为各虚拟网络数据分组进行路由查找的依据，与引擎内其它模块交互，获取各虚拟路由器实例信息，并对共享转发表进行操作。

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