CN114614898A - 一种环形拓扑网络及其构建方法、数据转发方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种环形拓扑网络，其中，所述网络包括多个终端节点，所有终端节点串行连接形成闭环的环形回路，上一个终端节点的输出端与下一个终端节点的输入端相连，所述每个终端节点配置有网卡设备和光模块，其中：所述光模块用于接收输入光信号，并将光信号转换为电信号进行缓存并以数据包形式发送给网卡设备，以及将需要转发的数据包转换为光信号后向外发送；所述网卡设备用于根据预先配置的转发规则将其接收到的数据包进行处理，其中，所述预先配置的转发规则包括：数据包目的地址为本机时将其发送给所在的主机进行保存、数据包目的地址为非本机时将其发送给光模块进行转发、数据包源地址为本机时将其丢弃。
Description
技术领域
本发明涉及计算机通信领域，具体来说，涉及计算机通信领域中的光通信领域，更具体地说，涉及一种环形拓扑网络及其构建方法、数据转发方法。
背景技术
在100Gbps及更高速率的网络通信中，相较于使用电信号进行数据传输，使用光纤传输光信号具有压倒性的优势，目前已广泛应用光纤代替铜缆进行数据传输，但光纤传输同样存在其自身的弱点，即数据包的交换与转发不如电领域灵活且易于实现。目前应用于光交换领域的设备主要有光交换机和光开关装置，其中，光交换机原理与电交换机无异，通过连接的光模块完成光电转换，在其内部使用电信号完成数据包的转发；光开关装置则通过其链路可重构的特性，在两个通信节点间构造物理点对点链路，当存在数据包转发需求时，则发动链路重构，将需要转发的数据包的源节点和目的节点直接相连，从而规避了数据包转发这一行为。然而光交换机十分昂贵。一台包含24个接口的光交换机的市场价格通常在十万以上，并且该价格不包含连接所需的光模块，例如构建12个节点的交换网络需要12个连接终端设备的光模块和12个额外的用于连接光交换机的光模块。
使用光开关装置进行交换可规避对额外光模块的要求，从而降低部署成本，但是会引入其它的问题。如使用光交叉开关(Crossbar)进行互连，则由于光交叉开关的特性，交叉开关制造成本随着介入节点数量上升呈指数上升，并且光交叉开关自身不存在缓存区机制，部署时需要使用定制的网卡设备，以及额外的交叉开关控制芯片来完成整张网络内部的通信，加上光开关装置的特性，很多情况下使用光交叉开关不光难以节省成本，网络性能也会有所下降。另一种常见的光开关装置为BENES光开关阵列，其拥有和光交叉开关一致的功能，但对光开关器件的数量需求远低于光交叉开关。例如在8节点互连条件下，光交叉开关需要64个光开关器件，但BENES光开关阵列仅需20个，除此之外，由于BENES光开关阵列的重构逻辑计算时间较长，达到了毫秒级，使用BENES光开关阵列会带来显著的性能损失，产生较大的时延。
总体来说，现有光通信中的数据传输中存在以下问题：
1、对于小规模的光纤通信组网来说，采用光交换机的方案在于不仅光交换机本身的成本高昂且体积过于庞大，不利于在同一主板上实现多CPU互连，并且光交换机自身也存在大量设计难点，同时使用光交换机时每一个节点都需要至少连接两个光模块，使得成本进一步升高。
2、目前使用光开关装置无法缓存数据且无法实现实时全互连，在产生调度问题的同时对组网设备有额外要求，增加了成本，并且使用光开关装置会产生较大的时延。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种环形拓扑网络及其构建方法、数据转发方法。
根据本发明的第一方面，提供一种环形拓扑网络，其中，所述网络包括多个终端节点，所有终端节点串行连接形成闭环的环形回路，上一个终端节点的输出端与下一个终端节点的输入端相连，所述每个终端节点配置有网卡设备和光模块，其中：所述光模块用于接收输入光信号，并将光信号转换为电信号进行缓存并以数据包形式发送给网卡设备，以及将需要转发的数据包转换为光信号后向外发送；所述网卡设备用于根据预先配置的转发规则将其接收到的数据包进行处理，其中，所述预先配置的转发规则包括：数据包目的地址为本机时将其发送给所在的主机进行保存、数据包目的地址为非本机时将其发送给光模块进行转发、数据包源地址为本机时将其丢弃。
在本发明的一些实施例中，所述每个终端节点配置的光模块包括：接收器，用于接收输入的光信号并将光信号转换为电信号并以数据包形式缓存于接收缓冲区中；接收缓冲区，用于缓存接收到的数据包，以发送给网卡设备；发送器，用于将发送缓冲区中的数据包转换为光信号并向外发送；发送缓冲区，用于缓存需要发送的数据包。
优选的，所述环形拓扑网络为单向环形网络，每个终端节点的光模块中的发送器通过光纤与相邻终端节点的光模块中的接收器相连。
在本发明的一些实施例中，所述网卡设备预先配置的数据转发规则中数据包目的地址为非本机时，所述网卡设备被配置为按照如下方式对输入光信号对应的数据包进行处理：数据包目的地址为广播地址时，将其发送给光模块进行转发的同时发送给主机进行保存；数据包目的地址为组播地址时，将其发送给光模块进行转发，其中，本机处于组播域内时将其转发的同时发送给主机进行保存；数据包目的地址为其他目的地址时，将其发送给光模块进行转发。
优选的，通过如下方法将转发规则预先配置在所述网卡设备中：通过重写网卡设备中的网卡驱动程序进行配置；或者通过将数据包转发规则直接嵌入网卡设备中进行配置。
根据本发明的第二方面，提供一种构建如本发明第一方面所述的环形拓扑网络的方法，所述方法包括：G1、获取待构建环形拓扑网络的终端节点规模，并获取规模对应数量的终端节点；G2、将步骤G1中的终端节点依次通过光纤串行连接形成闭环的环形网络，其中，上一个终端节点的光模块的输出端与下一个终端节点的光模块的输入端相连；G3、响应于环形拓扑网络增加终端节点的需求，断开任意两个终端节点的连接，将新增的终端节点依次串入断开的两个终端节点之间。
根据本发明的第三方面，提供一种基于本发明第一方面所述的环形拓扑网络的数据转发方法，所述方法包括：S1、接收到输入光信号的终端节点通过光模块将光信号转换为电信号进行缓存并以数据包形式发送给该终端节点的网卡设备；S2、通过所述终端节点的网卡设备根据预先配置的转发规则将接收到的数据包进行处理，其中，所述预先配置的转发规则包括：数据包目的地址为本机时将其发送给所在的主机进行保存、数据包目的地址为非本机时将其发送给光模块进行转发、数据包源地址为本机时将其丢弃。
优选的，所述步骤S2包括：S21、通过网卡设备将需要转发的数据包发送给所在终端节点的光模块并通过光模块转换为光信号向外发送；或者S22、通过网卡设备将不需要转发的数据包发送给所在主机进行保存或丢弃。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、将传统数据传输中数据的转发逻辑从交换机转移至网卡设备上，解除了对交换设备的依赖，占地面积极小。
2、通过构建分布式环形拓扑网络，在以太网协议下，仅需要一次性配置入网的网卡设备即可使环形拓扑网络内的所有网络设备具备相互访问的功能，实现了全互连，并且网络易于构建。
3、数据转发逻辑分布于全部参与组网的节点内部，每个节点都有自己的转发逻辑，使得每个节点仅需与一个光模块相连。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1为根据本发明实施例的一种环形拓扑网络结构示意图；
图2为根据本发明实施例的一种用于构建环形拓扑网络的方法流程示意图；
图3为根据本发明实施例的一种基于环形拓扑网络的数据转发方法流程示意图。
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，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
由于以太网协议、TCP/IP协议以及MAC协议均是公知技术，本发明对具体涉及到的协议本身不做赘述，仅对实现数据转发的装置、如何实现环形拓扑组网以及修改后的数据转发规则进行说明。
首先介绍一下本发明的技术思想和框架。如背景技术部分提到的，现有光通信中的数据传输方案中大多使用光交换机或光开关装置实现。其中，现有以太网协议下采用光交换机进行数据通信的方案中的网络拓扑结构通常配置为星形或树状结构，且网卡本身不具备转发操作，需要软硬件配合，转发逻辑由光交换机执行，光交换机通过连接的光模块完成光电转换，在其内部使用电信号完成数据包的转发，然而，光交换机本身的价格十分高昂，且占地面积大，不利于小规模的数据传输，同时，在使用光交换机的情况下每个节点都需要连接至少两个光模块，即包含N个节点的交换网络至少需要2N个光模块，进一步增加了成本。而在采用光开关装置的方案中，通过在两个通信节点之间构造物理链路实现点对点数据传输，然而无法缓存数据且无法实现全互连，性能较差，不适用于小规模数据传输以及需要频繁变更目标节点的网络通信模式，同时对组网设备提出额外要求，不仅同样会增加成本且会产生大量时延。为了解决上述问题，本发明通过研究环形拓扑网络发现，利用环形拓扑网络将数据包的转发逻辑从光交换机上转移至网卡设备上，即可消除对交换装置的依赖，本发明的方案将转发逻辑从光交换机转移到了每一个终端节点的网卡设备上，同时每个节点均只需要一个光模块即可实现整个环形拓扑网络的实时全互连，是最简单经济的方案，采用本发明的方案优于采用光开关装置的方案，通过合理搭配并主动控制流量可将时延控制在微秒级。综上所述，本发明提出了一种新型的数据转发装置用于构建环形拓扑网络，并修改数据包转发规则，在以太网协议下，仅需一次性配置入网的网卡设备即可使得环形拓扑网络中的每个节点具备访问其他节点的能力。在使用本发明提出的方案进行小规模组网时，相比于传统方法使用光交换机或光开关装置的方案，对光模块的需求与使用光交换机的方案相比减少了一半，同时，不仅没有使用光开关方案的连接限制，还避免了对光交换机或光开关装置的依赖，大大降低了成本，且操作简单。
为了更好地理解本发明，下面通过具体的实施例来详细说明本发明。
根据本发明的一个实施例，本发明提供一种环形拓扑网络，所述环形拓扑网络为单向环形网络，包括多个终端节点，所有终端节点串行连接形成闭环的环形回路，上一个终端节点的输出端与下一个终端节点的输入端相连，所述每个终端节点配置有网卡设备和光模块，例如图1的包含4个终端节点相连构成的环形拓扑网络，下面对每个终端节点的配置进行详细说明。
光模块是一种连接光纤与网络接口的模块，内部通常包含光电转换器和激光器用于实现光电转换。本发明中所述的光模块可以采用通用的光模块，例如SFP、SFP+、QSFP、QSFP28等型号的光模块。根据本发明的一个实施例，本发明中的光模块用于接收输入光信号，并将光信号转换为电信号进行缓存并以数据包形式发送给网卡设备，以及将需要转发的数据包重新转换为光信号后向外发送。例如图1所示，每个终端节点的光模块均包括：接收器、接收缓冲区、发送缓冲区、发送器，其中，接收器用于接收输入的光信号并将光信号转换为电信号，以数据包形式缓存于接收缓冲区中；接收缓冲区用于缓存所接收的数据包，以发送给网卡设备；发送器用于将发送缓冲区中的数据包转换为光信号并向外发送；发送缓冲区用于缓存需要发送的数据包。根据本发明的一个实施例，光模块的一端可以连接单模或多模光纤，另一端用于连接网卡的网络接口，其中，用于连接光纤的端口包含两组，分别对应接收器端和发送器端。需要说明的是，光模块通常应用了波分复用技术，使得多条信道可以通过一条物理光纤同时进行传输，如QSFP28规格的光模块定义了8条链路，4条用于发送，4条用于接收，而CWDM4规格的光模块仅需2条光纤即可实现通信。由于光模块的接收器通道和发送器通道各自分离，因此，在本发明所提供的环形拓扑网络中，每个终端节点通过光模块进行连接，即每个终端节点的光模块中的发送器通过光纤与相邻终端节点的光模块中的接收器相连。
网卡设备用于根据预先配置的转发规则将其接收到的数据包进行处理，其中，所述预先配置的转发规则包括：数据包目的地址为本机时将其发送给所在的主机进行保存、数据包目的地址为非本机时将其发送给光模块进行转发、数据包源地址为本机时将其丢弃。其中，数据包目的地址为非本机时又包含了多种情况，包括：数据包目的地址为广播地址时，将其发送给光模块进行转发的同时发送给主机进行保存；数据包目的地址为组播地址时，将其发送给光模块进行转发，其中，本机处于组播域内时将其转发的同时发送给主机进行保存；数据包目的地址为其他目的地址时，将其发送给光模块进行转发。
需要说明的是，网卡设备所在的主机本身产生的数据包同样通过网卡设备发送给光模块的发送器转换为光信号向外发送，当主机本身产生的数据包需要发送与输入的数据包需要转发发生冲突时，网卡设备可以主动进行控制，使得在一个时刻只能进行数据包的转发或发送本机产生的数据包。例如，可以通过对转发流量和自身流量分别进行流量控制，其中，对转发流量进行控制的流程包括：当转发流量在一定时间间隔内占比超过预设的阈值，或吞吐量超过预设的阈值时拒绝后续流量的通过(即缓存后暂存)，直至一定时间间隔内的指标低于预设阈值后再重新开放，对自身流量进行控制的方法类似，此处不再赘述。
优选的，由于应用层使用的通信协议往往基于TCP/IP协议，因此需要设置每个终端节点网卡设备的IP地址，确保每个终端节点的网卡设备的IP地址不同且均在同一子网下即可，由于网络是分布式的，所以无须设置网关参数。
根据本发明的一个实施例，网卡设备将接收到的源地址为本机的数据包丢弃这一规则是一种退出机制，如果不将其丢弃，数据包会在环形拓扑网络中被无限转发，导致网络堵塞。当该数据包在环形拓扑网络被陆续转发一周后，回到原本发出该数据包的主机所在的终端节点，此时将其丢弃。本发明提供的环形拓扑网络使用了IPTables转发表机制来实现转发和丢弃的功能，而网卡设备本身并不包含IPTables转发表机制，因此通过修改数据转发规则实现。本发明提供的环形拓扑网络通过将转发规则预先配置在网卡设备中实现，包括：通过重写网卡设备中的网卡驱动程序进行配置或通过将数据包转发规则直接嵌入网卡设备中进行配置。需要说明的是，通过将转发规则直接嵌入网卡设备内是效率最高的方式，采用此方式仅需将转发规则利用智能网卡的内置功能进行可编程实现，例如基于P4语言，而无需改动网卡设备的其余部分；通过重写网卡设备中的网卡驱动程序虽然也能实现但产生的时延增加，且效率会降低。需要说明的是，本发明中提到的通过网卡设备实现转发规则仅针对智能网卡，对于大多数市售的非智能网卡产品而言，由于其无法实现转发以及分类过滤等功能，只能将数据包发送给主机操作***实现。
除了上述通过将转发规则预先配置在网卡设备中的方案，还可以通过用户应用程序完全接管网卡设备由人工对数据包进行手动处理，例如Intel公司的DPDK技术。采用这种方式时，环形拓扑网络的每个终端节点中的网卡设备不再根据数据包包含的信息进行转发规则的判定，而是根据人工手动处理的结果在光信号转换为电信号后将其发送给主机进行保存或丢弃、或将其通过发送器重新转换为光信号进行转发。
根据本发明的一个实施例，本发明还提供一种用于实现上述环形拓扑网络的构建方法，如图2所示，所述方法包括步骤G1、G2、G3，下面详细说明每个步骤。
在步骤G1中，获取待构建环形拓扑网络的终端节点规模，并获取规模对应数量的终端节点。
在步骤G2中，将步骤G1中的终端节点依次通过光纤串行连接形成闭环的环形网络，其中，上一个终端节点的光模块的输出端与下一个终端节点的光模块的输入端相连。
在步骤G3中，响应于环形拓扑网络增加终端节点的需求，断开任意两个终端节点的连接，将新增的终端节点依次串入断开的两个终端节点之间。当环形拓扑网络需要增加终端节点时，每个终端节点清空自身的路由表缓存并发起广播请求，例如终端节点A发送数据包，相邻的终端节点B收到后在保存到本机的同时在自身的路由表项中添加对应的表项，再由B向C发送，重复此步骤，直到A再次收到该数据包，此时整个环形拓扑网络的每个终端节点都记录下A的路由信息，再由其余端口节点各自执行以上步骤，直到每个终端节点都记录下环形拓扑网络内其余所有终端节点的路由信息，完成路由表的构建并完成组网。减少终端节点的情况与增加终端节点时类似，此处不再赘述。
根据本发明的一个实施例，本发明还提供一种基于上述环形拓扑网络的数据转发方法，如图3所示，所述方法包括步骤S1、S2，下面详细说明每个步骤。
在步骤S1中，接收到输入光信号的终端节点的光模块通过光模块将光信号转换为电信号进行缓存并以数据包形式发送给该终端节点的网卡设备。
在步骤S2中，通过所述终端节点的网卡设备根据预先配置的转发规则将接收到的数据包进行处理，其中，步骤S2还包括：将需要转发的数据包发送给所在终端节点的光模块并通过发送器重新转换为光信号向外发送或者将不需要转发的数据包发送给所在主机进行保存或丢弃。
基于以上步骤，当终端节点接收光信号输入时，由于环形拓扑网络的特点，只要网络内存在包含该数据包目的MAC地址的终端节点，该数据包一定能被正确转发到对应目的MAC地址所在的终端节点。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、将传统数据传输中数据的转发逻辑从交换机转移至网卡设备上，解除了对交换设备的依赖，占地面积极小。
2、通过构建分布式环形拓扑网络，在以太网协议下，仅需要一次性配置入网的网卡设备即可使环形拓扑网络内的所有网络设备具备相互访问的功能，实现了全互连，并且网络易于构建。
3、数据转发逻辑分布于全部参与组网的节点内部，每个节点都有自己的转发逻辑，使得每个节点仅需与一个光模块相连。
需要说明的是，虽然上文按照特定顺序描述了各个步骤，但是并不意味着必须按照上述特定顺序来执行各个步骤，实际上，这些步骤中的一些可以并发执行，甚至改变顺序，只要能够实现所需要的功能即可。
本发明可以是***、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本发明的各个方面的计算机可读程序指令。
计算机可读存储介质可以是保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以包括但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
Claims (11)
1.一种环形拓扑网络，其中，所述网络包括多个终端节点，所有终端节点串行连接形成闭环的环形回路，上一个终端节点的输出端与下一个终端节点的输入端相连，所述每个终端节点配置有网卡设备和光模块，其中：
所述光模块用于接收输入光信号，并将光信号转换为电信号进行缓存并以数据包形式发送给网卡设备，以及将需要转发的数据包转换为光信号后向外发送；
所述网卡设备用于根据预先配置的转发规则将其接收到的数据包进行处理，其中，所述预先配置的转发规则包括：数据包目的地址为本机时将其发送给所在的主机进行保存、数据包目的地址为非本机时将其发送给光模块进行转发、数据包源地址为本机时将其丢弃。
2.根据权利要求1所述的网络，其特征在于，所述每个终端节点配置的光模块包括：
接收器，用于接收输入的光信号并将光信号转换为电信号并以数据包形式缓存于接收缓冲区中；
接收缓冲区，用于缓存所接收到的数据包以发送给网卡设备；
发送器，用于将发送缓冲区中的数据包转换为光信号并向外发送；
发送缓冲区，用于缓存需要发送的数据包。
3.根据权利要求2所述的网络，其特征在于，所述环形拓扑网络为单向环形网络，每个终端节点的光模块中的发送器通过光纤与相邻终端节点的光模块中的接收器相连。
4.根据权利要求1所述的网络，其特征在于，所述网卡设备预先配置的数据转发规则中数据包目的地址为非本机时，所述网卡设备被配置为按照如下方式对输入的数据包进行处理：
数据包目的地址为广播地址时，将其发送给光模块进行转发的同时发送给主机进行保存；
数据包目的地址为组播地址时，将其发送给光模块进行转发，其中，本机处于组播域内时将其转发的同时发送给主机进行保存；
数据包目的地址为其他目的地址时，将其发送给光模块进行转发。
5.根据权利要求1所述的网络，其特征在于，通过如下方法将转发规则预先配置在所述网卡设备中：
通过重写网卡设备中的网卡驱动程序进行配置；或者
通过将数据包转发规则直接嵌入网卡设备中进行配置。
6.一种构建如权利要求1-5任一所述的环形拓扑网络的方法，其特征在于，所述方法包括：
G1、获取待构建环形拓扑网络的终端节点规模，并获取规模对应数量的终端节点；
G2、将步骤G1中的终端节点依次通过光纤串行连接形成闭环的环形网络，其中，上一个终端节点的光模块的输出端与下一个终端节点的光模块的输入端相连。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
G3、响应于环形拓扑网络增加终端节点的需求，断开任意两个终端节点的连接，将新增的终端节点依次串入断开的两个终端节点之间。
8.一种基于权利要求1-5任一所述的环形拓扑网络的数据转发方法，其特征在于，所述方法包括：
S1、接收到输入光信号的终端节点通过光模块将光信号转换为电信号进行缓存并以数据包形式发送给该终端节点的网卡设备；
S2、通过所述终端节点的网卡设备根据预先配置的转发规则将接收到的数据包进行处理，其中，所述预先配置的转发规则包括：数据包目的地址为本机时将其发送给所在的主机进行保存、数据包目的地址为非本机时将其发送给光模块进行转发、数据包源地址为本机时将其丢弃。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤S2包括；
S21、通过网卡设备将需要转发的数据包发送给所在终端节点的光模块并通过光模块转换为光信号向外发送；或者
S22、通过网卡设备将不需要转发的数据包发送给所在主机进行保存或丢弃。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以实现如权利要求6-7或8-9中任一项所述方法的步骤。
11.一种电子设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述电子设备实现如权利要求6-7或8-9中任一项所述方法的步骤。
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