CN103501280A

CN103501280A - 一种多层虚拟覆盖网络接入方法

Info

Publication number: CN103501280A
Application number: CN201310412790.XA
Authority: CN
Inventors: 廖丹; 赵立旺; 许都; 虞红芳; 孙罡
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China; Institute of Electronic and Information Engineering of Dongguan UESTC
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China; Institute of Electronic and Information Engineering of Dongguan UESTC
Priority date: 2013-09-12
Filing date: 2013-09-12
Publication date: 2014-01-08

Abstract

本发明公开了一种多层虚拟覆盖网络接入方法，接入交换节点从来自源用户的数据包提取出流匹配项与本地流表进行匹配，当存在匹配的流表项时则按对应的转发规则进行转发，如果不存在匹配的流表项，接入交换节点则向资源全局控制器上报数据包，资源全局控制器计算源用户到目的用户的物理路径，并设置该物理路径的带宽，向该物理路径上除目的用户外的所有交换节点下发流表项，建立源用户应用到目的用户应用的虚拟路径。本发明通过流表将传统的只能在应用层构建的虚拟覆盖网络在OSI7层模型的底层网络中实现，可以提供灵活的组网方式，为不同的应用建立不同的虚拟网络，实现虚拟网络的隔离，还可配合资源全局控制策略对网络物理资源进行分配和控制。

Description

一种多层虚拟覆盖网络接入方法

技术领域

本发明属于虚拟覆盖网络接入领域，更为具体地讲，涉及一种多层虚拟覆盖网络接入方法。

背景技术

接入网是指主干网络到用户终端之间的所有设备，其长度一般为几百米到几公里，因而被形象地成为“最后一公里”。现有网络接入方法的基本接入单位是用户，利用OSI（Open System Interconnect，开放式***互联）7层协议模型的应用层承载用户业务，将用户业务层层封装最后转发到核心主干网络中或进行本地内部转发。在OSI7层模型中的底层实现中，它们使用各自的技术来转发数据。

在接入网的数据链路层经常使用生成树协议和VLAN（Virtual Local AreaNetwork，虚拟局域网）技术来搭建二层网络，最终实现组建虚拟工作组的目的。生成树协议可以避免环路。VLAN技术是在交换局域网的基础上，采用网络管理软件组建的可跨越不同网段、不同网络的端到端的逻辑网络。一个VLAN组成一个逻辑子网，即一个逻辑广播域，它可以覆盖多个网络设备，允许处于不同地理位置的网络用户加入到一个逻辑子网中。

在接入网的网络层使用目的IP寻址方式完成网络层数据的转发。在网络层通过划分子网的方式来限制路由信息的无限制增长，同一子网的用户可以相互通信。而不同子网的用户通信需要使用三层路由设备进行数据转发。在接入网中经常使用默认路由、路由器协议交换等方式实现用户与用户、接入网到核心主干网的数据交换。

应用层各种网络服务往往是通过搭建覆盖网络（Overlay Network）实现。覆盖网络直接面向应用层用户，不考虑或很少考虑网络层和物理层的问题。覆盖网络的建立会改变底层网络的某些特性，实现底层网络的不能提供的网络服务。在覆盖网络中直接相连的两个节点，它们是逻辑上或虚拟的直接相连，这种虚拟连接可能对应着物理网络中的多条链路。

覆盖网络的组网方式多种多样，由于网络用户对服务的多样化需求，导致了不同种类的应用服务。这些应用服务在应用层被抽象为多种覆盖网络。覆盖网络的多样化造成了网络节点之间的连接关系的不同，它们或许属于从属关系，或许属于平等关系，或许属于其它关系。

现有覆盖网络的典型网络拓扑模型包括星型、树型、MESH（网格）型。图1是星型网络拓扑示意图。如图1所示，使用这种模型的应用服务是中心节点为处于边界的节点提供统一的服务，处于四周边界的节点之间没有交互的必要，它们只与中心节点交流，中心为边界节点提供数据服务或数据交换。图2是树型网络拓扑示意图。如图2所示，这种网络模型是一种分级的集中控制式网络，网络节点易于扩充，寻找路径比较方便。从一个站点传输的数据会被其他所有站点接收，适用于应用层组播应用。图3是MESH型网络拓扑示意图。如图3所示，节点之间需要全互连的应用需要用到这种网络模型，每两个节点之间都有直接的相连，可以直接进行交互。覆盖网络对网络拓扑中的节点有不同的处理能力、转发能力要求，一般越处于集中的位置能力要求越高，越处于边界的位置要求越低。如上面的星型网络拓扑中心节点需要高带宽、高网络转发能力；而MESH型网络拓扑中节点都处于相同位置，它们对网络处理能力要求相当。

虽然覆盖网络可以根据自己的需要建立虚拟网络拓扑，但是这种虚拟网络只是应用层网络。按照OSI7层网络模型自上而下的机制，应用层无法彻底改变底层网络，底层网络也无法获知应用层覆盖网络的虚拟拓扑。这就造成了如下一些问题：

A)应用层覆盖网络无法改变物理网络中的路由交换设备，这一定程度上造成了网络层的低效率。以应用层组播为例，因为它不考虑物理网络拓扑，所以应用层组播的延迟很大。

B)多个覆盖网络同时部署在某个物理网络时，有些功能在多个覆盖网络中重复出现，造成网络的冗余问题。

C)传统的应用层覆盖网络严格位于OSI7层协议模型的应用层，应用层的数据经过层层封装，到达网络层时，网络层传输的机制是使用BE（best effort）方式传输数据，当多种不同的覆盖网络同时部署在物理网络时，无法保障不同应用对交换节点的差异化要求。

除此之外，传统的接入网络覆盖相对封闭，不能满足多种接入对象的接入要求。并且当多种类型的应用部署在接入网络中时，无法做到优化配置来满足多种应用对接入网络的差异需求，不能动态调整网络，只能根据底层网络的转发规则进行数据交互，导致接入网络效率低下等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多层虚拟覆盖网络接入方法，将传统的只能在应用层构建的覆盖网络在OSI7层模型的底层网络中实现。

为实现上述发明目的，本发明多层虚拟覆盖网络接入方法，其特征在于包括以下步骤：

S1：将网络中所有交换节点与资源全局控制器连接，每个交换节点存储本地流表；

S2：接入交换节点接收来自源用户的数据包并从中提取出流匹配项，流匹配项包括用户流匹配项和应用流匹配项，根据流匹配项在接入交换节点的本地流表中进行流表项匹配，如果存在匹配的流表项，则按对应的转发规则进行转发，如果不存在匹配的流表项，交换节点将数据包转发至资源全局控制器；

S3：资源全局控制器接收交换节点转发的数据包，根据存储的物理网络资源信息，计算从源用户到目的用户的物理路径，并设置该物理路径的带宽，向该物理路径上除目的用户外的所有交换节点下发流表项，建立源用户应用到目的用户应用的虚拟路径。

其中，资源全局控制器为两个以上资源全局控制设备构成的设备群，每个资源全局控制设备各自连接有交换节点，各个资源全局控制设备的网络信息相互共享。

进一步地，资源全局控制器存储应用对应的典型虚拟覆盖网络拓扑模型，在计算从源用户到目的用户的物理路径的同时计算源用户到潜在目的用户的物理路径，向对应的所有交换节点下发流表项。

其中，典型虚拟覆盖网络拓扑模型由资源全局控制器根据历史业务中相同应用对应的用户得到。

其中，带宽根据用户身份分配。

其中，带宽根据应用的优先级或需求情况分配。

进一步地，资源全局控制器根据应用的流量统计进行网络资源控制。

进一步地，各交换节点对本地流表进行老化。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明多层虚拟覆盖网络接入方法，接入交换节点从来自源用户的数据包提取出流匹配项与本地流表进行匹配，当存在匹配的流表项时则按对应的转发规则进行转发，如果不存在匹配的流表项，接入交换节点则向资源全局控制器上报数据包，资源全局控制器计算源用户到目的用户的物理路径，并设置该物理路径的带宽，向该物理路径上除目的用户外的所有交换节点下发流表项，建立源用户应用到目的用户应用的虚拟路径。采用本发明，通过使用流表将传统的只能在应用层构建的覆盖网络在OSI7层模型的底层网络中实现。

本发明还具有以下有益效果：

（1）本发明以用户的应用对应的虚拟接入点作为基本接入单元，可以同时区分用户和应用，从而为每个不同的应用建立不同的虚拟网络，实现虚拟网络的隔离；

（2）本发明可以提供灵活的组网方式，并且建立的虚拟网络可以通过改变物理映射任意改变，可以方便地删除或新增虚拟接入点；

（3）本发明还可以配合资源全局控制策略对网络物理资源进行分配和控制，当多个虚拟网络拓扑同时部署时，可以通过全局控制的方式避免发生物理网络资源竞争，建立全局最优的选路方式，最大化利用物理网络资源。

附图说明

图1是星型网络拓扑示意图；

图2是树型网络拓扑示意图；

图3是MESH型网络拓扑示意图；

图4是流表项的结构示意图；

图5是本发明基于的接入网络的一种具体实施方式结构示意图；

图6是基于图5接入网络的星形虚拟网络的一种具体实施方式结构示意图；

图7是基于图5接入网络的MESH型虚拟网络的一种具体实施方式结构示意图；

图8是本发明中虚拟接入点位置变化示意图；

图9是虚拟网络拓扑的示例图；

图10是图9中删除虚拟接入点x_C示意图；

图11是图9中新增虚拟接入点x_E示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

为更好地对本发明进行描述，先对本发明的主要相关概念进行简单的说明：

流：一系列具有相同特征的数据包的总称，相同特征通常采用匹配项进行表征，匹配项包括：源目MAC地址、VLAN标识、源目IP地址、源目端口号甚至是上层的某些数据内容等。

流表：由多个流表项组成，每个流表项就是一个转发规则。流表存储在交换节点，进入交换节点的数据包通过查询流表来获得流处理流程。

流表项：包括流匹配项、数据统计和流处理流程。图4是流表项的结构示意图。现有技术中的流匹配项内容通常包括：流在接入控制器上的到达端口，OSI模型中的L2数据链路层、L3网络层、L4传输层。流处理流程由互不冲突的一个或多个流操作组成，流操作包括丢弃数据包、转发数据包、修改数据包头部中的L2数据链路层、L3网络层、L4传输层的内容等。流匹配项中，用来匹配用户身份的部分，称为用户流匹配项，用来匹配应用的部分，称为应用流匹配项。同一个匹配项既可以作为用户流匹配项，也可以作为应用流匹配项。可见，一条流表项对应着一个用户的一个应用。对于流技术的详细说明可参照openflow协议。

数据统计可以用于统计某个用户的一项应用所使用的流量以及匹配流表的数据量等，可以为本发明中为资源全局控制器的资源集中控制提供直观的数据支撑。同时能够结合计时功能，找到过期流表项，动态调整虚拟覆盖网络拓扑，实现物理网络资源重复利用。

本发明中使用的流处理流程主要是转发规则，包括数据转发、数据丢弃、数据上报功能。数据上报即将数据包上报给资源全局控制器，建立虚拟路径。同时转发规则还包括不同的虚拟路径的带宽配额，为物理网络资源控制提供底层实现基础。

图5是本发明基于的接入网络的一种具体实施方式结构示意图。如图5所示，本发明的接入网络中，所有交换节点与资源全局控制器连接，在实际应用中可以是直接连接也可以是间接连接。并且资源全局控制器可以为两个以上资源全局控制设备构成的设备群，每个资源全局控制设备各自连接有交换节点，各个资源全局控制设备的网络信息相互共享。网络信息包括物理网络资源信息和应用对应的典型虚拟覆盖网络拓扑模型信息等。

用户要通过某个交换节点接入虚拟网络时，该交换节点即为该用户的接入交换节点。下面以用户A通过交换节点1接入虚拟网络向用户D建立x应用的通信为例，说明本发明的具体实施过程：

S101：用户A向交换节点1发送指向用户D的x应用的数据包。

S102：交换节点1从来自用户A的数据包并从中提取出流匹配项，包括用户流匹配项和应用流匹配项，根据流匹配项在接入交换节点的本地流表中进行流表项匹配，如果存在匹配的流表项，则按对应的流处理流程进行转发；如果不存在匹配的流表项，交换节点将数据包转发至资源全局控制器。本实施方式假定此时交换节点1没有与用户D的x应用匹配的流表项，即进入步骤S103。

S103：资源全局控制器接收交换节点转发的数据包，根据存储的物理网络资源信息，计算从用户A到用户D的物理路径，并设置该物理路径的带宽，假定此时选择物理路径为“交换节点1→交换节点3→交换节点2”，带宽设置为10M，向该物理路径上的所有交换节点，即交换节点1、3下发流表项，流表项中会标记该路径所配置的带宽，建立用户A的x应用到用户D的x应用的虚拟路径，进入步骤S104。可见，在本步骤，完成了用户A的虚拟网络接入。同时，如果用户D不存在虚拟网络中，此时也会被动接入。在虚拟路径建立完成后，资源全控制器会记录下该虚拟路径信息，包括源用户应用、目的用户应用、经过的交换节点等。

S104：接入交换节点，即交换节点1，按照流表项将该数据包转发至交换节点3，交换节点3经匹配得到的流表项将数据包转发至交换节点2，交换节点2可判断得到该数据包中目的用户地址为与其连接的用户D的地址，将数据包转发至用户D，从而完成用户A的x应用到用户D的x应用的通信。

在实际应用中，资源全局控制器在下发流表项时，如果无法以现有的流匹配项内容唯一标识当前数据包对应的应用，可以从当前数据包中提取特征值作为新增流匹配项内容，也可以暂不以流表形式进行本次通信，而是采用传统的路由方法进行，同时资源全局控制器对该数据包进行统计和学习，自动提取特征值作为流匹配项内容，或提示网络管理员设置特征值作为流匹配项内容，再下发流表。

本发明中的虚拟覆盖网络模型，即虚拟网络拓扑，也包括星形、树型、MESH型。图6是基于图5接入网络的星形虚拟网络的一种具体实施方式结构示意图。如图6所示，以FTP（File Transfer Protocol，文件传输协议）应用为例，各用户只需与FTP服务器建立虚拟路径进行通信，彼此之间不需要通信，因此用户之间无需建立虚拟路径。图7是基于图5接入网络的MESH型虚拟网络的一种具体实施方式结构示意图。如图7所示，以IM（Instant Message，及时通信）应用为例，用户A、B、D、F之间需要相互通信，因此两两之间都需要建立虚拟路径。

由图6和图7所示例子可以看出，对于同一个用户，例如用户A，FTP应用和IM应用同时开启时，存在两个不同的虚拟网络拓扑，两种应用的数据会按照各自的虚拟网络拓扑进行数据传递。因此，资源全局控制器可以存储各种应用对应的典型虚拟覆盖网络拓扑模型，在计算从源用户到目的用户的物理路径的同时计算源用户到潜在目的用户的物理路径，向对应的所有交换节点下发流表项。以图7所示虚拟网络为例，如果此时用户C作为一个新用户通过接入网络向用户F发起IM通信，那么资源全局控制器从IM应用对应的虚拟网络拓扑可知用户C还有可能向用户A、B、D通信，此时资源全局控制器除计算用户C到用户F的虚拟路径外，还计算用户C到用户A、B、D的虚拟路径并下发流表项，从而一次性完成用户C的加入。虚拟覆盖网络拓扑模型可以由资源全局控制器根据历史业务中相同应用对应的用户得到，也可以由管理员通过配置文件设置。

可见，采用本发明建立虚拟网络根据应用的不同而不同，当一个用户承载多种应用时，用户将看到多条虚拟拓扑。这种虚拟覆盖网络不只是存在于应用层，它是结合底层（如网络层，数据链路层）实现的。这种多层虚拟覆盖网络的实施，能够让各个层之间相互透明，满足不同应用对网络的需求。

本发明中，因为一条流表项标识了某个用户的某个应用，因此可以直接为流表项分配物理网络资源，实现流表与物理网络资源的绑定，从而达到为不同用户或不同应用分配网络资源的目的。因此资源全局控制器在计算虚拟路径时，同时进行带宽分配控制。带宽可以根据用户身份分配，例如VIP用户的带宽可以远大于普通用户。在应用方面，可以根据应用的优先级分配带宽，也可以根据不同应用的网络资源需求情况进行分配，如文件传输应用比及时通信所占用的带宽较大。还可以将用户身份和应用二者结合起来，如VIP用户中应用x、y的带宽分别为100M、70M，普通用户中应用x、y的带宽分别为80M、30M。如图5所示，假如普通用户A与普通用户D对于应用x的虚拟路径已经建立为“交换节点→交换节点2”，占用的带宽为80M，假如此时还需要建立对于应用y的虚拟路径，所需带宽为30M，由于此时“交换节点→交换节点2”的剩余带宽不足，无法建立，资源全局控制器重新计算路径，得到“交换节点1→交换节点3→交换节点2”的虚拟路径。如果有应用z的所需带宽为10M，则可以直接沿用“交换节点→交换节点2”这条虚拟路径。可见，相同用户之间的不同应用的虚拟路径，选择的物理网络路径可以不相同。

除了对网络带宽资源使用的控制外，还能通过流量统计方式控制虚拟网络的资源使用情况。比如在接入网络资源有限的情况下，当某种P2P应用占用了太多的带宽资源，可以为P2P虚拟网络配置流量上限，当P2P应用数据流量达到这个流量上限，则为P2P虚拟网络配置更少的带宽资源。

通过资源全局管理与控制，可以保障各项应用都获得适合应用的网络资源。同时在选路时，可以通过集中式的资源控制方式得到全局最优的选路方法，保障多种虚拟网络拓扑同时部署时，不会造成物理网络资源的冲突使用。

本发明中，各交换节点还可以对本地存储的流表进行维护，如老化，即如果某个流表项在预定时间内统计信息没有发生变化时，将该流表项删除，以减少流表冗余。

在本发明中，一个流表项即为一个虚拟接入点，虚拟网络中的节点就对应着一个个虚拟接入点。当用户的物理位置发生改变时，虚拟网络中虚拟接入点的相对位置并没有发生改变。图8是本发明中虚拟接入点位置变化示意图。如图8所示，x_A、x_B、x_C对应着3个用户的相同一种x应用，其虚拟网络拓扑为MESH型，当用户C物理位置发生变化时，这三个虚拟接入点在虚拟拓扑中的相对位置并没有发生变化，变化的只是物理交换节点上面的映射配置。这样可以做到应用数据的不间断传输，使得应用数据传输不用考虑底层物理拓扑的改变。这种方式很适用于传感器自组织网络和无线网络等用户经常移动的环境。

图9是虚拟网络拓扑的示例图。如图9所示，该虚拟网络为MESH型，用户A、B、C、D启动x应用时，在物理交换节点上面做相应的映射配置，产生虚拟接入点信息，并为虚拟接入点启动统计为虚拟接入点的数据传输进行统计计数。

图10是图9中删除虚拟接入点x_C示意图。如图10所示，用户C退出虚拟网络，用户C与用户A、B、D的虚拟路径中的交换节点监测到关于用户C的应用x的流表项中的统计信息在预定时间内没有改变，则删除与用户C的x应用匹配的流表项。删除可以采用两种方式，一种是各交换节点各自监测统计信息，满足删除条件时自行删除；另一种是各交换节点监测到统计信息满足删除条件后，将删除请求上报给资源全局控制器，资源全局控制器判断该流表项对应虚拟路径中的其他交换节点在是否也上报了删除请求，可以存在一定的时间差，如果都上报，则对各交换节点下发删除命令，否则下发不予删除命令。第二种方式可以减少一些由于时间差带来的误操作。

图11是图9中新增虚拟接入点x_E示意图。如图11所示，当有新的用户E启动x应用时，资源全局控制器按照x应用对应的虚拟网络拓扑，向目的用户和其他潜在目的用户计算虚拟路径并向相关交换节点下发流表项，快速地在虚拟网络拓扑中添加虚拟接入点x_E。

本发明可以根据应用特点提供灵活的虚拟网络组网方式，动态灵活地构建虚拟网络，并且可以及时剔除老化的虚拟网络拓扑，回收其占用的物理网络资源，为新加入的接入对象分配物理网络资源，使得物理网络资源能够被重复利用，提高了物理网络资源利用率。除此之外，全局虚拟网路的构建方式，还能在虚拟网络不发生改变的前提下，动态调整流表在交换节点上面的配置，达到改变虚拟网络拓扑与物理网络拓扑映射关系的目的。

本发明使用流表隔离应用的方式，对不同应用区分服务提供了便利的方式，通过在交换节点上面做转发规则的配置，可以提供不同网络资源保障的服务。

采用本发明提供的网络接入方法，在网络资源利用率、服务质量保障、服务公平性等方面都有很大的提升效果。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims

1.一种多层虚拟覆盖网络接入方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的多层虚拟覆盖网络接入方法，其特征在于，所述资源全局控制器为两个以上资源全局控制设备构成的设备群，每个资源全局控制设备各自连接有交换节点，各个资源全局控制设备的网络信息相互共享。

3.根据权利要求1所述的多层虚拟覆盖网络接入方法，其特征在于，所述资源全局控制器存储应用对应的典型虚拟覆盖网络拓扑模型，在计算从源用户到目的用户的物理路径的同时计算源用户到潜在目的用户的物理路径，向对应的所有交换节点下发流表项。

4.根据权利要求3所述的多层虚拟覆盖网络接入方法，其特征在于，所述典型虚拟覆盖网络拓扑模型由资源全局控制器根据历史业务中相同应用对应的用户得到。

5.根据权利要求1所述的多层虚拟覆盖网络接入方法，其特征在于，所述带宽根据用户身份分配。

6.根据权利要求1所述的多层虚拟覆盖网络接入方法，其特征在于，所述带宽根据应用的优先级或需求情况分配。

7.根据权利要求1所述的多层虚拟覆盖网络接入方法，其特征在于，所述资源全局控制器根据应用的流量统计进行网络资源控制。

8.根据权利要求1所述的多层虚拟覆盖网络接入方法，其特征在于，所述各交换节点对本地流表进行老化。