CN105915419A - 一种基于sdn的无线接入控制器部署方法 - Google Patents

一种基于sdn的无线接入控制器部署方法 Download PDF

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路兆铭
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王鲁晗
刘唯毓
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Abstract

本发明公开了一种基于SDN的无线接入控制器部署方法，属于无线通信网络技术领域。所述部署方法中多个接入网域控制器负责处理与之直接相连的基站或接入点的流表建立或者更新请求；全局控制器运行于云平台之上负责构建基于事件的发布和订阅***，并与每个接入网域控制器相连共同构成物理上分布、逻辑上集中的无线接入控制器部署架构。接入网域控制器通过北向协议与运行在接入网域控制器上的管理应用进行通信，通过南向协议与底层数据面进行通信。本发明既克服了传统的单控制器集中控制存在的处理并发请求的时延问题，也保留了SDN的集中控制的思想带来的优点；本发明能够进行全局的优化调度；该部署方法具有很好的可扩展性和健壮性。

Description

一种基于SDN的无线接入控制器部署方法
技术领域
本发明属于无线通信网络技术领域，涉及基于SDN的新型异构无线网络、移动性管理、网络架构等，具体涉及一种基于软件定义网络(SDN)的无线接入控制器的部署方法，应用于异构无线接入网络中。
背景技术
随着终端硬件计算能力的不断提升以及终端能力的逐步开放，各种终端应用呈现爆发式的增长，网络流量也呈现指数式增长。然而，无线接入网络却仍然处于十分封闭的状态，控制逻辑和数据转发紧密地耦合在网络设备中，对网络的管理和升级需要对网络设备和协议进行复杂的配置和操作，封闭的无线接入网络和泛在化的业务之间产生了一个巨大的矛盾。与此同时，多种无线网络共同部署为用户提供了多种接入方式选择，但是，各种无线接入网络之间缺乏高效的协作以及一致性网络资源管理和调度。因此，需要在不同无线接入网络之间建立统一的网络管理平台，实现异构接入网络之间的高效协作和管理。
软件定义网络(SDN)为异构无线网络融合及管理提供了新的方法，通过将SDN的理念引入到无线接入网络中，将网络设备的控制功能和数据转发分离，抽象无线网络资源，构建基于通用平台的数据面和集中管理的控制面，能够有效地解决现在无线接入网络面临的问题，实现无线接入网络能力的开放以及异构无线网络的统一管理。
在基于SDN的无线网络部署过程中，主要涉及控制面与数据面功能的分离、控制器架构设计、控制面与数据面设备选型等流程，其中，设计一种高效的控制器部署架构尤为重要。传统的SDN控制器架构是一种完全集中式的部署架构，由统一的集中控制器负责处理底层数据面设备的流表配置请求，然而这种控制器架构存在可扩展性、处理并发请求时延方面的瓶颈(见参考文献[1]：Yeganeh,S.H.,et al.On Scalability of Software-DefinedNetworking.Communications Magazine,2013,IEEE.)，主要原因有：(1)单一的控制器应用于大规模网络之中时，难以找到一个合适的部署位置，不能满足所有底层数据面设备与控制器间的时延要求；(2)单一控制器在处理大规模数据面设备并发请求时，因硬件处理能力的限制，可能无法满足网络需求。也有研究人员提出了改进型的分布式SDN架构，比如Nicira公司提出一种SDN部署架构Fabric(见参考文献[2]:Casado,M.,et al.Fabric:a retrospective on evolving SDN.in Proceedings of the first workshop on Hot topicsin software defined networks.2012.ACM),该架构中将数据面分为边缘转发设备和Fabric转发设备，并用不同的控制器分别进行控制，Fabric控制器只负责制定核心数据转发策略，而边缘控制器制定更多具体的控制策略。这种控制器部署方法一定程度上避免了可扩展性和处理时延方面的问题，但是控制器没有网络的全局视图，降低了SDN的集中式控制带来的优势。
发明内容
本发明提供的基于SDN的无线接入控制器部署方法，基于SDN的基本思想，通过将无线接入网中的控制与数据转发功能分离。所述的无线接入控制器包括一个全局控制器和多个接入网域控制器的部署，所述接入网域控制器连接异构的无线接入网络数据面的基站或接入点，并负责处理与其直接相连的数据面发起的请求；每个接入网域控制器可以通过与其他接入网域控制器进行通信的方式间接地询问和管理不与之直接相连的数据面基站或接入点；所述全局控制器运行在云平台之上，负责组建基于事件的发布和订阅***，接入网域控制器通过该发布和订阅***更新所控制区域的***状态；全局控制器从接入网域控制器获取网络的负载信息和流量信息并构建全网的网络视图，并定期的下发给接入网域控制器。
本发明避免了采用单一接入网域控制器对无线接入网络进行控制的局限性，而且通过每个接入网域控制器为每个用户流提供本地服务，可以有效减少跨域流量的产生，降低了处理时延，同时全局控制器构建并下发全网的网络视图，能够实现负载均衡和全网资源优化。
本发明提供的一种基于SDN的无线接入控制器部署方法，包括以下步骤：
步骤1：多个接入网域控制器组成物理上分布式的异构无线接入网的底层控制面，并且每个接入网域控制器负责处理与之直接相连的基站或接入点的流表建立或者更新请求。
步骤2：全局控制器运行于云平台之上负责构建基于事件的发布和订阅***，并与每个接入网域控制器相连共同构成物理上分布、逻辑上集中的无线接入控制器部署架构。
步骤3：全局控制器及其所构建的发布和订阅***与底层接入网域控制器之间通过特定的接口进行通信，获取各个接入网域控制器的负载信息和流量信息来构建全网的网络视图。
步骤4：接入网域控制器通过北向协议与运行在接入网域控制器上的管理应用进行通信，通过南向协议与由基站或接入点的转发设备组成的底层数据面进行通信。
所述的每个接入网域控制器上都运行相同的管理应用，所述的管理应用包含状态感知模块、资源抽象模块和多个接入网管理应用。状态感知模块负责感知由基站或接入点组成的无线接入网络的状态信息，资源抽象模块负责将异构无线网络资源抽象为便于统一管理的虚拟资源格式的抽象异构无线资源信息，接入网域控制器上的管理应用通过北向协议可以获取无线接入网络的状态信息和抽象异构无线资源信息，并制定控制策略。
所述无线接入网络的状态信息包含负载信息、用户位置信息和流量信息，接入网域控制器根据这些状态信息制定的控制策略包含负载均衡策略、移动性管理策略、节能策略中、QoS保障策略、异构网络资源分配策略中的至少一种。
多个接入网域控制器通过全局控制器构建的发布和订阅***进行通信，并选择性的发布能够改变所控制区域***状态的重要事件，来使每个接入网域控制器的状态实现更新，每个接入网域控制器都具有全网的网络视图。
每个接入网域控制器只直接控制与之邻近并直接相连的基站或接入点，并能够通过发布和订阅***间接地询问和管理其他基站或接入点，一旦出现接入网域控制器故障，受影响的基站或接入点可以通过特定的接口进行重配置从而与相邻的活跃的接入网域控制器建立连接。
所述步骤2中，全局控制器构建发布和订阅***的方法为：
步骤21：全局控制器将已经发布的控制指令永久性存储于位于云平台上的数据中心，并且对同一接入网域控制器发布的控制指令进行排序和分类存储，因此具有对网络进行分割和故障恢复的能力。
步骤22：该发布和订阅***通过三个信道来进行控制指令的传输：应用消息信道、状态消息信道、控制器专有信道。所有全局控制器和接入网域控制器都能够向所述三个信道发布事件消息和控制消息并从上述三个信道接收订阅事件消息和控制消息，每个接入网域控制器将一般的与之直接相连的本地网络和应用的事件消息发布到应用消息信道；每个接入网域控制器拥有各自的控制器专有信道，对于某个特定控制器的事件消息和控制消息发布在相应控制器专有信道；此外，每个接入网域控制器必须周期性地将自己的状态信息发布于状态消息信道以保证新接入的接入网域控制器的检测和故障的识别。
步骤23：接入网域控制器的接入控制和故障检测和处理由所述的发布和订阅***来完成。若存在一个新的接入网域控制器接入或者当前某一个接入网域控制器发生故障，全局控制器会在控制器专有信道检测到该事件消息，通知所有接入网域控制器，并通过特定的接口将发生故障的接入网域控制器所控制的基站或接入点转由相邻的接入网域控制器进行管理。
所述步骤3中，全局控制器根据接入网域控制器上传的状态信息构建全局的网络视图，并基于此制定负载均衡和资源优化策略，下发所述的负载均衡和资源优化策略到接入网域控制器；所述接入网域控制器根据全局控制器下发的所述的负载均衡和资源优化策略对所控制的基站或接入点的业务进行调整，所述调整包含下面操作中的一种：创建、删除、查询、修改。
本发明一种基于SDN的无线接入控制器部署方法的优点在于：
(1)本发明采用了物理上分布、逻辑上集中的两层控制器架构。既克服了传统的单控制器集中控制存在的处理并发请求的时延问题，也保留了SDN的集中控制的思想带来的优点，该控制器部署方法能够进行全局的优化调度；
(2)本发明中的全局控制器负责构建和维护基于事件的发布和订阅***，并构建全网的网络视图下发至底层接入网域控制器。该部署方法具有很好的可扩展性和健壮性，当有新的接入网域控制器接入网络或某个接入网域控制器出现故障时，其他控制器会通过订阅和发布***检测到状态信息，并进行状态更新；
(3)本发明中全局控制器所构建的发布和订阅***采用应用消息信道、状态消息信道、控制器专有信道这三个特定的信道来传送不同的事件消息，保证了全局控制器和接入网域控制器对***状态的准确实时的监测，使整个无线接入网络***具有很高的可靠性；
(4)本发明中的接入网域控制器具有网络状态感知模块和异构资源抽象模块，并运行多种管理应用来实现网络控制。网络状态感知模块能够感知多连接的无线局域网络的实时状态并发布到全局控制器，异构资源抽象模块将异构无线资源抽象成为统一格式的虚拟资源，因此接入网域控制器能够实现对异构无线网络的统一管理。
附图说明
图1为本发明基于SDN的无线接入网络控制器部署架构示意图；
图2为本发明中数据面设备流表配置流程图；
具体实施方式
本发明提供一种基于SDN的无线接入控制器部署方法。该部署方法基于SDN的基本思想，通过将无线接入网中的控制与数据转发功能分离，所述的无线接入控制器包括一个全局控制器和多个接入网域控制器。所述全局控制器运行于云平台之上，负责组建基于事件的发布和订阅***，接入网域控制器通过该发布和订阅***更新所控制区域的***状态；全局控制器从接入网域控制器获取网络的负载信息和流量信息并构建全网的网络视图，并定期的下发给接入网域控制器。
本发明避免了采用单一接入网控制器对网络进行控制的局限性，而且通过每个接入网域控制器为每个用户流提供本地服务，可以有效减少跨域流量的产生，降低了处理时延，同时全局控制器构建并下发全网的网络视图，能够实现负载均衡和全网资源优化。
本发明提供的一种基于SDN的无线接入控制器部署方法，分以下步骤：
步骤1：多个接入网域控制器组成物理上分布式的异构无线接入网的底层控制面，并且每个接入网域控制器负责处理与之直接相连的基站或接入点的流表建立或者更新请求；
所述接入网域控制器作为整个部署架构的底层控制面，与之相连的基站或接入点作为负责数据转发的底层数据面；
步骤2：全局控制器运行于云平台之上，负责构建基于事件的发布和订阅***，并与每个接入网域控制器相连共同构成物理上分布、逻辑上集中的无线接入控制器部署架构；
步骤3：全局控制器及其所构建的发布和订阅***与底层接入网域控制器之间通过特定的接口进行通信，获取各个接入网域控制器的负载信息和流量信息等来构建全网的网络视图；
步骤4：接入网域控制器通过北向协议与运行于它上面的管理应用进行通信，通过南向协议与底层数据面进行通信；
所述步骤1中，每个接入网域控制器都运行相同的管理应用，包含状态感知模块、资源抽象模块、以及多个接入网管理应用。状态感知模块负责感知底层异构接入网络的状态信息，资源抽象模块负责将异构无线网络资源抽象为便于统一管理的虚拟资源格式，上层管理应用通过北向协议可以获取无线接入网络的状态信息和抽象异构无线资源信息，并制定控制策略；
所述状态信息包含负载信息、用户位置信息、流量信息，接入网域控制器根据这些状态信息制定的控制策略包含负载均衡策略、移动性管理策略、节能策略中、QoS保障策略、异构网络资源分配策略中的至少一种；
所述步骤1中，多个接入网域控制器通过全局控制器构建的发布和订阅***进行通信，并选择性的发布能够改变***状态的重要事件，来使每个接入网域控制器的状态实现更新，每个接入网域控制器都具有全网的网络视图；
所述步骤1中，每个接入网域控制器只直接控制与之邻近并直接相连的基站或接入点，并能够通过发布和订阅***间接地询问和管理其他基站或接入点，一旦出现控制器故障，受影响的基站或接入点可以通过特定的接口进行重配置从而与相邻的活跃的接入网域控制器建立连接；
所述步骤2中，全局控制器构建发布和订阅***的方法为：
步骤21：将已经发布的控制指令永久性存储于位于云服务器上的数据中心，并且对同一控制器发布的指令进行排序和分类存储，因此具有对网络进行分割和故障恢复的能力；
步骤22：该发布和订阅***通过三个信道来进行控制消息的传输：应用消息信道、状态消息信道、控制器专有信道。所有控制器都能够向所述三个信道发布消息并从上述三个信道接收订阅消息，每个接入网域控制器将一般的与之直接相连的本地网络和应用的事件消息发布到应用消息信道；每个控制器拥有各自的控制器专有信道，对于某个特定控制器的事件消息和控制消息发布在相应控制器专有信道；此外，每个接入网域控制器必须周期性地将自己的状态信息发布于控制信道以保证新接入的域控制器的检测和故障的识别；
步骤23：接入网域控制器的接入控制和故障检测和处理由发布和订阅***来完成。若存在一个事件消息，如新的接入网域控制器接入或者某一个接入网域控制器发生故障，该发布和订阅***会在控制信道检测到该事件消息，并通知所有接入网域控制器，并通过特定接口将发生故障的接入网域控制器所控制的基站或接入点转由相邻的接入网域控制器进行管理；
所述步骤3中，全局控制器根据接入网域控制器上传的状态信息构建全网网络视图，并基于此制定负载均衡和资源优化策略，下发全网的网络视图和所述的负载均衡和资源优化策略到接入网域控制器；所述接入网域控制器根据全局控制器下发的全网的网络视图和所述的负载均衡和资源优化策略对所控制的基站或接入点的业务进行调整，所述调整包含下面操作中的一种：创建、删除、查询、修改。
以下为本发明的具体实施例。
图1是本发明基于SDN的无线接入网络控制器部署架构，采用了物理上分布式的接入网域控制器和位于云平台的全局控制器共同组成逻辑集中的架构，每个接入网域控制器负责管理与之直接相连的异构无线网络基站或接入点。
分层来看，该架构分为三层，所有的底层基站eNodeB或接入点WIFi构成底层数据面，所有的接入网域控制器组成底层控制面，位于云平台之上的全局控制器和数据中心作为决策面，负责构建发布和订阅***、向接入网域控制器下发全网的网络视图和控制指令。底层控制面通过状态感知模块来获取底层异构接入网络的状态信息，通过资源抽象模块将异构无线资源抽象为统一的虚拟资源，二者通过南向协议通信；控制面管理应用(App)通过北向协议获取状态信息以及对网络资源进行管理调度。同时，所有的接入网域控制器通过全局控制器构建的基于事件的发布和订阅***进行控制消息的传输和网络级控制能力的同步。
图2是数据面设备流表配置流程图。当用户数据包到达数据面基站或接入点时，它会查询是否存在该数据流所需的流表信息，若存在则按照该流表进行转发，若不存在则基站或接入点会通过南向协议向接入网域控制器发送流表配置请求，接入网域控制器收到请求后查询目的地址是否可达，若该地址可达则向基站或接入点下发流表配置响应，若不可达则拒绝该配置请求。

Claims (6)

1.一种基于SDN的无线接入控制器部署方法，其特征在于：所述的无线接入控制器包括一个全局控制器和多个接入网域控制器的部署，所述的部署方法，包括以下步骤：
步骤1：多个接入网域控制器组成物理上分布式的异构无线接入网的底层控制面，并且每个接入网域控制器负责处理与之直接相连的基站或接入点的流表建立或者更新请求；
步骤2：全局控制器运行于云平台之上负责构建基于事件的发布和订阅***，并与每个接入网域控制器相连共同构成物理上分布、逻辑上集中的无线接入控制器部署架构；
步骤3：全局控制器及其所构建的发布和订阅***与底层接入网域控制器之间通过特定的接口进行通信，获取各个接入网域控制器的负载信息和流量信息来构建全网的网络视图；
步骤4：接入网域控制器通过北向协议与运行在接入网域控制器上的管理应用进行通信，通过南向协议与由基站或接入点的转发设备组成的底层数据面进行通信。
2.根据权利要求1所述的一种基于SDN的无线接入控制器部署方法，其特征在于：所述的每个接入网域控制器上都运行相同的管理应用，所述的管理应用包含状态感知模块、资源抽象模块和多个接入网管理应用；状态感知模块负责感知由基站或接入点组成的无线接入网络的状态信息，资源抽象模块负责将异构无线网络资源抽象为便于统一管理的虚拟资源格式的抽象异构无线资源信息，接入网域控制器上的管理应用通过北向协议获取无线接入网络的状态信息和抽象异构无线资源信息，并制定控制策略。
3.根据权利要求2所述的一种基于SDN的无线接入控制器部署方法，其特征在于：所述的无线接入网络的状态信息包含负载信息、用户位置信息和流量信息，接入网域控制器根据这些状态信息制定的控制策略包含负载均衡策略、移动性管理策略、节能策略中、QoS保障策略、异构网络资源分配策略中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的一种基于SDN的无线接入控制器部署方法，其特征在于：所述的每个接入网域控制器只直接控制与之邻近并直接相连的基站或接入点，并能够通过发布和订阅***间接地询问和管理其他基站或接入点，一旦出现接入网域控制器故障，受影响的基站或接入点通过特定的接口进行重配置从而与相邻的活跃的接入网域控制器建立连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于SDN的无线接入控制器部署方法，其特征在于：所述的全局控制器构建发布和订阅***的方法为：
步骤21：全局控制器将已经发布的控制指令永久性存储于位于云平台上的数据中心，并且对同一接入网域控制器发布的控制指令进行排序和分类存储；
步骤22：每个接入网域控制器将与之直接相连的本地网络和应用的事件消息发布到应用消息信道；每个接入网域控制器拥有各自的控制器专有信道，对于某个特定控制器的事件消息和控制消息发布在相应控制器专有信道；此外，每个接入网域控制器必须周期性地将自己的状态信息发布于状态消息信道以保证新接入的接入网域控制器的检测和故障的识别；
步骤23：若存在一个新的接入网域控制器接入或者当前某一个接入网域控制器发生故障，全局控制器会在控制器专有信道检测到该事件消息，通知所有接入网域控制器并通过特定的接口将发生故障的接入网域控制器所控制的基站或接入点转由相邻的接入网域控制器进行管理。
6.一种基于SDN的无线接入控制器部署架构，其特征在于：采用了物理上分布式的接入网域控制器和位于云平台的全局控制器共同组成逻辑集中的架构，每个接入网域控制器负责管理与之直接相连的异构无线网络基站或接入点；
所有的底层基站或接入点构成底层数据面，所有的接入网域控制器组成底层控制面，位于云平台之上的全局控制器和数据中心作为决策面，负责构建发布和订阅***、向接入网域控制器下发全网的网络视图和控制指令；底层控制面通过状态感知模块来获取底层异构接入网络的状态信息，通过资源抽象模块将异构无线资源抽象为统一的虚拟资源，二者通过南向协议通信；控制面管理应用通过北向协议获取状态信息以及对网络资源进行管理调度；同时，所有的接入网域控制器通过全局控制器构建的基于事件的发布和订阅***进行控制消息的传输和网络级控制能力的同步。
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