CN106790146A - 一种云环境下基于sdn技术实现移动组播的***及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种云环境下基于SDN技术实现的移动组播方法，主要利用SDN的控制与数据转发相分离的原理。本发明使得在移动云计算环境下解决了组播技术所暴露的扩展难度大，组播组的加入、退出和管理开销大，以及安全和拥塞控制等方面所存在的弊端，弥补了组播技术的不足。其核心是利用SDN技术的控制和转发相分离的基本思想，通过将传统的完全由路由器/交换机控制的报文转发过程，转化为有SDN的控制层和数据层来共同完成组播报文的转发，从而实现了基本的组播组成员关系的管理。这无疑给网络的管理带来了极大的便利，尽可能的提高了网路的效率。

Description

一种云环境下基于SDN技术实现移动组播的***及其运行 方法

技术领域

本发明涉及一种云环境下基于SDN技术实现移动组播的***及其运行方法，属于云环境下网络优化领域。

背景技术

云计算(Cloud Computing)是基于互联网的相关服务增加、使用和交付模式，它是并行处理、分布式计算、网格计算等技术基础上逐步融合发展起来的网络计算技术。最初，于2008年由谷歌正式提出。对云计算的定义说法多样，美国国家标准与技术研究院(NIST)定义：云计算是一种为随时随地、方便、请求即相应(on-demand)地访问可配置计算的共享资源池(比如：网络、服务、存储、应用)的一种计算模式，这种模式可以减少用户在快速获得和释放资源时与服务提供者的交互和管理开销。在云计算模式下，用户终端设备将会变得非常简单，因为用户只需要发送请求便可以由云服务提供商提供“按需收费”的计算资源、存储空间和其他的应用软件等。云计算已经广泛应用到各个领域，主要包含：云物联、云安全、云存储、移动通信等。但是传统的云计算网路中仍然存在很多问题，例如，在云环境下，用户需要配置不同的网络层结构，如交换机、子网、访问控制列表等，以供云应用使用。这样就需要一种具有高度自动化连接性能的服务级网络作为云计算的一部分。

软件定义网络(Software Defined Network，SDN)是一种新型的软件可编程网络架构，其核心思想是基于控制和转发相分离的思想。通过将控制层与数据层分离，在控制层向用户提供编程接口，使得用户能够根据自身需要，通过编程来实现对网络的动态监测和管理。SDN首先由美国斯坦福大学Clean Slate研究组提出，其目的是提供一个开放的、用户可自行进行控制、管理和转发数据的平台。一方面，SDN将数据层从控制层中分离出来，这样，控制层可以通过路由或者交换机将请求下发给数据层。一般，数据层中的交换机可以获知所需推送的数据信息，并根据控制器发出的命令对数据进行推送。另一方面，SDN提供了一个可编程接口，该接口使得云平台根据云应用配置底层网络，使云应用与底层网络进行紧密衔接成为可能。在实际应用中，SDN存在着很多协议标准，例如OpenFlow。OpenFlow使得SDN的概念在软硬件上得以实现。OpenFlow中最主要的部分是控制器和OpenFlow交换机，而这两者联合起来共同可以共同完成报文的转发。SDN将传统网络上的控制层和数据层分离开，网络路由和交换机只需要根据控制层制定的规则转发数据，这样的灵活调配网络资源，使得SDN符合当前云数据中心的需求。

软件定义网络SDN的整体架构图如图1所示，主要包含三个主要层次：

1)应用层，位于最上层，包含了各种不同的业务和网络应用。应用层根据网络不同的应用需求，调用与控制层相接的应用编程接口，实现不同功能的应用程序。最常见的网络服务包括路由、组播、安全、服务质量等。

2)控制层，通过控制软件实现，摆脱了硬件设备对网络控制功能的束缚，主要负责集中维护网络拓扑及网络状态信息，实现不同业务特性的适配。

3)基础设施层，由网络的底层转发设备构成，包含了特定的转发平面抽象，在SDN中，网络设备只负责单纯的数据转发，降低了对网络设备硬件的要求。

随着移动互联网和带宽网络技术的发展，为了能够随时随地地实现对网络的访问，出现了组播技术。组播技术是一种一对多或者多对多的通信方式，是一种允许一个或多个发送者发送同一个数据包到多个接受者的网络技术，无论有多少个报文接收者，网络中任何一条链路只传送单一的报文。这样，在有多个接受者的应用中，组播技术一方面大大提高了数据传送效率，有效地利用了带宽，减少了主干网出现拥塞的可能性。另一方面，也避免了单播和广播中可能出现的广播风暴问题。

基于SDN技术实现云环境下的移动组播技术整体架构图是在已有的云计算网络基础平台上进行设计与实现的，其总体架构如图2所示。总共分四层，最底层是云环境中的物理网络平台，上面是SDN基础设施控制层(属于SDN的控制层)，第三层是业务控制层，也是组播组件所在的层次，主要负责提供业务的接入和监听，然后使用组播技术进行业务处理等。最上面则是业务应用层，用于展现给客户端的。该总体架构主要实现了一些基本的功能性需求：组成员管理功能、组播选路功能、业务功能及相关信息存储功能。

1)组成员管理功能：为了实现组播功能，需要实现对当前***中存在的组播信息及各自的组成员信息进行记录，同时需要实时的对组播成员信息进行添加和删除等操作。这部分通常通过实现组成员管理协议而实现。

2)组播选路功能：就是依据当前各组成员和组播源的位置信息，结合SDN的控制层对整个网络拓扑信息进行组播转发树的构建工作。在SDN平台上，该信息最终将以流表的形式存储在各个SDN交换机中。

3)业务功能：这是在SDN的组播技术基础上进行实习的，主要的业务有视频直播等。对于选择相同视频信息的用户，视频数据在网络中通过组播技术进行传输。

4)数据存储功能：主要是将当前***中的组成员信息、组播转发树及视频节目信息保存到数据库中，从而方便其他***调用和展示。

在移动网络技术迅速发展的今天，云计算技术在移动通信领域逐步得到应用，移动云计算的概念也逐渐成为热点。移动云计算是指移动终端通过移动网络，已按需、易扩展的方式获得基础设施、平台、及软件资源或服务的交付使用模式。然而，在这样的一个环境下，传统的组播技术也暴露出了许多问题：所有的路由器必须支持组播协议，不利于推广使用；组播组加入、退出和管理开销大，此外在安全和拥塞控制等方面也存在问题。所以，为了解决问题，在新的互联网架构下实现组播技术显得十分必要。而且虽然已经有一些SDN网络平台组播功能的研究工作，但是仍然没有在网络控制层形成统一的标准。

发明内容

针对传统的组播技术在移动云环境下所暴露的不足，本发明提出了一种云环境下基于SDN技术实现移动组播的***；

本发明还提供了上述***的运行方法。

本发明的核心是利用SDN技术控制和转发相分离的基本思想，通过将传统的完全由路由器/交换机控制的报文转发过程，转化为由SDN的控制层和数据层来共同完成组播报文的转发，从而实现了基本的组播组成员关系的管理。使得在移动云计算环境下解决了组播技术所暴露的扩展难度大、组播组的加入、退出和管理开销大，以及安全和拥塞控制等方面所存在的弊端，弥补了组播技术的不足。也给网络的管理带来了极大的便利，尽可能的提高了网路的效率。

术语解释：

1、组播组，一组端口，组播组都是组播报文或者数据帧(必须发送到组播组中的所有端口)发送的目标地址。

2、Packet_in_event，是NOX控制器平台内部的一种封装报文事件。NOX是SDN平台的一种控制器，在NOX控制器内部，每个功能实体以组件的形式独立存在，组件的工作方式就是处理事件。而来自NOX控制器的祖逼组件中的组成员管理模块对来自组播客户端的MLD报文的监听和处理方式也是对事件的处理过程，即报文在NOX控制器中是以Packet_in_event的封装形式由组件处理的。

3、MLD，Multicast Listener Discover的缩写，组播侦听发现协议，是组播技术中使用的一种网络协议，MLD协议的作用主要是使得IPv6路由器能够发现与之直连链路上的组播组成员以及相邻组播路由器需要监听的组播地址。根据这些信息，路由器能够确保组播数据报文能够正确地发送给该组播组的接受者。MLD的消息格式主要包含以下字段：类型、编码、校验和、最大响应延迟、保留字段、组播地址。其中类型字段指定了MLD协议具体包含三种类型报文：组播监听查询报文、组播监听报告报文以及组播监听完成报文。

4、组播转发树，组播的首要目标是将组播分组转发到组播组的所有成员，为了防止出现传输环路，需要将分组的源地址考虑进来，形成一个从源节点到所有目的节点的树状分组转发通路，成这种转发路径为转发树。组播路由的实质就是对每一个组播组和每一个源，建立一个最优的组播转发树。

5、下一跳地址，下一跳即路由的下一个点，如果路由器没有直接连接到目的网络，它会提供下一个邻近路由的地址用来传递数据到目的地，下一个路由的地址即为下一跳地址。

6、路由距离，也成为跳数，在发送数据包时，每经过一个路由器跳数就加1。这是计量路由路径的一种方式，一般认为通过的路由数目少即为“距离短”。

本发明的技术方案为：

一种云环境下基于SDN技术实现移动组播的***，包括依次连接的组成员管理模块、组播路由模块、流表管理模块；

所述组成员管理模块为整个组播组件的核心模块，用于实现组成员管理，实现IPv6的MLD协议报文的交互；

所述组播路由模块，用于实现组播路由算法，生成组播转发树；不同的组播路由算法建立组播转发树的方式不同，而在支持组播的SDN网络控制***中，采取的组播路由算法是，为每一个组播组的每一个源结点(即每个源交换机)均建立基于源的转发树。组播转发树采用了孩子兄弟链表的结构进行存储。

所述流表管理模块，用于将组播转发树进行转化。在SDN网络控制***中，数据包的转发是根据SDN交换机中的流表进行匹配和转发的。但是，组播路由模块的最终输出为多分支的组播转发树。则流表管理模块需要实现将该组播转发树进行转化。这里采取后序遍历方式来实现，这样保证了在转化组播转发树的根节点时，其沿途的所有节点的流表均能得到转化。

上述***用于实现MLD协议报文的交互的方法，具体步骤包括：

(1)组播客户端加入组播组；

(2)组成员管理模块向组播客户端定时发送组播监听查询报文，组播客户端如果能收到组播监听查询报文，说明该组播客户端已经加入了组播组中，则在随机的时延后发送组播监听报告报文以作响应，否则，说明该组播客户端已经离开该组播组，则组成员管理模块不会收到响应；

(3)判断监听是否完成，如果是，返回步骤(2)，否则，进入步骤(4)；

(4)组播客户端离开组播组。

根据本发明优选的，所述步骤(1)，具体步骤包括：

①当组播客户端加入组播组时，向所述组成员管理模块发送组播监听报告报文，所述组播监听报告报文包括组播地址信息，所述组播地址信息包括目的网络、下一跳地址及距离,所述目的网络是指接收组播监听报告报文的网络

②所述组成员管理模块从Packet_in_event中解封装出所述组播监听报告报文，并按照MLD协议规定，识别并解析所述组播监听报告报文；

③将所述组播监听报告报文中的组播地址信息添加到上传组播监听报告报文的交换机的端口监听列表中，若该交换机的端口监听列表之前并没有包含该组播地址信息，则添加；否则，直接更新端口监听列表中该组播地址信息的注册信息。

根据本发明优选的，所述步骤(4)，具体步骤包括：

A、组播客户端向组成员管理模块发送组播监听完成报告；

B、组成员管理模块从Packet_in_event中解封装出该组播监听完成报告，按照MLD协议规定识别并解析该组播监听完成报告，

C、组成员管理模块向该组播客户端所在的网络发送组播监听查询报告，如果在一定时间内收到了来自该组播客户端所在的网络的组播监听报告报文，则表明该组播客户端所在的网络中还有其他的组播客户端监听该组播组，则更新该组播组的计时器；否则，将该组播地址信息的注册信息从端口监听列表中删除。

根据本发明优选的，所述步骤C中，所述一定时间是指1s。

上述***用于生成组播转发树的方法，即：通过函数build_my_tree()生成组播转发树，具体步骤包括：

(Ⅰ)以当前节点为根节点，所述节点为路由或交换机，从根节点出发，检索与该节点邻近的路由节点的地址信息；

(Ⅱ)发现新节点后，通过定义函数find_repeated_node()判断该新节点是否为重复节点，若不是重复节点，则为组播转发树创建一个新节点，填写该节点的相关数据成员信息，所述相关数据成员信息包括节点的组播地址、路由距离、下一跳地址、标志位变量is_in_group，所述标志位变量is_in_group是指：当标志位变量is_in_group为1时，则标识一个节点已经得到了注册，当标志位变量is_in_group为0时，则标识一个节点未注册；并通过定义函数is_conto_group()判断该新节点是否为组播组内的成员，是的话，进入步骤(Ⅲ)，否则，进入步骤(Ⅳ)；若是重复节点，说明该节点的基本信息已设定，此时不需要再判断是否为组播组中的成员。则需要比较新节点的路径长度与当前父节点长度值加1跳，新节点的路径长度：是指该交换机的跳数，访问函数返回值的转发树可获得；若需要比较新节点的路径长度小于当前父节点长度值加1跳，则修改当前节点及其子树的路径信息，并做路径的调整工作，包括调整节点的指针指向；否则，则不做处理；

(Ⅲ)将该节点的成员信息中的标志变量is_in_group设为1；

(Ⅳ)将该节点的成员信息中的标志变量is_in_group设为0；

(Ⅴ)判断是否还有节点未做处理，若有，返回步骤(Ⅱ)，否则，结束。

本发明的有益效果是：

1、本发明利用SDN技术实现云环境下的移动组播技术，利用SDN的控制与数据转发相分离的策略，以通过将传统的完全由路由器/交换机控制的报文转发过程，转化为有SDN的控制层和数据转发层来共同完成组播报文的转发。将SDN技术与组播技术相结合，一方面实现组播成员的高效管理，另一方面选取高效的组播路由算法。从而，最终实现了在云计算网络环境下很好地实现组播技术的最终目标。

2、本发明利用SDN技术实现云环境下的移动组播技术，其中组成员管理模块在完成当前***存在的组播信息以及各自的组成员的信息的记录时，利用了SDN的集中管理控制，实现对整个网路拓扑的掌握。这样可以很好地解决传统的组播技术中对组成员管理的问题，提高了网络的效率。

3、本发明利用SDN技术实现云环境下的移动组播技术，其中组播路由模块中，采用的组播路由算法是为每一个组播成员的每一个源均建立基于源的转发树。这种的转发树能够保证组播源到每个组播组成员的路径最短，从而最大的节省网络的带宽，减少了组播分组的传输延时。

附图说明

图1是软件定义网络SDN的整体架构图

图2是本发明基于SDN技术实现云环境下的移动组播技术整体架构图；

图3是本发明所述云环境下基于SDN技术实现移动组播的***的结构框图；

图4是本发明实现MLD协议报文的交互的方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。

实施例1

一种云环境下基于SDN技术实现移动组播的***，如图3所示，包括依次连接的组成员管理模块、组播路由模块、流表管理模块；组成员管理模块为整个组播组件的核心模块，用于实现组成员管理，实现IPv6的MLD协议报文的交互；组播路由模块，用于实现组播路由算法，生成组播转发树；不同的组播路由算法建立组播转发树的方式不同，而在支持组播的SDN网络控制***中，采取的组播路由算法是，为每一个组播组的每一个源结点(即每个源交换机)均建立基于源的转发树。组播转发树采用了孩子兄弟链表的结构进行存储。流表管理模块，用于将组播转发树进行转化。在SDN网络控制***中，数据包的转发是根据SDN交换机中的流表进行匹配和转发的。但是，组播路由模块的最终输出为多分支的组播转发树。则流表管理模块需要实现将该组播转发树进行转化。这里采取后序遍历方式来实现，这样保证了在转化组播转发树的根节点时，其沿途的所有节点的流表均能得到转化。

实施例2

实施例1所述的云环境下基于SDN技术实现移动组播的***用于实现MLD协议报文的交互的方法，如图4所示，具体步骤包括：

(1)组播客户端加入组播组；具体包括：

①当组播客户端加入组播组时，向所述组成员管理模块发送组播监听报告报文，所述组播监听报告报文包括组播地址信息，所述组播地址信息包括目的网络、下一跳地址及距离,所述目的网络是指接收组播监听报告报文的网络

②所述组成员管理模块从Packet_in_event中解封装出所述组播监听报告报文，并按照MLD协议规定，识别并解析所述组播监听报告报文；

③将所述组播监听报告报文中的组播地址信息添加到上传组播监听报告报文的交换机的端口监听列表中，若该交换机的端口监听列表之前并没有包含该组播地址信息，则添加；否则，直接更新端口监听列表中该组播地址信息的注册信息。

(2)组成员管理模块向组播客户端定时发送组播监听查询报文，组播客户端如果能收到组播监听查询报文，说明该组播客户端已经加入了组播组中，则在随机的时延后发送组播监听报告报文以作响应，否则，说明该组播客户端已经离开该组播组，则组成员管理模块不会收到响应；

(3)判断监听是否完成，如果是，返回步骤(2)，否则，进入步骤(4)；

(4)组播客户端离开组播组，具体步骤包括：

A、组播客户端向组成员管理模块发送组播监听完成报告；

B、组成员管理模块从Packet_in_event中解封装出该组播监听完成报告，按照MLD协议规定识别并解析该组播监听完成报告，

C、组成员管理模块向该组播客户端所在的网络发送组播监听查询报告，如果在1s内收到了来自该组播客户端所在的网络的组播监听报告报文，则表明该组播客户端所在的网络中还有其他的组播客户端监听该组播组，则更新该组播组的计时器；否则，将该组播地址信息的注册信息从端口监听列表中删除。

实施例3

实施例1所述的云环境下基于SDN技术实现移动组播的***用于生成组播转发树的方法，即：通过函数build_my_tree()生成组播转发树，具体步骤包括：

(Ⅰ)以当前节点为根节点，所述节点为路由或交换机，从根节点出发，检索与该节点邻近的路由节点的地址信息；

(Ⅱ)发现新节点后，通过定义函数find_repeated_node()判断该新节点是否为重复节点，若不是重复节点，则为组播转发树创建一个新节点，填写该节点的相关数据成员信息，所述相关数据成员信息包括节点的组播地址、路由距离、下一跳地址、标志位变量is_in_group，所述标志位变量is_in_group是指：当标志位变量is_in_group为1时，则标识一个节点已经得到了注册，当标志位变量is_in_group为0时，则标识一个节点未注册；并通过定义函数is_conto_group()判断该新节点是否为组播组内的成员，是的话，进入步骤(Ⅲ)，否则，进入步骤(Ⅳ)；若是重复节点，说明该节点的基本信息已设定，此时不需要再判断是否为组播组中的成员。则需要比较新节点的路径长度与当前父节点长度值加1跳，新节点的路径长度：是指该交换机的跳数，访问函数返回值的转发树可获得；若需要比较新节点的路径长度小于当前父节点长度值加1跳，则修改当前节点及其子树的路径信息，并做路径的调整工作，包括调整节点的指针指向；否则，则不做处理；

(Ⅲ)将该节点的成员信息中的标志变量is_in_group设为1；

(Ⅳ)将该节点的成员信息中的标志变量is_in_group设为0；

(Ⅴ)判断是否还有节点未做处理，若有，返回步骤(Ⅱ)，否则，结束。

Claims (6)

1.一种云环境下基于SDN技术实现移动组播的***，其特征在于，包括依次连接的组成员管理模块、组播路由模块、流表管理模块；所述组成员管理模块为整个组播组件的核心模块，用于实现组成员管理，实现IPv6的MLD协议报文的交互；所述组播路由模块，用于实现组播路由算法，生成组播转发树；所述流表管理模块，用于将组播转发树进行转化。

2.权利要求1所述的云环境下基于SDN技术实现移动组播的***用于实现MLD协议报文的交互的方法，其特征在于，具体步骤包括：

(1)组播客户端加入组播组；

(2)组成员管理模块向组播客户端定时发送组播监听查询报文，组播客户端如果能收到组播监听查询报文，说明该组播客户端已经加入了组播组中，则在随机的时延后发送组播监听报告报文以作响应，否则，说明该组播客户端已经离开该组播组，则组成员管理模块不会收到响应；

(3)判断监听是否完成，如果是，返回步骤(2)，否则，进入步骤(4)；

(4)组播客户端离开组播组。

3.根据权利要求2所述的云环境下基于SDN技术实现移动组播的***用于实现MLD协议报文的交互的方法，其特征在于，所述步骤(1)，具体步骤包括：

①当组播客户端加入组播组时，向所述组成员管理模块发送组播监听报告报文，所述组播监听报告报文包括组播地址信息，所述组播地址信息包括目的网络、下一跳地址及距离,所述目的网络是指接收组播监听报告报文的网络

②所述组成员管理模块从Packet_in_event中解封装出所述组播监听报告报文，并按照MLD协议规定，识别并解析所述组播监听报告报文；

③将所述组播监听报告报文中的组播地址信息添加到上传组播监听报告报文的交换机的端口监听列表中，若该交换机的端口监听列表之前并没有包含该组播地址信息，则添加；否则，直接更新端口监听列表中该组播地址信息的注册信息。

4.根据权利要求2所述的云环境下基于SDN技术实现移动组播的***用于实现MLD协议报文的交互的方法，其特征在于，所述步骤(4)，具体步骤包括：

A、组播客户端向组成员管理模块发送组播监听完成报告；

B、组成员管理模块从Packet_in_event中解封装出该组播监听完成报告，按照MLD协议规定识别并解析该组播监听完成报告，

C、组成员管理模块向该组播客户端所在的网络发送组播监听查询报告，如果在一定时间内收到了来自该组播客户端所在的网络的组播监听报告报文，则表明该组播客户端所在的网络中还有其他的组播客户端监听该组播组，则更新该组播组的计时器；否则，将该组播地址信息的注册信息从端口监听列表中删除。

5.根据权利要求4所述的云环境下基于SDN技术实现移动组播的***用于实现MLD协议报文的交互的方法，其特征在于，所述步骤C中，所述一定时间是指1s。

6.权利要求1所述的云环境下基于SDN技术实现移动组播的***用于生成组播转发树的方法，其特征在于，即：通过函数build_my_tree()生成组播转发树，具体步骤包括：

(Ⅰ)以当前节点为根节点，所述节点为路由或交换机，从根节点出发，检索与该节点邻近的路由节点的地址信息；

(Ⅱ)发现新节点后，通过定义函数find_repeated_node()判断该新节点是否为重复节点，若不是重复节点，则为组播转发树创建一个新节点，填写该节点的相关数据成员信息，所述相关数据成员信息包括节点的组播地址、路由距离、下一跳地址、标志位变量is_in_group，所述标志位变量is_in_group是指：当标志位变量is_in_group为1时，则标识一个节点已经得到了注册，当标志位变量is_in_group为0时，则标识一个节点未注册；并通过定义函数is_conto_group()判断该新节点是否为组播组内的成员，是的话，进入步骤(Ⅲ)，否则，进入步骤(Ⅳ)；若是重复节点，则需要比较新节点的路径长度与当前父节点长度值加1跳，新节点的路径长度：是指该交换机的跳数，访问函数返回值的转发树可获得；若需要比较新节点的路径长度小于当前父节点长度值加1跳，则修改当前节点及其子树的路径信息，并做路径的调整工作，包括调整节点的指针指向；否则，则不做处理；

(Ⅲ)将该节点的成员信息中的标志变量is_in_group设为1；

(Ⅳ)将该节点的成员信息中的标志变量is_in_group设为0；

(Ⅴ)判断是否还有节点未做处理，若有，返回步骤(Ⅱ)，否则，结束。