TWI558133B - 軟體定義網路的控制方法、控制器和封包處理方法 - Google Patents

Description

軟體定義網路的控制方法、控制器和封包處理方法

本揭露是有關於一種軟體定義網路(SDN：Software-Defined Network)的頻寬聚合(bandwidth aggregation)技術，且特別是有關於一種軟體定義網路的控制方法、控制器和封包處理方法。

具有多重網路介面的智慧型手機已經非常普遍。這種智慧型手機可同時連接多個無線網路，建立多個網路連線。這些無線網路可連接網際網路(Internet)，以供智慧型手機取用網際網路的服務與資源。

目前的頻寬聚合技術是在網路端設置一個集中的網路裝置，稱為聚合點(AE：aggregation entity)。聚合點可將智慧型手機的多個網路連線聚合成單一網路連線。如果因為訊號干擾或手機的移動等因素，其中一個無線網路不能使用時，聚合點可允許智慧型手機的封包在其餘的無線網路間自由切換，讓傳輸不會中斷。

目前的聚合點是集中式的，也就是說，可能有眾多的智慧型手機共用一個聚合點以連接網際網路。

本揭露提供一種軟體定義網路的控制方法、控制器和封包處理方法，使用軟體定義網路中的多個交換器取代傳統的單一聚合點，以避免集中式聚合點的瓶頸效應。

本揭露的控制方法可用於軟體定義網路，包括以下步驟：接收來自用戶設備的註冊訊息，其中註冊訊息包括用戶設備的網路存取狀態；根據網路存取狀態選擇軟體定義網路的交換器其中之一做為用戶設備的聚合點；計算用戶設備和聚合點之間的多個繞送路徑，其中每一上述繞送路徑耦接用戶設備的多個網路介面其中之一；以及在聚合點和上述多個繞送路徑中的每一交換器設定繞送規則，以繞送用戶設備和遠端網路之間的封包。

本揭露的封包處理方法可用於軟體定義網路，包括以下步驟：接收用戶設備傳送至遠端網路的上行封包；移除上行封包的通道標頭，然後將上行封包傳送至遠端網路；接收遠端網路傳送至用戶設備的下行封包；選擇耦接用戶設備的多個繞送路徑其中之一以傳送下行封包；以及為下行封包加上被選擇的繞送路徑所對應的通道標頭，然後透過被選擇的繞送路徑將下行封包傳送至用戶設備。

本揭露的控制器可用於軟體定義網路，包括網路介面和 處理器。網路介面耦接軟體定義網路，為控制器傳送與接收封包。處理器耦接網路介面，執行上述的軟體定義網路的控制方法。

上述的軟體定義網路的控制方法、控制器和封包處理方法可為每個用戶設備指定不同的聚合點，可有效分散傳統的單一聚合點的負載，使分散的聚合點周圍不易形成傳輸效能瓶頸，以避免網路壅塞。

為讓本揭露的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100‧‧‧軟體定義網路

110‧‧‧控制器

121~124‧‧‧交換器

131~134‧‧‧邊緣裝置

140‧‧‧用戶設備

150‧‧‧遠端網路

210~260、310~340、410~450、610~640、810~850‧‧‧流程步驟

910、930‧‧‧網路介面

920、940‧‧‧處理器

圖1是依照本揭露的一實施例的一種軟體定義網路的示意圖。

圖2至圖4是依照本揭露的一實施例的一種軟體定義網路的控制方法的流程圖。

圖5是依照本揭露的另一實施例的一種軟體定義網路的示意圖。

圖6是依照本揭露的一實施例的一種軟體定義網路的控制方法的流程圖。

圖7是依照本揭露的另一實施例的一種軟體定義網路的示意圖。

圖8是依照本揭露的一實施例的一種軟體定義網路的控制方 法的流程圖。

圖9是依照本揭露的一實施例的一種控制器和一種交換器的示意圖。

圖1是依照本揭露的一實施例的一種軟體定義網路100的示意圖。軟體定義網路100包括控制器110和交換器121~124。控制器110和交換器121~124在軟體定義網路100之內互相耦接。控制器110控制整個軟體定義網路100的網路組態(topology)與封包繞送(packet routing)。交換器124耦接遠端網路150。遠端網路150可以是網際網路或某一個公司或組織的內部網路。基地台(base station)131耦接交換器121。存取點(AP：access point)132耦接交換器122。存取點133和基地台134耦接交換器123。

基地台131、134和存取點132、133皆可稱為邊緣裝置(edge device)，分別屬於不同的無線網路。用戶設備140可以是智慧型手機或平板電腦之類的具有網路功能的行動電子裝置。用戶設備140具有多個網路介面，其中每一個網路介面可連接一個邊緣裝置，以透過該邊緣裝置所屬的無線網路和軟體定義網路100連接遠端網路150。本實施例中，基地台131和134是長期演進技術(LTE：Long Term Evolution)網路的基地台。存取點132和133是無線保真(Wi-Fi)網路的存取點。用戶設備140的一個網路介面連接LTE基地台131，另一個網路介面連接Wi-Fi存取點132。

本揭露並不限於LTE和Wi-Fi這兩種無線網路。本揭露的另一實施例可包括其他種類的無線網路，例如3G網路和全球互通微波存取(WiMAX：Worldwide Interoperability for Microwave Access)網路，以供用戶設備140連接軟體定義網路100和遠端網路150。

圖2是依照本揭露的一實施例的一種軟體定義網路100的控制方法的流程圖。圖2繪示上述的控制方法中，用戶設備140連接軟體定義網路100時向控制器110註冊的流程。在步驟210，用戶設備140透過一個網路介面發送註冊訊息。此註冊訊息包括用戶設備140的網路存取狀態。上述的網路存取狀態可記錄用戶設備140的每一個網路介面所連接的邊緣裝置和該邊緣裝置所屬的無線網路。在步驟220，交換器121或122接收註冊訊息，並將註冊訊息轉送至控制器110。在步驟230，控制器110接收來自用戶設備140的註冊訊息。控制器110可在步驟230根據用戶設備140的網路存取狀態和軟體定義網路100的每一個交換器121~124的負載，選擇交換器121~124其中之一做為用戶設備140的聚合點。本實施例中，控制器110選擇的聚合點為交換器121。

控制器110也可在步驟230計算用戶設備140和聚合點121之間的多個繞送路徑(routing path)，其中每一個繞送路徑耦接聚合點121和用戶設備140的多個網路介面其中之一。本實施例之中有兩個繞送路徑。第一個繞送路徑包括基地台131，對應基地台131所屬的LTE網路。第二個繞送路徑包括存取點132和交換 器122，對應存取點132所屬的Wi-Fi網路。

控制器110也可在步驟230指派用戶設備140的網路位址和聚合點121的網路位址。用戶設備140需要網路位址以接收來自遠端網路150的下行封包(downstream packet)。聚合點121需要網路位址以聚合用戶設備140發送的上行封包(upstream packet)。

接下來，在步驟240，控制器110在聚合點121和上述多個繞送路徑中的每一個交換器設定繞送規則(flow entry)，以繞送用戶設備140和遠端網路150之間的封包。聚合點121可根據這些繞送規則為上行封包移除通道標頭(tunnel header)，並為下行封包加上通道標頭。其餘的交換器可根據這些繞送規則將用戶設備140的封包轉送至用戶設備140、聚合點121或遠端網路150。

在步驟250，控制器110將用戶設備140的網路位址和聚合點121的網路位址傳送至用戶設備140。在步驟260，用戶設備140進行自己的網路位址設定並記錄聚合點121的網路位址。註冊程序至此完成。聚合點121的網路位址可為一通用聚合點(common aggregation point)網路位址，即軟體定義網路100中的所有聚合點之網路位址可相同。因不同的用戶設備140會有不同的網路位址，所以控制器110可根據用戶設備140的網路位址，將用戶設備140的封包繞送至其所屬之聚合點121。

圖3是依照本揭露的一實施例的一種軟體定義網路100的控制方法的流程圖。圖3繪示上述的控制方法中，用戶設備140 發送上行封包的流程。所謂上行封包，是指用戶設備140傳送至遠端網路150的封包。在步驟310，用戶設備140可分析封包以決定上行封包在多個網路介面之間的傳送比例。在步驟320，用戶設備140根據此傳送比例選擇基地台131所屬的LTE網路或存取點132所屬的Wi-Fi網路以傳送上行封包。用戶設備140將上行封包加上被選擇的無線網路所對應的通道標頭，通道標頭中的目的地位址(destination address)就是聚合點121的網路位址。然後用戶設備140透過被選擇的無線網路將上行封包傳送至聚合點121。

在步驟330，聚合點121接收上行封包，移除上行封包的通道標頭。然後在步驟340，聚合點121根據繞送規則將上行封包傳送至遠端網路150。

用戶設備140同時連接多個無線網路，同一個服務流(service flow)的封包可能被分散在多個無線網路中傳送，這些封包都會匯聚在聚合點121。因為每個無線網路的上傳速度可能不同，這些封包抵達聚合點121的順序可能不同於用戶設備140的發送順序。為了修正這個順序錯亂的問題，對於用戶設備140和遠端網路150之間的每一個服務流，聚合點121在接收此服務流的上行封包，移除這些上行封包的通道標頭之後，可根據這些上行封包的序號(sequence number)將這些上行封包排序，然後將這些上行封包依序傳送至遠端網路150。上行封包的序號可位於上行封包的通道標頭中。

聚合點121可為用戶設備140和遠端網路150之間的每 一個服務流設置一個排序佇列(ordering queue)，並利用此排序佇列為對應的服務流的上行封包進行排序。每當聚合點121收到一個上行封包，可將此上行封包放入此上行封包所屬的服務流所對應的排序佇列中。排序佇列中的上行封包的位置是由上行封包的序號決定。序號越小的封包就會排列在排序佇列中的越前面的位置。對於每一個服務流，聚合點121可記錄目前應該發送出去的上行封包的序號k。如果該服務流對應的排序佇列中的第一個封包的序號等於k，則送出第一個封包並將序號k加一，依此類推。如果第一個封包的序號不等於k，則啟動一個計時器(timer)。若此計時器到期(expire)時，第一個封包的序號依然不等於k，則送出排序佇列中的所有封包。

圖4是依照本揭露的一實施例的一種軟體定義網路100的控制方法的流程圖。圖4繪示上述的控制方法中，從遠端網路150傳送至用戶設備140的下行封包的處理流程。在步驟410，聚合點121接收遠端網路150傳送至用戶設備140的下行封包。在步驟420，聚合點121根據上述多個繞送路徑之間的下行封包傳送比例，為每一個傳送至用戶設備140的下行封包選擇上述多個繞送路徑其中之一以傳送該下行封包至用戶設備140。控制器110可根據每一個繞送路徑的狀態(例如可用頻寬)決定上述的下行封包傳送比例，並將此下行封包傳送比例傳送至聚合點121。

在步驟430，聚合點121為下行封包加上被選擇的繞送路徑所對應的通道標頭。如果被選擇的是經過基地台131的繞送路 徑，聚合點121就為下行封包加上LTE網路的通道標頭。如果被選擇的是經過存取點132的繞送路徑，聚合點121就為下行封包加上Wi-Fi網路的通道標頭。然後聚合點121在步驟440透過被選擇的繞送路徑將下行封包傳送至用戶設備140。

在步驟450，用戶設備140接收下行封包，移除下行封包的通道標頭之後，將下行封包其中的資料或訊息傳送給對應的應用軟體。用戶設備140可為每一個服務流設置排序佇列，以將每一個服務流的封包排序之後再依序傳送給應用軟體。用戶設備140的排序佇列和聚合點121的排序佇列相似，細節就不予贅述。

圖5是依照本揭露的另一實施例的軟體定義網路100的示意圖。圖5的軟體定義網路100和圖1相同，只是用戶設備140因為偵測到存取點132的連線訊號變差而停止使用存取點132所屬的Wi-Fi網路。圖6是依照本揭露的一實施例的一種軟體定義網路100的控制方法的流程圖。圖6繪示上述的停用Wi-Fi網路的流程。

在步驟610，用戶設備140發送一個介面切換訊息以通知控制器110用戶設備140將停用連接存取點132的網路介面。在步驟620，控制器110接收此介面切換訊息，並修改聚合點121的繞送規則，以停用介面切換訊息所對應的繞送路徑(也就是通過交換器122和存取點132的繞送路徑)，並改用其餘的繞送路徑傳送下行封包至用戶設備140。本實施例中，原本只有兩個繞送路徑，所以後面的下行封包會全部透過基地台131的繞送路徑來傳 送。在步驟630，控制器110傳送一個修改成功訊息至用戶設備140，以通知用戶設備140上述的繞送規則的修改已經完成。在步驟640，用戶設備140可停止透過存取點132的Wi-Fi網路傳送上行封包。然後用戶設備140的上行封包全部透過基地台131的LTE網路傳送至聚合點121。

圖7是依照本揭露的另一實施例的軟體定義網路100的示意圖。圖7的軟體定義網路100和圖1相同，只是用戶設備140改為連接基地台131的LTE網路以及存取點133的Wi-Fi網路。圖8是依照本揭露的一實施例的一種軟體定義網路100的控制方法的流程圖。圖8繪示圖7的用戶設備140的網路存取狀態的改變所引發的聚合點轉換流程。

在步驟810，用戶設備140發送一個介面更新訊息至控制器110。此介面更新訊息包括用戶設備140的最新網路存取狀態。在步驟820，控制器110接收此介面更新訊息，根據其中的網路存取狀態和軟體定義網路100的每一個交換器121~124的負載，選擇交換器121~124其中之一做為用戶設備140的新聚合點。本實施例中，控制器110選擇的新聚合點為交換器123。控制器110也在步驟820計算用戶設備140和新聚合點123之間的多個新繞送路徑。本實施例的新繞送路徑有兩個，分別對應基地台131的LTE網路和存取點133的Wi-Fi網路。

在步驟830，控制器110更新新聚合點123、原先的聚合點121、以及上述的新繞送路徑和原先繞送路徑的交換器中的繞送 規則，以改用新聚合點123和新繞送路徑傳送用戶設備140和遠端網路150之間的封包。

步驟820的計算新聚合點與新繞送路徑和步驟230的計算聚合點與繞送路徑相似。步驟830的更新繞送規則與步驟240的設定繞送規則相似，只不過在步驟830中控制器110還需要移除原先的聚合點121和原先的繞送路徑的交換器中已經不需要的繞送規則。

在步驟840，控制器110傳送一個更新成功訊息至用戶設備140，以通知用戶設備140上述的繞送規則的更新已經完成。在步驟850，用戶設備140可以開始傳送上行封包。這些上行封包可透過基地台131的LTE網路或存取點133的Wi-Fi網路傳送至新聚合點123。

圖9是依照本揭露的一實施例的控制器110和交換器121的示意圖。控制器110包括網路介面910和處理器920。網路介面910耦接軟體定義網路100，為控制器110傳送與接收封包。上述的各實施例中，控制器110傳送與接收的所有資料與訊息都是透過網路介面910。處理器920耦接網路介面910。上述的方法流程中，控制器110執行的每一步驟都是由處理器920執行。

交換器121包括網路介面930和處理器940。網路介面930耦接軟體定義網路100，為交換器121傳送與接收封包。上述的各實施例中，交換器121傳送與接收的所有資料與訊息都是透過網路介面930。處理器940耦接網路介面930。上述的方法流程 中，交換器121執行的每一步驟都是由處理器940執行。

其餘的交換器122~124的構造皆與交換器121相同。因此每一個交換器121~124都有相同功能，每一個交換器121~124都可以做為聚合點。

本揭露的實施例可為每個用戶設備選擇不同的交換器做為聚合點，因此可用多個分散的聚合點取代單一的集中聚合點，而且本揭露的實施例可依據用戶設備位置選擇鄰近的或負載較輕的交換器做為聚合點。如此可有效分散單一聚合點的負載，使各交換器周圍不易形成傳輸效能瓶頸。以上實施例中的控制器和用戶設備可調整繞送路徑之間的封包傳送比例來平衡各繞送路徑的網路使用率，以避免網路壅塞。以上實施例也提供聚合點和繞送路徑的轉換機制，當用戶設備因為訊號不佳或移動(mobility)等情形造成網路存取狀態變更時，可讓網路聚合服務不中斷。

雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本揭露的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧軟體定義網路

110‧‧‧控制器

121~124‧‧‧交換器

131~134‧‧‧邊緣裝置

140‧‧‧用戶設備

150‧‧‧遠端網路

Claims (14)

1. 一種控制方法，用於一軟體定義網路，包括：接收來自一用戶設備的一註冊訊息，其中該註冊訊息包括該用戶設備的網路存取狀態；根據該網路存取狀態和該軟體定義網路的每一交換器的負載，選擇該軟體定義網路的交換器其中之一做為該用戶設備的聚合點；計算該用戶設備和該聚合點之間的多個繞送路徑，其中每一上述繞送路徑耦接該用戶設備的多個網路介面其中之一；以及在該聚合點和上述多個繞送路徑中的每一交換器設定繞送規則，以繞送該用戶設備和一遠端網路之間的封包。
2. 如申請專利範圍第1項所述的控制方法，更包括：指派該用戶設備的網路位址和該聚合點的網路位址；以及將該用戶設備的網路位址和該聚合點的網路位址傳送至該用戶設備。
3. 如申請專利範圍第1項所述的控制方法，更包括：根據每一上述繞送路徑的狀態決定上述多個繞送路徑之間的一傳送比例；以及將該傳送比例傳送至該聚合點，其中該聚合點根據該傳送比例為每一個傳送至該用戶設備的下行封包選擇上述多個繞送路徑其中之一以傳送該下行封包至該用戶設備。
4. 如申請專利範圍第1項所述的控制方法，更包括： 接收來自該用戶設備的一介面切換訊息，其中該介面切換訊息對應上述多個繞送路徑其中之一；修改該聚合點的繞送規則，以停用該介面切換訊息所對應的該繞送路徑，並改用其餘的上述繞送路徑傳送下行封包至該用戶設備；以及通知該用戶設備上述的繞送規則的修改已經完成。
5. 如申請專利範圍第1項所述的控制方法，更包括：接收來自該用戶設備的一介面更新訊息；根據該介面更新訊息選擇該軟體定義網路的交換器其中之一做為該用戶設備的新聚合點；計算該用戶設備和該新聚合點之間的多個新繞送路徑；更新該新聚合點、原先的該聚合點、以及上述多個新繞送路徑和原先的上述多個繞送路徑的交換器中的繞送規則，以改用該新聚合點和上述多個新繞送路徑傳送該用戶設備和該遠端網路之間的封包；以及通知該用戶設備上述的繞送規則的更新已經完成。
6. 一種封包處理方法，用於一軟體定義網路，包括：根據一網路存取狀態和該軟體定義網路的多個交換器之中每一個交換器的負載，選擇上述交換器的其中一個交換器做為一聚合點；由該聚合點接收一用戶設備傳送至一遠端網路的一上行封包； 由該聚合點移除該上行封包的通道標頭，然後將該上行封包傳送至該遠端網路；由該聚合點接收該遠端網路傳送至該用戶設備的一下行封包；由該聚合點選擇耦接該用戶設備的多個繞送路徑其中之一以傳送該下行封包；以及由該聚合點為該下行封包加上被選擇的該繞送路徑所對應的通道標頭，然後透過被選擇的該繞送路徑將該下行封包傳送至該用戶設備。
7. 如申請專利範圍第6項所述的封包處理方法，更包括：由該聚合點根據上述多個繞送路徑之間的一傳送比例選擇上述多個繞送路徑其中之一以傳送該下行封包。
8. 如申請專利範圍第6項所述的封包處理方法，對於該用戶設備和該遠端網路之間的每一服務流，更包括：由該聚合點接收該服務流的多個上行封包；以及由該聚合點根據上述多個上行封包的序號，將上述多個上行封包排序，然後將上述多個上行封包依序傳送至該遠端網路。
9. 如申請專利範圍第8項所述的封包處理方法，其中上述序號位於上述多個上行封包的通道標頭中。
10. 一種控制器，用於一軟體定義網路，包括：一網路介面，耦接該軟體定義網路，為該控制器傳送與接收封包；以及 一處理器，耦接該網路介面，接收來自一用戶設備的一註冊訊息，其中該註冊訊息包括該用戶設備的網路存取狀態；該處理器根據該網路存取狀態和該軟體定義網路的每一交換器的負載，選擇該軟體定義網路的交換器其中之一做為該用戶設備的聚合點，並計算該用戶設備和該聚合點之間的多個繞送路徑，其中每一上述繞送路徑耦接該用戶設備的多個網路介面其中之一；該處理器在該聚合點和上述多個繞送路徑中的每一交換器設定繞送規則，以繞送該用戶設備和一遠端網路之間的封包。
11. 如申請專利範圍第10項所述的控制器，其中該處理器指派該用戶設備的網路位址和該聚合點的網路位址，並將該用戶設備的網路位址和該聚合點的網路位址傳送至該用戶設備。
12. 如申請專利範圍第10項所述的控制器，其中該處理器根據每一上述繞送路徑的狀態決定上述多個繞送路徑之間的一傳送比例，並將該傳送比例傳送至該聚合點；該聚合點根據該傳送比例為每一個傳送至該用戶設備的下行封包選擇上述多個繞送路徑其中之一以傳送該下行封包至該用戶設備。
13. 如申請專利範圍第10項所述的控制器，其中該處理器接收來自該用戶設備的一介面切換訊息，該介面切換訊息對應上述多個繞送路徑其中之一；該處理器修改該聚合點的繞送規則，以停用該介面切換訊息所對應的該繞送路徑，並改用其餘的上述繞送路徑傳送下行封包至該用戶設備，然後該處理器通知該用戶設備上述的繞送規則的修改已經完成。
14. 如申請專利範圍第10項所述的控制器，其中該處理器接收來自該用戶設備的一介面更新訊息，根據該介面更新訊息選擇該軟體定義網路的交換器其中之一做為該用戶設備的新聚合點，計算該用戶設備和該新聚合點之間的多個新繞送路徑，更新該新聚合點、原先的該聚合點、以及上述多個新繞送路徑和原先的上述多個繞送路徑的交換器中的繞送規則，以改用該新聚合點和上述多個新繞送路徑傳送該用戶設備和該遠端網路之間的封包，然後該處理器通知該用戶設備上述的繞送規則的更新已經完成。