CN108833166B - 边缘云报文转发方法及***、网络报文转发方法及*** - Google Patents

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Abstract

本发明属于网络技术领域，具体涉及边缘云报文转发方法和***、网络报文转发方法及***。该方法包括：预设边缘转发表；边缘设备发起应用请求网络报文；交换机接收到应用请求网络报文后匹配流表，并上传至控制器；控制器进行报文解析后匹配边缘转发表中的源IP、目的IP、目的端口；如果匹配成功，则修改流表中的目的IP和目的端口，并将网络报文以及相应的更新流表下发至交换机；交换机对收到的网络报文根据更新流表转发至边缘云；边缘云节点收到请求网络报文后进行计算等任务，并返回响应报文，响应报文通过网络转发到交换机；交换机根据之前控制器下发的更新流表，从响应端口进行转发。该报文转发方式使得报文转发的带宽和延时都得到了极大的改善。

Description

边缘云报文转发方法及***、网络报文转发方法及***
技术领域
本发明属于网络技术领域，具体涉及一种边缘云报文转发方法及边缘云报文转发***、网络报文转发方法及网络报文转发***。
背景技术
采用集中式架构的云计算环境，边缘用户的所有请求和数据都会发送到集中式云计算中心（云数据中心），在云计算中心采用集中方式进行大数据的计算和存储处理。随着4K视频、VR/AR、5G等技术的高速发展，用户侧边缘设备呈现出***式增长态势，面对海量的边缘接入设备，对网络带宽、延时都提出了更高的要求。面对海量边缘设备的接入，处理边缘用户的请求已经很难满足，由此带来网络拥塞，用户感知度低等一系列问题。
边缘云是靠近用户边缘设备的边缘计算节点，可以承担所属区域内的计算、存储等任务。边缘计算是指利用靠近数据源的边缘地带来完成的运算程序，运算可以在大型运算设备内完成，也可以在中、小型运算设备、本地端网络内完成。边缘计算可以有效降低海量边缘设备与集中式云数据中心之间链路拥塞问题，减少云数据中心的工作负载，提高计算和数据应用的效率。
作为另一种架构方式，分布式云计算架构应对海量边缘设备对网络的需求时，云计算提供商通过分布式服务网络（Distributed Service Network，简称DNS）方式，将域名转换成距离用户较近的云数据中心网络地址，实现网络流量的灵活调度。这种方式通常要对每个区域的DNS服务器进行人工配置，且颗粒度较粗，不能实现基于应用的灵活调度。
如何解决海量边缘设备与云数据中心之间链路拥塞的问题，实现边缘交换节点的有效配置，成为目前亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中上述不足，提供一种边缘云报文转发方法及边缘云报文转发***、网络报文转发方法及网络报文转发***，该报文转发方式使得报文转发的带宽和延时都得到了极大的改善，解决了海量边缘设备与云数据中心之间链路拥塞的问题，实现了边缘交换节点的有效配置。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是该边缘云报文转发方法，包括步骤：
步骤S0）预设边缘转发表，所述边缘转发表至少包括源IP、目的IP、目的转发IP、目的端口、目的转发端口五个字段；
步骤S1）边缘设备发起应用请求网络报文；
步骤S2）交换机接收到所述应用请求网络报文后匹配流表，并上传至控制器；
步骤S3）控制器进行报文解析后匹配边缘转发表中的源IP、目的IP、目的端口；
步骤S4）如果匹配成功，则将流表中该网络报文的目的IP修改为所述边缘转发表中对应的目的转发IP，将流表中该网络报文的目的端口修改为所述边缘转发表中对应的目的转发端口，并将网络报文以及相应的更新流表下发至交换机；
步骤S5）交换机对收到的网络报文根据更新流表转发至边缘云；
步骤S6）边缘云节点收到请求网络报文后进行计算任务，并返回响应报文，响应报文通过网络转发到交换机；
步骤S7）交换机根据之前控制器下发的更新流表，将该响应报文的源IP地址更新为步骤S4）中的目的IP，将源端口号更新为步骤S4）中的目的端口，并从响应端口进行转发。
优选的是，在所述边缘转发表中，当边缘云中的服务提供者提供可替代集中式云数据中心内的服务时，以该服务提供者的IP地址为目的转发IP，该服务提供者的端口号为目的转发端口，原集中式云数据中心中服务提供者的IP为目的IP，原集中式云数据中心中服务提供者的端口号为目的端口，以及靠近边缘云一侧的服务请求者IP地址为源IP，组成控制器中的边缘转发表表项。
优选的是，步骤S5）中所述控制器匹配边缘转发表并更新流表的过程包括步骤：
如果未匹配成功，则针对该应用的服务提供者未部署到边缘云环境中，此时所述控制器将报文发送至所述交换机，并下发流表；
如果匹配成功，则针对该应用的服务提供者已经部署到边缘云环境中，此时所述控制器将报文发送至所述交换机，并更新并下发流表。
优选的是，如果未匹配成功，使该报文被所述交换机从连接到集中式云数据中心的端口发出。
优选的是，所述控制器通过packet_out消息将报文发送至所述交换机。
一种边缘云报文转发***，包括交换机和控制器，其中：
所述交换机，配置为接收边缘设备网络报文和转发响应报文并匹配流表；以及，根据所述流表转发网络报文和转发响应报文；
所述控制器，配置为解析网络报文，根据所述流表中的源IP、目的IP、目的端口匹配所述边缘转发表中的源IP、目的IP、目的端口；并在匹配成功时，将网络报文的所述流表中的目的IP更替为所述边缘转发表中对应的目的转发IP，将所述流表中目的端口更新为目的转发端口，将更新后的所述流表发送至所述交换机。
优选的是，所述交换机为SDN交换机，所述SDN交换机的硬件和软件解耦。
优选的是，所述控制器为多个SDN控制器，所述SDN控制器内置基于应用的网络报文转发逻辑。
一种网络报文转发方法，包括上述边缘云报文转发方法。
一种网络报文转发***，包括集中式云计算中心，还包括边缘云以及上述的边缘云报文转发***。
本发明的有益效果是：
本发明的边缘云报文转发方法和边缘云报文转发***：一方面，利用SDN技术进行针对应用网络报文的边缘云转发，实现对边缘设备目的IP与目的端口的透明代理，提升管理效率；另一方面，基于IP+端口的代理模式，通过SDN方式将处理逻辑集中在控制器中，基于不同类型应用进行分散，替代了DNS代理方式，可以针对边缘设备的不同应用进行流量区分，实现基于应用的流量调度，相比现有的分布式架构云计算环境中需要采用DNS的方式进行域名转换，带宽和延时都得到了极大的改善。
附图说明
图1为本发明实施例中边缘云报文转发方法的流程图；
图2为本发明实施例中边缘云报文转发方法的实现示意图；
附图标识中：
1-边缘设备；2-交换机；3-控制器。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明边缘云报文转发方法及边缘云报文转发***、网络报文转发方法及网络报文转发***作进一步详细描述。
本发明提供一种边缘云报文转发方法，采用SDN组网方式，基于SDN控制器控制与转发分离方式和白盒交换机节点的灵活代理，对边缘云环境下边缘设备进行灵活的流量配置，从而实现基于应用的网络报文的透明代理的网络转发，在分散的边缘云与集中式云计算中心之间进行协同，极大改善了用户的网络体验。
本发明提供的边缘云报文转发方法是针对边缘云场景提出的一种报文转发方法和报文转发***。
作为本发明的一方面，如图1所示的边缘云报文转发方法的流程图和如图2所示的边缘云报文转发方法的实现示意图，该方法包括步骤：
步骤S0）：预设边缘转发表，所述边缘转发表至少包括源IP、目的IP、目的转发IP、目的端口、目的转发端口五个字段。
边缘转发表中每一个表项都由五个字段组成，以一个表项代表一个类型的应用。边缘转发表的结构是固定的，里面字段的值是由管理员设置的。网络管理员只需在控制器端维护边缘转发表，即可实现边缘设备基于应用的流量转发。
当边缘云中的服务提供者提供可替代集中式云数据中心内的服务时，以该服务提供者的IP地址为目的转发IP，该服务提供者的端口号为目的转发端口，原集中式云数据中心中服务提供者的IP为目的IP，原集中式云数据中心中服务提供者的端口号为目的端口，以及靠近边缘云一侧的服务请求者IP地址为源IP，组成控制器3中的边缘转发表表项。
步骤S1）：边缘设备1发起应用请求网络报文。
边缘设备1发起应用请求网络报文，例如靠近边缘云的服务请求者发送服务请求报文，应用请求网络报文中包括目的IP和目的端口，基于目的IP可获得转发内容提供者主机，以及基于目的端口可获得请求的内容服务，从而获得不同的应用。
步骤S2）：交换机2接收到所述应用请求网络报文后匹配流表，并上传至控制器3。
交换机2接收到边缘设备1的应用请求网络报文之后，会将应用请求网络报文会匹配初始流表，并上传至控制器3中。
步骤S3）：控制器3进行报文解析后匹配边缘转发表中的源IP、目的IP、目的端口。
该边缘云报文转发方法，在用户接入侧利用白盒交换机实现报文转发，在控制层通过控制器软件根据需求制定基于应用的网络报文转发逻辑，从而实现边缘设备1的网络报文根据管理逻辑无感知的转发到相应的服务节点，实现透明代理。在图2中，其中交换机2采用白盒交换机，也即交换机2为SDN交换机；控制器3配置为SDN控制器。SDN交换机将交换机的硬件和软件解耦，用户可以按需搭配第三方操作***软件到交换机的硬件中，从而使得管理者灵活地设计和配置网络。
SDN控制器对应用请求网络报文进行解析，此时SDN控制器将解析得到相应字段内容与SDN控制器中的边缘转发表中的相应字段内容进行匹配，对解析后的应用请求网络报文匹配边缘转发表，如果匹配成功，下发相应逻辑的流表至SDN交换机。
本实施例边缘云报文转发方法在用户接入侧利用SDN交换机实现报文转发，管理员可通过SDN控制器设定和维护边缘转发表。根据控制器3中的边缘转发表，每个表项认为是一个应用，其中的边缘转发表至少包括源IP、目的IP、目的转发IP、目的端口、目的转发端口五个关键字段。其中的控制器软件为应用程序，边缘转发表是完成这个逻辑要用到的一个数据结构。根据边缘转发表可以进行应用区分，并基于不同应用进行流量区分。
步骤S4）：如果匹配成功，则将流表中该网络报文的目的IP修改为边缘转发表中对应的目的转发IP，将流表中目的端口修改为目的转发端口，并将网络报文以及相应的更新流表下发至交换机2。
控制器3匹配边缘转发表并更新流表的过程具体为：
如果未匹配成功，说明针对该应用的服务提供者未部署到边缘云环境中，此时SDN控制器通过packet_out消息将报文发送至SDN交换机，并下发流表，使该报文被SDN交换机从连接到集中式云数据中心的端口发出；
如果匹配成功，则说明针对该应用的服务提供者已经部署到边缘云环境中，此时SDN控制器通过packet_out消息将报文发送至SDN交换机，更新并下发流表，进行步骤S5）。
SDN交换机根据控制器3下发的更新流表，对到达SDN交换机的报文进行匹配，匹配内容为该报文的源IP、目的IP、目的端口，对匹配成功的报文执行重新设置字段动作，将报文的目的IP更改为目的转发IP，将目的端口更改为目的转发端口。
步骤S5）：交换机2对收到的网络报文根据更新流表转发至边缘云。
SDN交换机按照更新流表中的目的转发IP将该报文从该SDN交换机与边缘云环境相连的端口转发出去。
步骤S6）：边缘云节点收到请求网络报文后进行计算等任务，并返回响应报文，响应报文通过网络转发到交换机2。
边缘云环境中的服务提供者收到服务请求报文后，该请求报文的目的IP与目的端口与服务提供者的相一致，被服务提供者认定为发送至自己的请求报文，则对该请求报文进行应答，生成响应报文，发送至与之相连的SDN交换机。
步骤S7）：交换机2根据之前控制器3下发的更新流表，将该响应报文的源IP地址更新为步骤S4）中的目的IP，将源端口号更新为步骤S4）中的目的端口，并从响应端口进行转发。
SDN交换机收到的响应报文，目的IP是服务请求者的IP（即边缘转发表中的源IP）。源IP与源端口号都是边缘云中服务提供者的IP与该应用的端口号（即边缘转发表中的目的转发IP与目的转发端口）。SDN交换机根据流表对该报文的目的IP、源IP与源端口进行匹配，匹配成功对该响应报文执行重新设置字段动作，该动作将响应报文中的源IP改为对应边缘转发表中的目的IP，将源端口改为对应边缘转发表中的目的端口。
SDN交换机将响应报文从连接服务请求者的端口转发出去。服务请求者收到报文后，该响应报文的源IP与源端口与请求报文的目的IP与目的端口一致，则确认收到响应。
本发明的边缘云报文转发方法和边缘云报文转发***，将请求报文转发到靠近服务请求者的边缘云环境中，带宽和延时都得到了极大的改善（可以以全市有一个超市的集中式与全市所有小区都有一个超市分散式做类比）。
本发明的边缘云报文转发方法和边缘云报文转发***，设置了SDN环境，并将控制逻辑配置在控制器上。而在现有技术中将处理逻辑在转发设备上，会占用转发设备的资源；本发明的方式转发设备只需要按照流表对报文进行转发。另外，现有技术中根据域名而不是根据应用区分转发，颗粒度很粗；本发明的方式区分应用进行转发，颗粒度很细。
因此，本发明的边缘云报文转发方法和边缘云报文转发***：
一方面，利用SDN技术进行针对应用网络报文的边缘云转发，由于服务请求者得到的响应报文后认为响应报文是从集中式云计算中心内的服务提供者发出的，而实际是从边缘云计算中的服务提供者发出的，从而实现对边缘设备目的IP与目的端口的透明代理，提升管理效率；
另一方面，基于IP+端口的代理模式，通过SDN方式将处理逻辑集中在控制器中，基于不同类型应用进行分散，替代了DNS代理方式，可以针对边缘设备的不同应用进行流量区分，实现基于应用的流量调度，相比现有的分布式架构云计算环境中需要采用DNS的方式进行域名转换，带宽和延时都得到了极大的改善。
作为本发明的另一方面，本发明提供的网络报文转发方法和网络报文转发***，包括集中式云计算中心和边缘云，基于上述边缘云报文转发方法和相应的网络报文转发***，实现了网络报文的就近转发，将数据中心分散到距离用户相对较近的区域的方式，实现边缘云与集中式云计算中心协同，带宽和延时都得到了极大的改善。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种边缘云报文转发方法，其特征在于，包括步骤：
步骤S0）预设边缘转发表，所述边缘转发表至少包括源IP、目的IP、目的转发IP、目的端口、目的转发端口五个字段；
步骤S1）边缘设备发起应用请求网络报文；
步骤S2）交换机接收到所述应用请求网络报文后匹配流表，并上传至控制器；
步骤S3）控制器进行报文解析后匹配所述边缘转发表中的源IP、目的IP、目的端口；
步骤S4）如果匹配成功，则将流表中该网络报文的目的IP修改为所述边缘转发表中对应的目的转发IP，将流表中该网络报文的目的端口修改为所述边缘转发表中对应的目的转发端口，并将网络报文以及相应的更新流表下发至交换机；
步骤S5）交换机对收到的网络报文根据更新流表转发至边缘云；
步骤S6）边缘云节点收到请求网络报文后进行计算任务，并返回响应报文，响应报文通过网络转发到交换机；
步骤S7）交换机根据之前控制器下发的更新流表，将该响应报文的源IP地址更新为步骤S4）中的目的IP，将源端口号更新为步骤S4）中的目的端口，并从响应端口进行转发；
在所述边缘转发表中，当边缘云中的服务提供者提供可替代集中式云数据中心内的服务时，以该服务提供者的IP地址为目的转发IP，该服务提供者的端口号为目的转发端口，原集中式云数据中心中服务提供者的IP为目的IP，原集中式云数据中心中服务提供者的端口号为目的端口，以及靠近边缘云一侧的服务请求者IP地址为源IP，组成控制器中的边缘转发表表项。
2.根据权利要求1所述的边缘云报文转发方法，其特征在于，步骤S5）中所述控制器匹配边缘转发表并更新流表的过程包括步骤：
如果未匹配成功，则针对该应用的服务提供者未部署到边缘云环境中，此时所述控制器将报文发送至所述交换机，并下发流表；
如果匹配成功，则针对该应用的服务提供者已经部署到边缘云环境中，此时所述控制器将报文发送至所述交换机，并更新并下发流表。
3.根据权利要求2所述的边缘云报文转发方法，其特征在于，如果未匹配成功，使该报文被所述交换机从连接到集中式云数据中心的端口发出。
4.根据权利要求2所述的边缘云报文转发方法，其特征在于，所述控制器通过packet_out消息将报文发送至所述交换机。
5.一种边缘云报文转发***，其特征在于，包括交换机和控制器，其中：
所述交换机，配置为接收边缘设备网络报文和转发响应报文并匹配流表；以及，根据所述流表转发网络报文和转发响应报文；
所述控制器，配置为解析网络报文，根据所述流表中的源IP、目的IP、目的端口匹配边缘转发表中的源IP、目的IP、目的端口；并在匹配成功时，将网络报文的所述流表中的目的IP更替为所述边缘转发表中对应的目的转发IP，将所述流表中目的端口更新为目的转发端口，将更新后的所述流表发送至所述交换机；在所述边缘转发表中，当边缘云中的服务提供者提供可替代集中式云数据中心内的服务时，以该服务提供者的IP地址为目的转发IP，该服务提供者的端口号为目的转发端口，原集中式云数据中心中服务提供者的IP为目的IP，原集中式云数据中心中服务提供者的端口号为目的端口，以及靠近边缘云一侧的服务请求者IP地址为源IP，组成控制器中的边缘转发表表项。
6.根据权利要求5所述的边缘云报文转发***，其特征在于，所述交换机为SDN交换机，所述SDN交换机的硬件和软件解耦。
7.根据权利要求5所述的边缘云报文转发***，其特征在于，所述控制器为多个SDN控制器，所述SDN控制器内置基于应用的网络报文转发逻辑。
8.一种网络报文转发***，包括集中式云计算中心，其特征在于，还包括边缘云以及权利要求5-7任一项所述的边缘云报文转发***。
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