CN115051950B - 一种面向不同业务类型的自适应数据转发***及方法 - Google Patents

一种面向不同业务类型的自适应数据转发***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及移动通信技术领域，具体地说，是一种面向不同业务类型的自适应数据转发***及方法，由业务信息表、数据包打标签模块、自适应数据包转发模块以及与多个独立的路由表组成；业务信息表保存着用户的业务信息与使用传输协议的类型或五元组的信息与对应的一个优先级信息，业务信息表在发生变化时，都会通知数据包打标签模块；数据包打标签模块对数据包按照优先级打上标签，自适应数据包转发模块根据数据包中标签的优先级将数据包转发到对应的路由表中，由该路由表所对应的底层的网卡驱动转发出去，从而实现针对不同用户业务类型，根据用户业务优先级转发用户业务产生的数据报文，保障高优先级业务的QoS，保证紧急业务的数据转发实时性。

Description

一种面向不同业务类型的自适应数据转发***及方法
技术领域
本发明涉及移动通信技术领域，具体地说，是一种面向不同业务类型的自适应数据转发***及方法。
背景技术
工业4.0正在推动全球从“以网络为中心的服务”到“以服务为中心的网络”的一场信息产业革命，信息社会的发展要求信息网络的接入对象不仅包括人还要包括网络边缘环境的所有物端（可以是实体的也可以是虚拟的各类物端），信息技术的研究重点也从“信息传输”技术转向“信息服务”技术。作为信息时代特征的5G高速移动网络技术的20%将用于人与人之间的通信业务，而80%则将用于满足物与物以及人与物之间的物联网服务需求；物联网作为5G时代乃至B5G时代的最具代表性的***与应用，以边缘计算、大数据、人工智能等为代表的新兴技术快速迭代，其边缘服务环境中的新型协同网络是实现万物互联和协同服务的基础和核心。
目前物联网场景广泛，对于物联网设备的具体形式也无明显的界定，所以对于制造商来说生产的智能终端设备则均使用了自家的通信协议。同时处于终端的成本考虑，他们使用的通信方式也各不一样，如：蓝牙、LoRa、2.4G、ZigBee等。但为了接入云管理平台，这些终端设备都会配备一个网关，来收集这些终端设备的数据，同时做出协议转换，以保证数据可以再互联网中路由到云服务器。因此，随着物联网终端设备种类和数量增多，每个家庭以及工业生产环境中也均需要各种格式的物联网网关，所以对于未来，在物联网边缘侧需要一种方案，来解决此问题。
国内外对边缘物联网的接入研究都把目标集中于单个接入网络链路的优化问题，没有考虑到异构网络的联合优化。且传统网络中的数据转发是基于目的地址转发，对于数据包的内容是不敏感，及无差别对待的最大努力交付式服务。对于异构网络链路接入的情况下，不同业务类型的数据包转发仍有很大的优化提升空间。
在物联网应用场景中，承载着各种各样的业务，他们对网络的要求不一，有的需要低时延、低丢包，但对带宽需求不高；有的要求大带宽，但对时延不敏感。但是如果把多种不同的业务部署到不同的网关之上，成本又太大。因此迫切需要集中于使用同一个智能边缘网络控制器，设计一种面向用户业务类型的自适应转发用户数据包方法，以保障高优先级业务的QoS。
发明内容
本发明旨在提供一种面向不同业务类型的自适应数据转发***及方法，使用同一个智能边缘网络控制器，针对不同用户业务类型，根据用户业务优先级转发用户业务产生的数据报文，保障高优先级业务的QoS。
为了实现上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：
一种面向不同业务类型的自适应数据转发***，该***框架主要由业务信息表、数据包打标签模块、自适应数据包转发模块以及与每个标签所对应的多个独立的路由表组成；通过数据包打标签模块对数据包按照优先级打上标签，数据包转发模块根据数据包中标签的优先级转发到对应的路由表中，从而实现针对不同用户业务类型，根据用户业务优先级转发用户业务产生的数据报文，保障高优先级业务的QoS。
根据上述面向不同业务类型的自适应数据转发***，本发明还披露了一种面向不同业务类型的自适应数据转发方法，具体包括以下步骤：
步骤S1、初始化边缘网络控制器，检测物理网卡的个数以及参数；
步骤S2、为每个网卡均配置一个相匹配的路由表，同时为每个路由表分配一个唯一的标签值，每个标签值对应一个优先级值；
步骤S3、初始化业务信息表，业务信息表主要是包含数据包打标签模块所需要的配置信息，业务信息表在发生变化（添加新配置项、删除配置项、修改配置项）时，都会通知数据包打标签模块，更新同步配置；
步骤S4、待用户数据被转发到当前边缘网络控制器中后，数据打标签模块会根据配置的业务信息对该数据包设置一个代表优先级的数据标签；
步骤S5、自适应数据包转发模块会根据数据包上的数据标签，把该数据包送到与该标签绑定的路由表中，由该路由表所对应的底层的网卡驱动转发出去。
进一步地，所述步骤S1中，获取物理网卡信息包括，获取具有通信能力的网卡个数，以及网卡的类型，如5G、4G、有线以太网卡。此外还要获取每个物理网卡的配置信息，如网关、IP地址、IP地址掩码等。
进一步地，所述步骤S2中，建立多张路由表是通过上文介绍的iproute2路由管理工具中的ip rule实现的，根据步骤S1中获取到的多个网卡信息，为每个网卡建立一个独立的路由表，把代表不同优先级的标签值与对应的路由表绑定起来；为每个物理网卡创建一个单独的路由表之后，需要可以通过iproute2路由管理工具中的ip route add实现。
进一步地，所述步骤S3中，业务信息表主要是保存着用户的业务信息与使用传输协议的类型或五元组的信息与对应的一个优先级信息，用于给数据包打标签模块提供识别信息，具体步骤为：
步骤A1、配置文件读取：配置文件有三种类型，常用协议配置信息、边缘控制器内部协议配置信息、三方程序动态配置的协议信息；
步骤A2、接收动态配置指令：此部分功能主要是用于为第三方程序提供动态管理配置信息表所设计的功能接口；
步骤A3、指令动作执行：业务信息表主要的核心是保存业务所使用的协议类型、建立连接的信息等。执行的命令动作有向动态业务信息表中添加配置项、修改动态业务信息表中的配置项、删除动态业务信息表中的配置项，指令动作与三方程序API接口基本对应执行；
步骤A4、通知打标签模块，通知的实现方式是通过Linux中消息队列实现的；
步骤A5、回写配置文件：需要对修改后的数据结构进行回写磁盘，以便程序下次启动读取。
进一步地，所述步骤S4中，数据包打标签模块获取到所有业务信息后所需要做的就是根据业务信息配置项生成iptables配置工具对应的参数，然后执行此命令以在内核Netfilter子***中的mangle表中的POSTROUTING链中进行监控对应的数据包，然后对其使用对应的标签值进行标记。
进一步地，所述步骤S5中，自适应数据包转发模块在收到数据包以后，会从数据包中获取包含路由优先级信息的标签字段中的数值，然后根据此标签数值在已有的多个路由表中查找与该优先级标签值对应的路由表，然后把此数据包传递给此路由表，同时会把数据包中的优先级字段标签从数据包中删除，该路由表依据目标IP地址进行选择路由，最后由该路由表所对应的底层的网卡驱动将该数据包转发出去。
有益效果：本发明具备以下优点：
（1）业务信息表在发生变化（添加新配置项、删除配置项、修改配置项）时，都会通知数据包打标签模块，实现了模块之间的同步配置。
（2）业务信息表采用了动态增删业务信息表的方式，除了互联网中常用的协议信息外，还可以添加一些自行设计的私有协议的相关信息，保障了***的灵活性。
（3）对于同一个转发等价类，在此路由***中都用着相同的路由链路，提高了数据包路由的效率。
（4）在多业务运行情况下，可以有效降低高优先级业务的时延。
附图说明
图1是本发明提供的面向业务类型的自适应数据转发***框架图。
图2是本发明提供的建立多张路由表及与对应标签值绑定流程图。
图3是本发明提供的业务信息表工作流程图。
图4是本发明提供的数据包打标签模块工作流程图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例：如图1所示，一种面向不同业务类型的自适应数据转发***，该***框架主要由业务信息表、数据包打标签模块、自适应数据包转发模块以及与每个标签所对应的多个独立的路由表组成；通过数据包打标签模块对数据包按照优先级打上标签，数据包转发模块根据数据包中标签的优先级转发到对应的路由表中，从而实现针对不同用户业务类型，根据用户业务优先级转发用户业务产生的数据报文，保障高优先级业务的QoS。
面向业务类型的自适应数据转发方法，包括以下步骤：
步骤1.1、初始化边缘网络控制器，检测物理网卡的个数以及参数；
步骤1.2、为每个网卡均配置一个相匹配的路由表，同时为每个路由表分配一个唯一的标签值，每个标签值对应一个优先级值；
步骤1.3、初始化业务信息表，业务信息表主要是包含数据包打标签模块所需要的配置信息，业务信息表在发生变化（添加新配置项、删除配置项、修改配置项）时，都会通知数据包打标签模块，更新同步配置；
步骤1.4、待用户数据被转发到当前边缘网络控制器中后，数据打标签模块会根据配置的业务信息对该数据包设置一个代表优先级的数据标签；
步骤1.5、自适应数据包转发模块会根据数据包上的数据标签，把该数据包送到与该标签绑定的路由表中，由该路由表所对应的底层的网卡驱动转发出去。
本发明所述建立多张路由表及与对应标签值绑定流程如图2所示，包括以下步骤：
步骤2.1、获取物理网卡信息包括，获取具有通信能力的网卡个数，以及网卡的类型，如5G、4G、有线以太网卡。此外还要获取每个物理网卡的配置信息，如网关、IP地址、IP地址掩码等；
步骤2.2、建立多张路由表是通过上文介绍的iproute2路由管理工具中的ip rule实现的。根据步骤2.1中获取到的多个网卡信息，为每个网卡建立一个独立的路由表，把代表不同优先级的标签值与对应的路由表绑定起来；
步骤2.3、为每个物理网卡创建一个单独的路由表之后，需要可以通过iproute2路由管理工具中的ip route add实现。
本发明所述业务信息表工作流程如图3所示，包括以下步骤：
步骤3.1、配置文件读取：配置文件有三种类型，常用协议配置信息、边缘控制器内部协议配置信息、三方程序动态配置的协议信息；
步骤3.2、接收动态配置指令：此部分功能主要是用于为第三方程序提供动态管理配置信息表所设计的功能接口；
步骤3.3、指令动作执行：业务信息表主要的核心是保存业务所使用的协议类型、建立连接的信息等。执行的命令动作有向动态业务信息表中添加配置项、修改动态业务信息表中的配置项、删除动态业务信息表中的配置项，指令动作与三方程序API接口基本对应执行；
步骤3.4、通知打标签模块，通知的实现方式是通过Linux中消息队列实现的；
步骤3.5、回写配置文件：需要对修改后的数据结构进行回写磁盘，以便程序下次启动读取。
本发明所述数据包打标签模块工作流程如图4所示，包括以下步骤：
步骤4.1、从业务信息表获取所有配置项信息：此部分是在业务信息表读取所有配置之后，业务信息表将所有的配置信息通过进程通信的方式发送给数据包打标签模块，当数据包打标签模块启动时，会从进程通信通道中读取对应的配置项消息；
步骤4.2、根据配置项信息设置打标签命令：数据包打标签模块获取到所有业务信息后所需要做的就是根据业务信息配置项生成iptables配置工具对应的参数，然后执行此命令以在内核Netfilter子***中的mangle表中的POSTROUTING链中进行监控对应的数据包，然后对其使用对应的标签值进行标记；
步骤4.3、监听业务信息配置项变更命令：完成预设的业务信息配置信息设定之后，数据包打标签模块会监听消息队列的新消息。当有新的消息到达时，判断新的业务信息配置项命令的类型，以此来确定下一步操作；
步骤4.4、依据配置项命令执行相应变更。
以上所述仅为本发明的实施方式而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理的内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种面向不同业务类型的自适应数据转发方法，采用面向不同业务类型的自适应数据转发***，该***由业务信息表、数据包打标签模块、自适应数据包转发模块以及与每个标签所对应的多个独立的路由表组成；使用同一个智能边缘网络控制器面向用户业务类型，根据用户业务优先级转发用户业务产生的数据报文，以保障高优先级业务的QoS，其特征在于，具体步骤如下：
步骤S1、初始化边缘网络控制器，检测物理网卡的个数以及参数；
步骤S2、为每个网卡均配置一个相匹配的路由表，同时为每个路由表分配一个唯一的标签值，每个标签值对应一个优先级值；
步骤S3、初始化业务信息表，业务信息表包含数据包打标签模块所需要的配置信息，业务信息表在发生变化时，都会通知数据包打标签模块，更新同步配置；
步骤S4、待用户数据被转发到当前边缘网络控制器中后，数据打标签模块会根据配置的业务信息对该数据包设置一个代表优先级的数据标签；
步骤S5、自适应数据包转发模块会根据数据包上的数据标签，把该数据包送到与该标签绑定的路由表中，由该路由表所对应的底层的网卡驱动转发出去。
2.根据权利要求1所述的一种面向不同业务类型的自适应数据转发方法，其特征在于，所述步骤S1中，获取物理网卡信息包括获取具有通信能力的网卡个数、网卡的类型、每个物理网卡的配置信息。
3.根据权利要求2所述的一种面向不同业务类型的自适应数据转发方法，其特征在于，所述步骤S2中，根据步骤S1中获取到的多个网卡信息，为每个网卡建立一个独立的路由表，把代表不同优先级的标签值与对应的路由表绑定起来；为每个物理网卡创建一个单独的路由表之后，需要通过iproute2路由管理工具中的ip route add实现。
4.根据权利要求3所述的一种面向不同业务类型的自适应数据转发方法，其特征在于，所述步骤S3中，业务信息表保存着用户的业务信息与使用传输协议的类型或五元组的信息与对应的一个优先级信息，用于给数据包打标签模块提供识别信息，具体步骤为：
步骤A1、配置文件读取：配置文件有三种类型包括常用协议配置信息、边缘控制器内部协议配置信息、三方程序动态配置的协议信息；
步骤A2、接收动态配置指令：为第三方程序提供动态管理配置信息表所设计的功能接口；
步骤A3、指令动作执行：向动态业务信息表中添加配置项、修改动态业务信息表中的配置项、删除动态业务信息表中的配置项，指令动作与三方程序API接口基本对应执行；
步骤A4、通知打标签模块，通知的实现方式是通过Linux中消息队列实现的；
步骤A5、回写配置文件：对修改后的数据结构进行回写磁盘，以便程序下次启动读取。
5.根据权利要求4所述的一种面向不同业务类型的自适应数据转发方法，其特征在于，所述步骤S4中，数据包打标签模块获取到所有业务信息后所需要做的就是根据业务信息配置项生成iptables配置工具对应的参数，然后执行此命令以在内核Netfilter子***中的mangle表中的POSTROUTING链中进行监控对应的数据包，然后对其使用对应的标签值进行标记。
6.根据权利要求5所述的一种面向不同业务类型的自适应数据转发方法，其特征在于，所述步骤S5中，自适应数据包转发模块在收到数据包以后，从数据包中获取包含路由优先级信息的标签字段中的数值，然后根据此标签数值在已有的多个路由表中查找与该优先级标签值对应的路由表，然后把此数据包传递给此路由表，同时把数据包中的优先级字段标签从数据包中删除，该路由表依据目标IP地址进行选择路由，最后由该路由表所对应的底层的网卡驱动将该数据包转发出去。
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