CN105262682B - 一种用于电力数据通信的软件定义网络系统及其流量疏导方法 - Google Patents

Abstract

一种用于电力数据通信的软件定义网络系统及其流量疏导方法，属于通信会话技术领域。包括客户终端，还包括一个集中式控制器和多个支持OpenFlow协议的交换机；软件定义网络的应用使得电力数据通信获得了全局网络视图，服务质量得到较高质量保证。集中式控制器与支持OpenFLow协议的交换机之间进行消息交互，根据交换机提供的动态流量统计信息，集中式控制器动态调整idle_timeout值，当匹配流表项的数据包数量超过给定阈值后，提高流表项idle_timeout的值使其大于数据包间隔时间，而无需重新建立流表项，即可实现数据包与流表项匹配，缩减了通信数据包处理延迟，提高了具有大规模数据通信量的电力数据通信的效率。

Description

一种用于电力数据通信的软件定义网络系统及其流量疏导 方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种用于电力数据通信的软件定义网络系统及其流量疏导方法。

背景技术

电力通信网中的子站与电力通信网中的主站之间的数据通信采用的是传统的分布式网络架构。传统封闭式的网络架构无法实现云计算等新服务的快速发展与部署。由于缺少全局网络视图，服务质量也无法完全保证。软件定义网络利用全局网络资源，通过开放可编程的接口实现按需服务部署，从而得到广泛青睐。

但是，在现有软件定义网络架构中，流表项的idle_timeout值设置较小，即经过idle_timeout秒后，未能与数据包相匹配的流表项将快速过期。在这种情况下，若有数据包到达交换机，即使是与该数据包相匹配的流表项，也因被删除而需重新建立，从而产生过大的处理延迟。

发明内容

针对现有方法存在的不足，本发明提供一种用于电力数据通信的软件定义网络系统及其流量疏导方法。

本发明所采用的技术方案是这样实现的：

一种用于电力数据通信的软件定义网络系统，包括客户终端，还包括一个集中式控制器和多个支持OpenFlow协议的交换机；

所述集中式控制器，用于与多个支持OpenFlow协议的交换机建立连接关系；向各交换机发送消息要求各交换机向其发送他们各自的物理特征和功能信息；对各交换机的属性进行设置并删除所有的流表项；根据交换机收集的链路信息，获取整个网络的拓扑；根据用户请求信息及网络拓扑，通过OpenFlow协议为每条数据流建立全局最短路径；要求所述路径上的交换机发送实时流量统计信息；根据动态流量统计信息，调整idle_timeout值，实现流量疏导；

所述交换机，用于与集中式控制器建立连接关系；将其物理特征和功能信息发送给集中式控制器；根据链路层发现协议将链路信息发送给集中式控制器；将用户的请求信息发送给集中式控制器；应集中式控制器的要求，将流量统计信息发送给集中式控制器；

所述的用于电力数据通信的软件定义网络系统的流量疏导方法，包括如下步骤：

步骤1：集中式控制器与各支持OpenFlow协议的交换机之间协商双方支持的OpenFlow协议版本，以建立连接关系；

步骤2：集中式控制器向各交换机发送消息要求各交换机向其发送他们各自的物理特征和功能信息；

步骤3：各交换机应集中式控制器要求向集中式控制器发送他们各自的物理特征和功能信息；

步骤4：集中式控制器对各交换机的属性进行设置；

步骤5：集中式控制器对各交换机进行初始化设置，即删除所有的流表项；

步骤6：各交换机根据链路层发现协议将链路信息发送给集中式控制器；

步骤7：根据交换机收集的链路信息，获取整个网络的拓扑；

步骤8：第一个收到用户请求信息的交换机将其收到的用户请求信息发送给集中式控制器；

步骤9：根据用户请求信息及网络拓扑，通过OpenFlow协议为用户请求建立全局最短路径；

步骤10：集中式控制器要求所述路径上的交换机发送实时流量统计信息；

步骤11：根据动态流量统计信息，集中式控制器调整idle_timeout值，实现流量疏导；

方法为：先对匹配流表项的数据包数量进行统计，当数据包数量超过给定阈值后，提高流表项idle_timeout的值使其大于数据包间隔时间，而无需重新建立流表项，即可实现数据包与流表项匹配；

本发明的有益效果是：本发明将软件定义网络系统应用于电力数据通信中，使得电力数据通信获得了全局网络视图，服务质量得到较高质量保证。又针对用于电力数据通信的软件定义网络系统提出一种流量疏导方法，动态设置idle_timeout值，由此，缩减了通信数据包处理延迟，提高了具有大规模数据通信量的电力数据通信的效率。

附图说明

图1为本发明实施方式的用于电力数据通信的软件定义网络系统拓扑示意图；

图2为本发明实施方式的软件定义网络系统工作原理图；

图3为本发明实施方式的流表项结构示意图；

图4为本发明实施方式的用于电力数据通信的软件定义网络系统的流量疏导方法流程图；

图5为本发明实施方式的流量疏导方法中idle_timeout值调整方法示意图；

图6为本发明实施方式采用用于电力数据通信的软件定义网络系统的流量疏导方法与未采用流量疏导方法的平均通信延迟对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

本实施方式的用于电力数据通信的软件定义网络系统，如图1所示，包括客户终端主机1和主机2，还包括一个集中式控制器和7个支持OpenFlow协议的交换机；其中主机1负责发送数据包而主机2负责接收数据包。主机1相当于电力通信网中的子站，主机2相当于电力通信网中的主站，利用主机1和主机2模拟电力通信网中主站和子站之间的通信。其中，本实施方式的集中式控制器采用的是NOX；采用OpenvSwitch，结合KVM虚拟化平台生成七个支持OpenFlow协议的虚拟交换机。本实施方式中的NOX控制器、主机1和主机2的IP地址分别为192.168.100.100，192.168.100.1，192.168.100.2。七个支持OpenFlow协议的虚拟交换机依次为Br0，Br1，Br2，Br3，Br4，Br5，Br6，它们的IP地址依次为192.168.100.20，192.168.100.21，192.168.100.22，192.168.100.23，192.168.100.24，192.168.100.25，192.168.100.26。

软件定义网络中的数据转发是基于流的操作。交换机按照流表项的规则来转发数据包，所有的网络控制功能由NOX控制器中的网络应用来完成。如图2所示，NOX控制器主要包括NOX的核心模块和网络应用模块。其中核心模块主要包括：线程库模块；事件调度模块；应用部署模块；OpenFlow数据的解析与封装模块；连接管理模块等。其中，线程库模块用于提供操作系统的线程操作。事件调度模块负责将产生的事件调度给相应的应用，以便对事件做出相应的处理。应用部署模块负责协调各个应用之间的部署执行。OpenFlow数据包的解析与封装模块用于解析与封装OpenFlow协议数据包。连接管理模块负责控制器与交换机之间的连接建立。网络应用模块主要包括：存储应用；发现应用；主机跟踪应用；认证应用；拓扑应用；路由应用；监控应用；生成树应用；流量疏导应用等。存储应用用于存储交换机的基本信息。发现应用负责发现底层交换机，通过Packet_out消息命令交换机发送LLDP包进而发现链路，并抛出link event事件。主机跟踪应用用于对接入网络的主机进行跟踪。认证应用负责跟踪网络中主机和交换机的位置。拓扑应用用于保存网络中目前激活的链路结构。负责维护和更新整个底层物理网络的拓扑。路由应用用于利用动态最短路径算法计算出节点之间的路径。监控应用负责收集和保持网络中的交换机、流表、队列以及端口的统计信息。生成树应用模块是选路模块必不可少的底层模块。在OpenFlow网络中，控制器可以通过Port_mod消息对交换机的物理端口进行设置，可以使该端口对广播包进行丢弃。这意味着即使交换机收到对数据包的洪泛的命令，该数据包也仅仅是从确定的几个端口发送出去，而不是交换机上的所有端口，这样就避免了广播风暴。流量疏导应用用于利用多流统计消息动态统计匹配数据包的个数，当流表项匹配数据包的个数超过预设的阈值时，修改Idle_timeout的值进而减少流表重建立的时间，降低数据传输的端到端时延。

流表由很多个流表项组成，每个流表项就是一个转发规则。进入交换机的数据包通过查询流表来获得转发的目的端口。流表项如图3所示，由头域、计数器和操作组成。其中，头域是个十元组，是流表项的标识；计数器用来计数流表项的统计数据；操作标明了与该流表项匹配的数据包应该执行的操作。OF安全通道连接OpenvSwitch交换机和NOX控制器。NOX控制器通过这个接口控制和管理OpenvSwitch交换机，同时控制器接收来自交换机的事件并向交换机发送数据包。交换机和控制器通过安全通道进行通信，而且所有的信息必须按照OpenFlow协议规定的格式来执行。

本实施方式的用于电力数据通信的软件定义网络系统的流量疏导方法，包括如下步骤：

步骤1：集中式控制器与各支持OpenFlow协议的交换机之间协商双方支持的OpenFlow协议版本，以建立连接关系；

本实施方式的七个支持OpenFlow协议的虚拟交换机向NOX控制器发送OPFT_HELLO消息；NOX控制器分别向七个支持OpenFlow协议的虚拟交换机发送OPFT_HELLO消息，协商双方支持的OpenFlow协议版本，建立起连接关系。

步骤2：集中式控制器向各交换机发送消息要求各交换机向其发送他们各自的物理特征和功能信息；

本实施方式中NOX控制器向七个支持OpenFlow协议的虚拟交换机分别发送OPFT_FEATURES_REQUEST消息，要求各交换机向其发送他们各自的物理特征和功能信息。

步骤3：各交换机应集中式控制器要求向集中式控制器发送他们各自的物理特征和功能信息；

本实施方式的七个支持OpenFlow协议的虚拟交换机向NOX控制器返回OPFT_FEATURES_REPLY消息，告知它们各自的物理特征和功能信息，例如，告诉控制器交换机有多少个流表和多少个端口，具备流表项统计、流表统计、端口统计、队列统计等功能，支持哪些动作操作等。

步骤4：集中式控制器对各交换机的属性进行设置；

本实施方式中NOX控制器向七个支持OpenFlow协议的虚拟交换机分别发送OPFT_SET_CONFIG消息，对它们的属性进行设置，如设置数据包的最大长度为128字节。

步骤5：集中式控制器对各交换机进行初始化设置，即删除所有的流表项；

本实施方式中NOX控制器向七个支持OpenFlow协议的虚拟交换机发送OPFT_FLOW_MOD消息，删除所有的流表项。

步骤6：各交换机根据链路层发现协议将链路信息发送给集中式控制器；

步骤7：根据交换机收集的链路信息，获取整个网络的拓扑；

步骤8：第一个收到用户请求信息的交换机将其收到的用户请求信息发送给集中式控制器；当有数据包到达交换机时，如果没有与数据包相匹配的流表项，则交换机向NOX控制器发送Packet In消息，如图4所示，并判断数据包是否是LLDP(链路层发现协议)数据包，不是的话则执行步骤9，是的话则返回步骤7。

步骤9：根据用户请求信息及网络拓扑，通过OpenFlow协议为用户请求建立全局最短路径；NOX控制器收到Packet In消息后，NOX进行数据包解析获取目的主机地址并找到与之相连的交换机地址。并通过源、目的交换机地址计算最短路径，为数据包的请求建立路由。如图4所示，如果该最短路径不合法，则将数据包洪泛出去。本实施方式NOX控制器通过向七个支持OpenFlow协议的虚拟交换机发送OPFT_PORT_MOD消息，规定它们的物理端口行为，例如配置交换机的某个端口，当发生洪泛时不包括此端口，进而避免网络的广播风暴。

步骤10：集中式控制器要求所述路径上的交换机发送实时流量统计信息；

步骤11：根据动态流量统计信息，集中式控制器调整idle_timeout值，实现流量疏导，然后再通过Flow Mod消息向相应的交换机下发流表项。

流量疏导方法为：先对匹配流表项的数据包数量进行统计，当数据包数量超过给定阈值后，提高流表项idle_timeout的值使其大于数据包间隔时间，而无需重新建立流表项，即可实现数据包与流表项匹配；

例如图5示中，采用流量疏导前的流表项idle_timeout值为5秒，由于数据包的到达时间间隔为6秒，在数据包到达之前，流表项已过期，需重新建立流表项，延迟较高；采用流量疏导时，先对相同时间间隔的数据包数量进行统计，当数据包数量超过给定阈值后(阈值设置为10)，提高流表项idle_timeout值为8秒，无需重新建立流表项，上述数据包均可与流表项匹配，延迟降低。

图6示出了本发明实施例提供的流量疏导方法与未采用流量疏导方法的平均延迟对比图，其中采用Ping命令的方法统计时延，对15组数据包的时延求平均值。本发明所提流量疏导方法的平均延迟低于未采用流量疏导方法，从而验证了本发明的电力数据通信的软件定义网络系统的流量疏导方法。

Claims (3)

1.一种用于电力数据通信的软件定义网络系统，包括客户终端，其特征在于：还包括一个集中式控制器和多个支持OpenFlow协议的交换机；

所述集中式控制器，用于与多个支持OpenFlow协议的交换机建立连接关系；向各交换机发送消息要求各交换机向其发送他们各自的物理特征和功能信息；对各交换机的属性进行设置并删除所有的流表项；根据交换机收集的链路信息，获取整个网络的拓扑；根据用户请求信息及网络拓扑，通过OpenFlow协议为每条数据流建立全局最短路径；要求所述路径上的交换机发送实时流量统计信息；根据动态流量统计信息，调整idle_timeout值，实现流量疏导；

所述交换机，用于与集中式控制器建立连接关系；将其物理特征和功能信息发送给集中式控制器；根据链路层发现协议将链路信息发送给集中式控制器；将用户的请求信息发送给集中式控制器；应集中式控制器的要求，将流量统计信息发送给集中式控制器。

2.权利要求1所述的用于电力数据通信的软件定义网络系统的流量疏导方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：集中式控制器与各支持OpenFlow协议的交换机之间协商双方支持的OpenFlow协议版本，以建立连接关系；

步骤2：集中式控制器向各交换机发送消息要求各交换机向其发送他们各自的物理特征和功能信息；

步骤3：各交换机响应集中式控制器要求，向集中式控制器他们各自的物理特征和功能信息；

步骤4：集中式控制器对各交换机的属性进行设置；

步骤5：集中式控制器对各交换机进行初始化设置；

步骤6：各交换机根据链路层发现协议将链路信息发送给集中式控制器；

步骤7：根据交换机收集的链路信息，获取整个网络的拓扑；

步骤8：第一个收到用户请求信息的交换机将其收到的用户请求信息发送给集中式控制器；

步骤9：根据用户请求信息及网络拓扑，通过OpenFlow协议为用户请求建立全局最短路径；

步骤10：集中式控制器要求所述路径上的交换机发送实时流量统计信息；

步骤11：根据动态流量统计信息，集中式控制器调整idle_timeout值，实现流量疏导；

方法为：先对匹配流表项的数据包数量进行统计，当数据包数量超过给定阈值后，提高流表项idle_timeout的值使其大于数据包间隔时间，而无需重新建立流表项，即可实现数据包与流表项匹配。

3.根据权利要求2所述的用于电力数据通信的软件定义网络系统的流量疏导方法，其特征在于：所述步骤5中集中式控制器对各交换机进行初始化设置的方法为删除所有的流表项。