CN111163180B - 一种基于sdn的lte网络高效缓存方法及*** - Google Patents

一种基于sdn的lte网络高效缓存方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及通信技术领域，具体为一种基于SDN的LTE网络高效缓存方法及***；所述方法包括SDN控制器拦截包含HTTP GET请求的GTP数据包；判断所述请求是否为对可缓存内容的请求；若为对可缓存内容的请求，则判断所请求的内容是否被缓存；若被缓存，则将所述请求从GTP隧道中移除，并从原来的TCP连接中移除；再将该请求重定向至缓存服务器；将从缓存服务器上接收到的数据包***到GTP隧道和TCP连接中。本发明使用SDN技术不需对LTE网络原有架构进行大幅更改，只需在LTE网络中添加SDN交换机和SDN控制器，相比于传统缓存方案，本发明能够灵活地处理LTE网络中的GTP隧道封包问题。

Description

一种基于SDN的LTE网络高效缓存方法及***
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别涉及LTE网络与软件定义网络技术领域，具体为一种基于SDN的LTE网络高效缓存方法及***。
背景技术
智能手机和平板电脑等移动设备的使用越来越广泛，数据消耗快速增长，导致了更高的带宽和资源需求。运营商给用户提供互联网接入的创建和维护成本在不断增加，而且，用户也不愿再支付更多的移动数据费用。因此，移动运营商需要通过增加网络容量或优化可用资源的方案来解决上述问题。
缓存方式是有线网络中使用的解决方案，通过广泛部署互联网提供商(ISP)以降低带宽消耗并改善客户的用户体验。缓存是服务器添加到网络中，拦截客户的请求，给客户提供服务，尽可能的让客户从本地的缓存获得服务。当一个请求到达时，请求的内容尚未存储在缓存中，缓存会向原始服务器请求该内容，获得该内容后会根据特定条件存储一份副本后再将内容转发给客户。通过这种将内容存储在靠近用户的位置，可以减少网络上的负载，使网络资源不再浪费。从用户角度看，缓存可以改进体验质量，由于内容存储地更近，所以延迟减少，内容会更快下载。
常用部署缓存的方法一般采用正向代理和反向代理的方法，例如现在流行的缓存服务器Squid和Ngnix就是用了这两种方法实现缓存，此外，大规模使用的CDN技术也采用反向代理方法实现基础缓存功能。但在LTE网络中，用户面和控制面的数据包全都是封装在GTP隧道当中，这些数据只有在经过PGW网关后才会还原为普通数据包。如果直接部署缓存服务器与eNB相连，使用常用的反向代理方法对数据进行解析，由于反向代理方法只能解析普通数据包，不能解析经过多次封装过的数据包，则无法解析出LTE网络数据包中的HTTPGET方法，进而无法实现后续的缓存功能。
发明内容
基于现有技术存在的不足，本发明考虑到软件定义网络(SDN)是近几年被广泛提起的一种新型网络创新架构，SDN技术可以将网络设备上的控制权分离出来，由集中的控制器管理，无须依赖底层网络设备(路由器、交换机、防火墙)，屏蔽了来自底层网络设备的差异；所以本发明将SDN技术应用在LTE网络中，则能灵活的解决现今LTE网络缓存部署面临的难题。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案包括：
在本方面的第一方面，本发明提出的一种基于SDN的LTE网络高效缓存方法，包括：
SDN控制器拦截客户端向原始服务器发送的或者由缓存服务器发送的包含HTTPGET请求的GTP数据包；
判断所述HTTP GET请求是否为对可缓存内容的请求；
若所述HTTP GET请求为对可缓存内容的请求，则判断所请求的内容是否被缓存；
若所请求的内容被缓存，则将所述HTTP GET请求从GTP隧道中移除，并从原来的TCP连接中移除；再将该请求重定向至缓存服务器；
将从缓存服务器上接收到的数据包***到GTP隧道和TCP连接中。
在本方面的第二方面，本发明提出的另一种基于SDN的LTE网络高效缓存方法，还可以包括：
a)SDN控制器拦截客户端向原始服务器发送的包含HTTP GET请求的GTP数据包；
b)对所述GTP数据包进行解析，解析出实际的IP数据包，判断所述IP数据包的来源，若来自客户端，则进入步骤c，若来自缓存服务器，则进入步骤d；
c)将解析出的IP数据包的目的地址更改为缓存服务器的IP地址，不进行GTP封包，并直接发送给缓存服务器；
d)将IP数据包的源IP地址更改为原始服务器的IP地址，将IP数据包进行GTP封包，并将其发送给客户端。
在本发明的第三方面，本发明提出的一种基于SDN的LTE网络高效缓存***，包括：
客户端，用于向原始服务器发出网络内容请求；
原始服务器，为客户端提供网络内容；
缓存服务器，用于存储原始服务器的网络内容；
SDN交换机，用于配置转发规则；
SDN控制器，用于控制SDN交换机配置转发规则以及处理网络中的数据包。
本发明的有益效果：
本发明所述的LTE网络高效缓存方法及***基于SDN技术，该缓存方法及***可以应用在LTE回程网络中，不需要对LTE网络原有架构进行大幅更改，只需在LTE网络中添加SDN交换机和SDN控制器两个网络设备，相比于传统缓存方案，本发明的缓存方案能够灵活地处理LTE网络中的GTP隧道封包问题，在现有的LTE网络架构上提出缓存解决方案的同时，也为LTE网络缓存***应用开发者提供应用支持。
附图说明
图1为本发明一个实施例应用场景图；
图2为本发明基于SDN的LTE网络高效缓存***的框架结构图；
图3为本发明提供的基于SDN的LTE网络高效缓存方法的流程图；
图4为本发明SDN控制器中对GTP数据包进行深度解析流程图；
图5为本发明缓存相关数据包在经过SDN控制器时的处理流程示意图；
图6为本发明数据包传输过程中TCP拼接示意图；
图中，11、客户端，12、基站，13、缓存服务器，14、SDN交换机，15、SDN控制器，16、服务网关，17、移动性管理实体，18、PDN网关，19、原始服务器；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
图1为本发明在现有LTE网络的一个实施例的应用场景图。在图1中，缓存服务器13部署在基站12附近，SDN交换机14部署在基站12和服务网关16之间，SDN控制器15与SDN交换机14相连，处理来自SND交换机14的数据包；其中，服务网关16分别与SDN交换机14、移动性管理实体17(MME)和PDN网关18(PGW)连接；MME连接有SDN交换机和PGW，而PGW则还连接有互联网；当客户端11向原始服务器19请求网络内容时，该请求在经过SDN交换机14后会被转发给SDN控制器15，经SDN控制器15处理后重定向至缓存服务器13；因此，客户端11获得的网络内容实际上是来自缓存服务器。
图2给出了本发明基于SDN的LTE网络高效缓存***的框架结构图，所述***包括：
客户端，用于向原始服务器发出网络内容请求；
原始服务器，为客户端提供网络内容；
缓存服务器，用于存储原始服务器的网络内容；
SDN交换机，用于配置转发规则；
SDN控制器，用于控制SDN交换机配置转发规则以及处理网络中的数据包。
其中，所述客户端、原始服务器与所述SDN控制器都连接在所述SDN交换机上，所述缓存服务器通过第二交换机与SDN交换机进行连接。
所述SDN交换机配置流转发规则，使经过SDN交换机的相关数据包流转发给SDN控制器，所述转发规则属于二层交换。所述SDN控制器上包括缓存功能模块，所述缓存功能模块接收来自SDN交换机的GTP数据包，对所述GTP数据包进行深度解析。
在一个优选实施例中，所述SDN交换机为OVS虚拟交换机。
在一个实施例中，所述SDN控制器向OVS虚拟交换机发送流规则，将基于UDP协议且端口号为80数据包转发给SDN控制器，LTE网络中基于UDP协议且端口号为80数据包即为GTP数据包。
在一个优选实施例中，所述缓存功能模块可以为透明缓存(Transparent Cache，TC)模块缓存相关功能。
在一个优选实施例中，所述SDN控制器上的缓存功能模块为TCP拼接功能模块，所述模块除了能够转发TCP流数据面的数据包以外，还能发送包括SYN，SYN ACK，ACK控制面的数据包。
在一个实施例中，基于上述基于SDN的LTE网络高效缓存***，本实施例给出了一种基于SDN的LTE网络高效缓存方法，如图3所示，所述方法包括：
SDN控制器拦截客户端向原始服务器发送的或者由缓存服务器发送的包含HTTPGET请求的GTP数据包；
判断所述HTTP GET请求是否为对可缓存内容的请求；
若所述HTTP GET请求为对可缓存内容的请求，则判断所请求的内容是否被缓存；
若所请求的内容被缓存，则将所述HTTP GET请求从GTP隧道中移除，并从原来的TCP连接中移除；再将该请求重定向至缓存服务器；
将从缓存服务器上接收到的数据包***到GTP隧道和TCP连接中。
在一个实施例中，图4为本发明实施例提供LTE网络中上行GTP数据包解析过程示意图，该过程包括：
201、将UE客户端的IP地址信息和所请求的服务器IP地址信息以及IP层以上的会话层和应用层信息封装成IP数据包；
202、基站eNodeB接收到IP数据包之后，将整个IP数据包作为DATA部分信息，进行GTP封包；
203、对GTP封包后的数据包进行解析；
204、对解析后的数据包进行深度解析，得到应用层的DATA数据；
205、判断DATA数据为TCP控制帧还是HTTP GET请求字段；
206、将以太网帧头部(Ethernet Frame)添加到DATA数据之前；
207、将DATA数据包、TCP、IP以及以太网帧头部进行封装，并传送至SDN交换机；
在一个优选实施例，所述GTP数据包解析过程可以采用以下步骤：
步骤201：UE客户端发送一个用户面数据包给LTE基站eNodeB，该数据包包含UE客户端的IP地址信息和客户端所请求的服务端IP地址信息以及IP层以上的会话层和应用层的信息；
步骤202：eNodeB在接收到这个IP数据包之后，将整个IP数据包作为data部分信息，进行GTP封包，依次加上GTPv1、UDP、IP以及以太网头部。封包完成之后，再把数据包转发给SDN交换机；
步骤203：SDN交换机根据匹配的流规则，将数据包转发给SDN控制器，SDN控制器在接收到数据包之后，对数据包进行深度解析，依次移除数据包的以太网，IP，UDP，GTPv1头部；
步骤204：将步骤203得到的IP数据包进一步深度解析，依次移除IP和TCP头部，得到应用层的data数据字段；
步骤205：将步骤305得到的data数据字段进行分析，判断该data数据字段是普通的TCP控制帧还是HTTP GET请求字段；
步骤206：将该上行数据包原来的TCP头部，IP头部，以太网帧头部依次添加到data数据包前，在添加IP头部和以太网帧头部之前，需要将IP头部的目的IP地址更改为缓存服务器的IP地址，目的mac地址更改为缓存服务器的IP地址；
步骤207：将经过SDN控制器中深度包解析及目的IP地址和mac地址更改后的数据包发送给SDN交换机；
图5为本发明实施例提供的缓存相关数据包在经过SDN控制器时的处理流程示意图，如图5所示，所述过程包括：
步骤301：SDN交换机对数据包进行匹配，如果SDN交换机判断数据包是GTP用户面的数据包(来源于客户端)或者源IP地址为缓存服务器IP地址的数据包(来源于缓存服务器)，则将数据包转发给SDN控制器；
步骤302：SDN控制器在接收到SDN交换机发过来的数据包之后，通过SDN控制器中的侦听接口接收数据包，然后通过SDN控制器中缓存相关模块对接收到的数据包进行处理，即转到步骤303；
步骤303：判断数据包是否是来自缓存服务器的数据包，如果是，则转到步骤306，否则，转到步骤304；
步骤304：判断数据包是否是来自UE客户端缓存相关数据，如果是，则转到步骤309，否则，转到步骤305；
步骤305：数据包为缓存无关的数据包，不对数据包进行处理，将其直接发送给SDN交换机；
步骤306：判断当前UE客户端和缓存服务器之间的TCP连接是否处于连接(connected)状态，如果是，则转到步骤308，否则，转到步骤307；
步骤307：当前UE客户端和缓存服务器之间的TCP连接处于断开(disconnected)状态，UE客户端和缓存服务器都没有打开TCP连接；
步骤308：将数据包的源IP地址更改为原始服务器的IP地址，将更改后的数据包发送给UE客户端；
步骤309：判断当前UE客户端和缓存服务器之间的TCP连接是否处于连接(connected)状态，如果是，则转到步骤310，否则，转到步骤312；
步骤310：更改数据包的目的IP地址为缓存服务器IP地址，IP地址更改完成后转到步骤311；
步骤311：将数据包发送给缓存服务器；
步骤312：对数据包进行深度解析，检测数据包中是否包含HTTP GET请求，如果是，则转到步骤313，否则转到步骤307；
步骤313：将包含HTTP GET请求数据包暂存在控制器，SDN控制器和缓存服务器进行三次握手，建立TCP连接，此时UE客户端和缓存服务器处于connected状态；
步骤314：更改步骤313缓存的HTTP GET数据包，将HTTP GET数据包的目的IP地址更改为缓存服务器的IP地址。
图6为本发明实施例提供的数据包传输过程中TCP拼接示意图，如图6所示，所述TCP拼接过程包括：
步骤401：UE和原始服务器建立TCP连接：UE向原始服务器发送SYN同步帧请求，原始服务器接收到UE的SYN同步帧请求之后，向UE发送确认帧SYN ACK，UE在接收到确认帧SYNACK后，再向原始服务器发送确认帧ACK，完成TCP三次握手连接。
步骤402：在UE和原始服务器三次握手连接完成之后，UE向原始服务器发送HTTPGET请求，该请求会被SDN控制器拦截，并暂时缓存在SDN控制器当中。
步骤403：SDN控制器和缓存服务器建立TCP连接：SDN控制器向缓存服务器发送SYN同步帧请求，缓存服务器接收到UE的SYN帧请求之后，向UE发送同步确认帧SYN ACK，UE在接收到同步确认帧SYN ACK之后，再向缓存服务器发送确认帧ACK，完成TCP三次握手连接。
步骤404：SDN控制器和缓存服务器的TCP三次握手完成之后，SDN控制器将其缓存的HTTP GET请求发送给缓存服务器，包含HTTP GET请求的数据包源IP地址仍是UE的IP地址。
步骤405：缓存服务器在接收到HTTP GET请求数据包之后，开始向UE发送其请求的网络文件数据包，这些数据包在经过SDN控制器时，其源IP地址更改为原始服务器的IP地址，UE在接收到这些数据包时，以为数据包是来自原始服务器。
步骤406：当UE请求的文件数据传输完成之后，缓存服务器向UE端发送终止连接FIN帧，UE在接收到缓存服务器发送的FIN帧后，依次向缓存服务器发送终止连接FIN帧和确认ACK帧，缓存服务器在接收到FIN和ACK帧之后，向UE发送确认ACK帧，UE在接收到确认ACK帧后，TCP四次挥手完成，TCP连接中断。
在一个实施例中，当UE客户端想要向远程的原始服务器请求一个基于HTTP的数据流时，首先要向原始服务器发送一个SYN请求，原始服务器在接收到SYN请求之后，向UE客户端发送SYN ACK，UE客户端在接收到SYN ACK之后，向原始服务器发送ACK，即完成TCP三次握手，建立TCP连接。TCP连接建立之后，UE客户端开始向原始服务器发送HTTP GET请求，当包含HTTP GET请求的TCP数据包在SDN控制器的拼接模块中被拦截下来之后，SDN控制器暂时把HTTP GET请求缓存下来，然后发送SYN数据包给缓存服务器，此时，SYN数据包的源IP地址为UE客户端的IP地址。缓存服务器接收到SYN数据包之后，向SDN控制器发送SYN ACK数据包，该数据包的目的IP地址为SDN控制器的IP地址，SDN控制器在接收到SYN ACK数据包之后，向缓存服务器发送ACK数据包，其源IP地址为SDN控制器的IP地址。此时，UE客户端与缓存服务器建立一个TCP连接。TCP连接建立完成之后，SDN控制器将之前缓存的HTTP GET数据包发送给缓存服务器。
缓存服务器在接收到HTTP GET请求之后，开始向UE客户端发送其请求的文件数据流，当这些数据包在经过SDN控制器之后，将数据包的源IP地址更改为原始服务器的IP地址，再将数据包转发出去，UE客户端在接收到这个数据包之后，认为数据包是来自原始服务器。
当基于HTTP数据流文件传输完成之后，缓存服务器会发送一个终止TCP连接的FIN数据包给UE客户端，UE客户端在接收到FIN数据包后，先发送一个ACK数据包给缓存服务器，数据包的目的IP地址在经过SDN控制器时会更改为缓存服务器的IP地址，然后再发送一个FIN数据包给缓存服务器。当缓存服务器接收到UE客户端发过来的FIN数据包后，然后发送ACK数据包给缓存服务器，最后关闭TCP连接。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。
以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于SDN的LTE网络高效缓存方法，其特征在于，所述方法包括：
SDN控制器拦截客户端向原始服务器发送的或者由缓存服务器发送的包含HTTP GET请求的GTP数据包；判断所述HTTP GET请求是否为对可缓存内容的请求；
若所述HTTP GET请求为对可缓存内容的请求，则判断所请求的内容是否被缓存；
若所请求的内容被缓存，则将所述HTTP GET请求从GTP隧道中移除，并从原来的TCP连接中移除；再将该请求重定向至缓存服务器；
具体包括：
当所述GTP数据包为缓存服务器发出的，则判断当前客户端与缓存服务器之间的TCP连接是否处于连接状态，若处于连接状态，则将数据包的源IP地址更改为原始服务器的IP地址，再对数据包进行GTP封包，然后发送给客户端；
当所述GTP数据包为客户端向原始服务器发出的，判断数据包是否是来自客户端的缓存相关数据，若不为缓存相关数据则直接发送至SDN交换机；若为缓存相关数据，则判断当前客户端和缓存服务器之间的TCP连接是否处于连接状态，若处于连接状态，则将原始数据包的目的IP地址更改为缓存服务器的IP地址， 并不对原始数据包进行GTP封包，直接发送给缓存服务器；若不为缓存相关数据，则判断是否包含HTTP GET请求数据包，若包含HTTPGET请求数据包，则将包含HTTP GET请求的数据包暂存在SDN控制器中，令SDN控制器和缓存服务器进行三次握手，建立TCP连接；更改HTTP GET请求的数据包的目的地址为缓存服务器的IP地址，将所述HTTP GET请求从GTP隧道中移除，并从原来的TCP连接中移除；再将该HTTPGET请求的数据包重定向至缓存服务器；
将从缓存服务器上接收到的数据包***到GTP隧道和TCP连接中。
2.根据权利要求1所述的一种基于SDN的LTE网络高效缓存方法，其特征在于，判断所述GTP数据包是否包含HTTP GET请求包括对GTP数据包进行深度解析，依次移除GTP数据包的以太网帧头部，IP头部，UDP头部，GTP头部，得到原始的IP数据包字段，再对原始的IP数据包进行解析，依次移除IP头部，TCP头部，最后得到应用层数据包字段，判断该字段是否为HTTPGET。
3.根据权利要求1所述的一种基于SDN的LTE网络高效缓存方法，其特征在于，判断所述HTTP GET请求是否为缓存内容的请求包括维护一个内容服务器路径CSD，根据请求信息和CSD中的内容进行匹配，判断请求是否为对可缓存内容的请求，若匹配成功即为对缓存内容的请求。
4.根据权利要求1所述的一种基于SDN的LTE网络高效缓存方法，其特征在于，判断请求的内容是否被缓存包括维护一个内容位置路径CLD，判断其中包含请求的内容和其对应的缓存服务器的IP地址以及缓存内容是否存在于缓存服务器的标志信息，若同时满足，则该请求的内容被缓存。
5.一种基于SDN的LTE网络高效缓存***，其应用于如权利要求1~4任一所述的一种基于SDN的LTE网络高效缓存方法，其特征在于，所述***包括：
客户端，用于向原始服务器发出网络内容请求；
原始服务器，为客户端提供网络内容；
缓存服务器，用于存储原始服务器的网络内容；
SDN交换机，用于配置转发规则；
SDN控制器，用于控制SDN交换机配置转发规则以及处理网络中的数据包。
6.根据权利要求5所述的一种基于SDN的LTE网络高效缓存***，其特征在于，所述缓存服务器与所述SDN控制器都连接在所述SDN交换机上，所述SDN交换机配置流转发规则，使经过SDN交换机的相关数据包流转发给SDN控制器，所述转发规则属于二层交换。
7.根据权利要求5所述的一种基于SDN的LTE网络高效缓存***，其特征在于，所述SDN控制器上包括缓存功能模块，所述缓存功能模块接收来自SDN交换机的GTP数据包，对所述GTP数据包进行深度解析。
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