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CN106941633B - 基于sdn的全光交换数据中心网络控制系统及其实现方法 - Google Patents

基于sdn的全光交换数据中心网络控制系统及其实现方法 Download PDF

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CN106941633B CN201710090244.7A CN201710090244A CN106941633B CN 106941633 B CN106941633 B CN 106941633B CN 201710090244 A CN201710090244 A CN 201710090244A CN 106941633 B CN106941633 B CN 106941633B
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Abstract

本发明公开了一种基于SDN的全光交换数据中心网络控制系统及其实现方法，该方法包括：通过源端的架顶式交换机接收连接的服务器的分组数据流，生成新流入网消息发送至集成于OpenStack的SDN控制器；计算对应光子数据流的参数信息，生成流映射表并下发至源端和目的端的架顶式交换机；配置上联端口，发送光子数据流到光交叉连接矩阵，根据不同端口的输入波长被动路由转发光子数据流，经对应输出端口传输至目的端的架顶式交换机；接收后，反映射回相应分组数据流至连接的服务器。本发明实现了对数据中心内部底层光互连网络资源统一管理，大幅提升了网络开放性、灵活性、可扩展和可管理性，提高网络资源利用率，降低网络运营维护成本。

Description

基于SDN的全光交换数据中心网络控制系统及其实现方法
技术领域
本发明涉及信息通信技术(Information and Telecommunication Technology，ICT)领域，具体涉及一种基于SDN的全光交换数据中心网络控制系统及其实现方法。
背景技术
云计算数据中心网络是数据中心内互连大规模服务器，用于实现海量数据传输和交换的基础平台。随着云应用的广泛部署，数据中心内部通信模式和业务流量需求出现了根本性改变，具体包括：数据中心的网络规模和负载出现了指数级增长；主要流量模式由传统“南北向”转变为“东西向”；更多时延敏感和数据密集型业务在数据中心内运行；一些虚拟化技术，例如虚拟机实时迁移，需要网络更好的支持。
所有这些变化都对数据中心网络提出了更高的要求，但传统的电信互联网数据中心网络存在等分带宽小、传输时延大、可扩展性差、成本和能耗高、网络配置和控制复杂等问题，并且电交换技术在追求更大端口规模和更高交换速度的道路上逐渐接近CMOS工艺极限，难以支撑数据中心网络的持续发展。为此，利用光交换技术的高带宽、低能耗、低延时和多维度等优势，设计面向未来的扁平化、可扩展的云计算数据中心光互连网络架构，以及研究相适应的网络控制及调度机制，是近年来的热点问题。
当前用于构造全光交换数据中心网络的多种解决方案中，基于快速可调激光器(Fast Tunable Laser，FTL)、阵列波导光栅路由器(Arrayed-Waveguide Grating Router，AWGR)和突发模式接收机(Burst Mode Receiver，BMR)的光突发交换技术最符合数据中心网络对高速率、多端口和大容量的应用需求，具备规模商用前景。但相较于数据平面的技术进步，该全光交换数据中心网络的管理控制平面仍旧依赖于特定的专用软件实现，不仅存在“重控制、轻业务”的问题，而且可移植性、可扩展性和通用性较差，无法像数据中心内计算及存储资源一样实现网络资源池化和统一管理。
综上所述，现有的全光交换数据中心网络存在以下缺点：
(1)其管理控制平面依赖于特定的专用软件实现，存在“重控制、轻业务”的问题；
(2)可移植性、可扩展性和通用性较差；
(3)无法实现网络资源池化和统一管理。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是解决现有的全光交换数据中心网络的管理控制平面依赖于特定的专用软件实现，存在“重控制、轻业务”的问题，而且存在可移植性、可扩展性和通用性较差，无法实现网络资源池化和统一管理的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种基于SDN的全光交换数据中心网络控制系统，包括：
N×N光交叉连接矩阵，基于阵列波导光栅路由器，根据不同输入端口的输入波长被动路由转发数据流，经对应的输出端口输出；
多个服务器机架，每个服务器机架中设有多台服务器；
架顶式交换机，包括设置在各个服务器机架的顶部源端的架顶式交换机和目的端的架顶式交换机，源端的架顶式交换机的下联端口接收连接的服务器输入的分组数据流，生成相应的新流入网消息并发送；目的端的架顶式交换机反映射回相应的分组数据流至连接的服务器；
SDN控制器，集成于OpenStack，接收源端的架顶式交换机发送的新流入网消息，计算出对应光子数据流的参数信息，根据参数信息生成对应光子数据流的流映射表，并下发相应的流映射表至源端和目的端的架顶式交换机，用于源端的架顶式交换机配置发送光子数据流到N×N光交叉连接矩阵的上联端口以及目的端的架顶式交换机反映射回相应的分组数据流至连接的服务器。
在上述技术方案中，所述SDN控制器通过扩展的南向接口OpenFlow协议与所述N×N光交叉连接矩阵、多个服务器机架以及架顶式交换机进行通信。
本发明还提供了一种如上所述控制系统的实现方法，包括以下步骤：
通过源端的架顶式交换机的下联端口接收连接的服务器输入的分组数据流，生成相应的新流入网消息发送至集成于OpenStack的SDN控制器；
通过SDN控制器计算出对应光子数据流的参数信息，根据参数信息生成对应光子数据流的流映射表，并下发相应的流映射表至源端和目的端的架顶式交换机；
利用源端的架顶式交换机，根据SDN控制器下发的流映射表配置上联端口，通过上联端口发送光子数据流到基于阵列波导光栅路由器的N×N光交叉连接矩阵，N×N光交叉连接矩阵根据不同输入端口的输入波长被动路由转发光子数据流，经对应的输出端口传输至目的端的架顶式交换机；
当目的端的架顶式交换机接收到对应光子数据流后，根据SDN控制器下发的流映射表，反映射回相应的分组数据流至连接的服务器。
在上述技术方案中，当源端的所述架顶式交换机接收到连接的所述服务器输入的分组数据流后，提取所述分组数据流的数据包报头信息，并测算所述分组数据流的比特速率，所述数据包报头信息包括源地址、目的地址和VLAN标签。
在上述技术方案中，利用所述N×N光交叉连接矩阵结构生成相应的波长路由表存储在所述SDN控制器中，根据所述数据包报头信息、所述波长路由表以及链路资源占用情况，计算出的所述光子数据流的参数信息包括数据包报头信息、映射或反映射操作指令、比特速率、起始时间、截止时间以及路由波长。
在上述技术方案中，采用动态带宽分配算法DBA计算所述光子数据流的参数信息。
在上述技术方案中，通过扩展的南向接口OpenFlow协议，将相应的所述流映射表下发至对应的源端的所述架顶式交换机，同时，将所有源端的所述架顶式交换机的流映射表下发至目的端的所述架顶式交换机。
在上述技术方案中，所述OpenStack包括用于实现所述控制系统的基础设施即服务的计算、网络、块存储、对象存储和图形用户界面组件，通过网络组件的插件架构将所述SDN控制器集成于所述OpenStack的所述网络组件中。
本发明将SDN控制器集成在OpenStack中，通过网络资源池组化实现了对数据中心内部底层光互连网络资源的统一管理，在大幅提升数据中心内光互连网络开放性、灵活性、可扩展性和可管理性的同时，提高了网络资源利用率，降低了数据中心网络运营维护成本，加快了服务创新和应用交付，满足数据中心运营者对网络集中统一、简单易用的管理诉求。
附图说明
图1为本发明中一种基于SDN的全光交换数据中心网络控制系统结构示意图；
图2为本发明中流映射表的表项框图；
图3为本发明中基于SDN的全光交换数据中心网络资源融入OpenStack统一管理平台的结构框图；
图4为本发明中基于SDN的全光交换数据中心网络控制系统的实现原理图；
图5为本发明中一种基于SDN的全光交换数据中心网络控制系统的实现方法流程图。
具体实施方式
为了适应云计算数据中心内部通信模式及业务流量的变化需求，针对全光交换数据中心内大规模光互连网络所面临的专用管理、控制系统局限性、网络控制复杂和资源管理不统一的问题，全光交换数据中心网络控制体系势必需要完成从“专用”到“通用”、“封闭”到“开放”的根本性转变，形成以“开放式灵活集中控制”为核心特征的软件定义光互连数据中心网络架构，实现数据中心内部网络资源与计算和存储资源的统一调配和管理。于是本发明根据其数据平面控制和网络系统管理需求，提出了一种基于软件定义网络架构的全光交换数据中心网络控制系统及其实现方法，并通过扩展南向接口OpenFlow协议的方式，将SDN控制器融入OpenStack数据中心资源统一管理平台，实现全光交换数据中心网络资源的池组化，以实现对数据中心内部底层光互连网络资源的灵活集中控制和统一调度管理。
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做出详细的说明。
本发明实施例提供了一种基于SDN的全光交换数据中心网络控制系统，如图1所示，包括控制层的集成于OpenStack的SDN控制器10，数据层的基于阵列波导光栅路由器的N×N光交叉连接矩阵(Optical Cross-Connection，OXC)20、多个服务器机架30以及设置在各个服务器机架30顶部的架顶式交换机(Top-of-Rack，TOR)40，每个服务器机架30中设有多台服务器，架顶式交换机40包括源端、目的端的架顶式交换机40。其中，控制层和数据层之间通过扩展的南向接口OpenFlow协议进行通信。
阵列波导光栅路由器AWGR是一种根据光的波长信息进行路由的被动光学器件，它无需配置，其循环波长路由特性允许不同输入端口的光束路由至同一输出端口，同时也可以将不同波长的光信号从同一输入端口的光束路由至不同的输出端口。基于多个阵列波导光栅路由器AWGR串联、并联或串并联结合构建而成的更大规模的N×N光交叉连接矩阵同样具有此特性。因此，N×N光交叉连接矩阵决定了波长路由表，光互连网络中只需要将数据调制到波长合适的光载波上，无需配置基于阵列波导光栅路由器AWGR的光交叉连接设备便可以将数据转发到相应的端口。
每个架顶式交换机40的下联端口分别连接对应服务器机架30内的各台服务器301，其上联端口由快速可调激光器FTL和突发模式接收机BMR构成，连接位于网络中心的N×N光交叉连接矩阵20，具备动态调节发送光波长和突发宽谱接收光波长的特性。目的端的架顶式交换机40通过下联端口识别来自各个服务器301的分组数据流，并利用数据包报头所携带的源地址、目的地址和VLAN标签等信息字段对分组数据流进行分类，根据分类结果将分组数据流转化为多个不同比特速率、不同起止时间和不同路由波长的光子数据流，最后通过上联端口发送至N×N光交叉连接矩阵20。
架顶式交换机40的内部维护着一张流映射表(Flow Mapping Table，FMT)，该流映射表包含下联端口的分组数据流与上联端口的光子数据流之间的映射和反映射关系，以及光子数据流的比特速率、起止时间和路由波长等信息，该流映射表由SDN控制器10通过南向接口OpenFlow协议统一维护管理。
流映射表的表项如图2所示，表项由匹配域、指令域、比特速率、起始时间、截止时间和路由波长六项条目构成，其中，匹配域中包含源地址、目的地址和VLAN标签等数据包报头信息字段，用于分组数据流的识别和分类；指令域表示分组数据流与对应光子数据流之间的映射和反映射操作；比特速率、起始时间、截止时间和路由波长这四项条目表示上联端口突发光子数据流的特征。
如图3所示，为基于SDN的全光交换数据中心网络资源融入OpenStack统一管理平台的结构框图，OpenStack可以看作是一个管理整个数据中心内大量计算、存储及网络资源池的云操作系统，包括计算(Nova)、网络(Neutron)、块存储(Cinder)、对象存储(Swift)和图形用户界面(Horizon)等几个主要的组件，用于实现基础设施即服务(IaaS)。通过OpenStack的插件架构将SDN控制器10集成于OpenStack的网络组件中，不仅能够提供对全光交换数据中心网络的集中式控制，而且还为使用应用编程接口(ApplicationProgramming Interface，API)对全网资源实现可编程统一管理提供了便利。
如图4所示，为基于SDN的全光交换数据中心网络控制系统的实现原理图。全光交换数据中心网络中源端的架顶式交换机1连接的服务器Server1(源IP地址为IP_Addr1)和源端的架顶式交换机2连接的服务器Server2(源IP地址为IP_Addr2)同时向目的端的架顶式交换机4连接的服务器Server3(目的IP地址为IP_Addr3)发送分组数据流。
系统在上电初始化后，SDN控制器10根据基于阵列波导光栅路由器AWGR的N×N光交叉连接矩阵生成相应的波长路由表并存储。
源端的架顶式交换机1的下联端口接收到一条服务器Server1输入的分组数据流(例如IP业务，源IP地址为IP_Addr1，目的IP地址为IP_Addr3)，由于在数据层的转发设备中没有针对此分组数据流的表项，因此架顶式交换机1提取分组数据流的数据包报头信息字段(包括源IP地址、目的IP地址和VLAN标签等信息)，测算分组数据流的比特速率(40G)，并生成相应的新流入网消息Flow In message发送给SDN控制器10。
同样，源端的架顶式交换机2的下联端口也接收到一条服务器Server2输入的分组数据流(源IP地址为IP_Addr2，目的IP地址为IP_Addr3)，由于在数据层的转发设备中也没有针对此分组数据流的表项，因此架顶式交换机2提取分组数据流的数据包报头信息字段(包括源IP地址、目的IP地址和VLAN标签等信息)，测算分组数据流的比特速率(10G)，也生成相应的新流入网消息Flow In message发送给SDN控制器10。
SDN控制器10在收到这两条消息后，启动内部的动态带宽分配算法DBA，综合流量信息(目的IP地址都为IP_Addr3)、波长路由表以及链路资源占用情况，计算出对应光子数据流的起始时间、截止时间和路由波长等参数信息，根据参数信息进一步生成对应光子数据流的流映射表，并通过扩展的南向接口OpenFlow协议分别将流映射表FMT1下发至架顶式交换机1，将流映射表FMT2下发至架顶式交换机2，将流映射表FMT3和FMT4下发至架顶式交换机4，其中，流映射表FMT3与流映射表FMT1的内容一致，流映射表FMT4与流映射表FMT2的内容一致。
架顶式交换机1根据SDN控制器10下发的流映射表FMT1配置上联端口，通过上联端口在(起始时间T0，截止时间T0+8×TS)的时隙内发送比特速率为40G、路由波长为λ4的光子数据流到N×N光交叉连接矩阵20；同样，架顶式交换机2根据SDN控制器10下发的流映射表FMT2配置上联端口，通过上联端口在(起始时间T0+9×TS，截止时间T0+17×TS)的时隙内发送比特速率为10G、路由波长为λ3的光子数据流到N×N光交叉连接矩阵20；N×N光交叉连接矩阵20根据不同输入端口的输入波长被动路由转发两路光子数据流，经对应的输出端口传输至目的端的架顶式交换机4。
两路光子数据流都被目的端的架顶式交换机4所接收，目的端的架顶式交换机4根据SDN控制器10下发的流映射表FMT3和FMT4反映射回相应的分组数据流至目的端的服务器Server3。至此，基于该SDN架构的全光交换数据中心网络控制机制及方法实现了对IP分组业务流的动态智能端到端路径连接。
本发明实施例还提供了一种基于SDN的全光交换数据中心网络控制系统的实现方法，如图5所示，包括以下步骤：
S101、当基于SDN的全光交换数据中心网络控制系统上电初始化后，利用N×N光交叉连接矩阵结构生成相应的波长路由表存储在SDN控制器中。
S102、通过源端的架顶式交换机的下联端口接收连接的服务器输入的分组数据流(例如IP业务)，提取分组数据流的数据包报头信息字段，测算分组数据流的比特速率，生成相应的新流入网消息发送至集成于OpenStack的SDN控制器。
S103、通过SDN控制器计算出对应光子数据流的参数信息，根据参数信息生成对应光子数据流的流映射表，并通过扩展的南向接口OpenFlow协议下发相应的流映射表至源端和目的端的架顶式交换机。
S104、利用源端的架顶式交换机，根据SDN控制器下发的流映射表配置上联端口，通过上联端口发送光子数据流到基于阵列波导光栅路由器的N×N光交叉连接矩阵，N×N光交叉连接矩阵根据不同输入端口的输入波长被动路由转发光子数据流，经对应的输出端口传输至目的端的架顶式交换机。
S105、当目的端的架顶式交换机接收到对应光子数据流后，根据SDN控制器下发的流映射表，反映射回相应的分组数据流至目的端的服务器。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于SDN的全光交换数据中心网络控制系统，其特征在于，包括：
N×N光交叉连接矩阵，基于多个阵列波导光栅路由器AWGR串联、并联或串并联结合构建而成，根据不同输入端口的输入波长被动路由转发数据流，经对应的输出端口输出；
多个服务器机架，每个服务器机架中设有多台服务器；
架顶式交换机，包括设置在各个服务器机架的顶部源端的架顶式交换机和目的端的架顶式交换机，源端的架顶式交换机的下联端口接收连接的服务器输入的分组数据流，生成相应的新流入网消息并发送；目的端的架顶式交换机反映射回相应的分组数据流至连接的服务器；
SDN控制器，集成于OpenStack，利用所述N×N光交叉连接矩阵结构生成相应的波长路由表存储在所述SDN控制器中，接收源端的架顶式交换机发送的新流入网消息，计算出对应光子数据流的参数信息，根据参数信息生成对应光子数据流的流映射表，并下发相应的流映射表至源端和目的端的架顶式交换机，用于源端的架顶式交换机配置发送光子数据流到N×N光交叉连接矩阵的上联端口以及目的端的架顶式交换机反映射回相应的分组数据流至连接的服务器；
架顶式交换机的内部维护着一张流映射表，由匹配域、指令域、比特速率、起始时间、截止时间和路由波长六项条目构成，其中，匹配域中包含源地址、目的地址和VLAN标签等数据包报头信息字段，用于分组数据流的识别和分类；指令域表示分组数据流与对应光子数据流之间的映射和反映射操作；比特速率、起始时间、截止时间和路由波长这四项条目表示上联端口突发光子数据流的特征。
2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，
所述SDN控制器通过扩展的南向接口OpenFlow协议与所述N×N光交叉连接矩阵、多个服务器机架以及架顶式交换机进行通信。
3.一种如权利要求1-2任一项所述控制系统的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过源端的架顶式交换机的下联端口接收连接的服务器输入的分组数据流，生成相应的新流入网消息发送至集成于OpenStack的SDN控制器；
通过SDN控制器计算出对应光子数据流的参数信息，根据参数信息生成对应光子数据流的流映射表，并下发相应的流映射表至源端和目的端的架顶式交换机；
利用源端的架顶式交换机，根据SDN控制器下发的流映射表配置上联端口，通过上联端口发送光子数据流到基于阵列波导光栅路由器的N×N光交叉连接矩阵，N×N光交叉连接矩阵根据不同输入端口的输入波长被动路由转发光子数据流，经对应的输出端口传输至目的端的架顶式交换机；
当目的端的架顶式交换机接收到对应光子数据流后，根据SDN控制器下发的流映射表，反映射回相应的分组数据流至连接的服务器；
通过扩展的南向接口OpenFlow协议，将相应的所述流映射表下发至对应的源端的所述架顶式交换机，同时，将所有源端的所述架顶式交换机的流映射表下发至目的端的所述架顶式交换机；
其中，利用所述N×N光交叉连接矩阵结构生成相应的波长路由表存储在所述SDN控制器中，根据所述数据包报头信息、所述波长路由表以及链路资源占用情况，计算出的所述光子数据流的参数信息包括数据包报头信息、映射或反映射操作指令、比特速率、起始时间、截止时间以及路由波长。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，当源端的所述架顶式交换机接收到连接的所述服务器输入的分组数据流后，提取所述分组数据流的数据包报头信息，并测算所述分组数据流的比特速率，所述数据包报头信息包括源地址、目的地址和VLAN标签。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，采用动态带宽分配算法DBA计算所述光子数据流的参数信息。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述OpenStack包括用于实现所述控制系统的基础设施即服务的计算、网络、块存储、对象存储和图形用户界面组件，通过网络组件的插件架构将所述SDN控制器集成于所述OpenStack的所述网络组件中。
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