一種ForCES系統中路由協議的信息交互方法
2023-04-30 06:16:41
專利名稱：一種ForCES系統中路由協議的信息交互方法
技術領域：
本發明屬於網絡通信技術領域，尤其涉及一種ForCES系統中路由協議的信息交互方法。
背景技術：
ForCES ( Forwarding and Control Element Separation,轉發和控制件分離)技術的關鍵點是網絡節點設備在結構上實現轉發麵和控制面分離，同時轉發麵內部資源實現虛擬化、模塊化、標準化，進而實現柔性的開放可重構，這些特徵使得網絡運營者可以搭積木的方式重組功能模塊，進而定製實現各種新業務。以上這些技術特點，使得ForCES架構成為實現新型網絡服務應用如三網融合、雲計算等的網絡節點設備重要技術架構。一 個 ForCES 系統(ForCES Network Element, ForCES NE)分成轉發件(Forwarding Element, FE)和控制件(Control Element, CE)兩部分。FE 實現對數據包的轉發處理，其典型結構如圖1所示。FE中包含有對數據包進行處理和轉發的各種邏輯功能模塊(Logical Function Block, LFB)如分類、調度、IPv4或IPv6轉發等。網際網路協議 RFC5812 規定了這些 LFB 的具體模型「ForCES Forwarding Element (FE) Model」。控制件對轉發件進行控制和信息交換，為了實現系統的開放性，其間的信息交換是根據ForCES協議標準進行，確保系統有效運行。網際網路協議RFC3746規定了轉發與ForCES的框架(Framework)，網際網路協議RFC5810規定了 FE與CE間的標準信息交換協議「ForCESProtocol Specification」,標準化使得FE和CE可以由不同廠家生產。作為一種新型的網絡設備架構，ForCES的CE通過定製FE內的LFB連接關係(SPLFB拓撲)可以實現任何類型的網絡設備，如交換機、路由器、防火牆等，尤其在三層處理方面，IETF ForCES工作組定義了較為完備的LFB庫。三層網絡設備中路由是一個無法迴避的問題，ForCES系統也不例外。ForCES系統的數據轉發麵和控制面在物理上分離，在三層處理問題上轉發麵和控制面的分工十分明確，轉發麵主要負責數據包的快速路由查表和轉發；控制面上的CE負責具體的路由計算、產生路由表並分發到各FE，這和絕大多數的路由系統是相同的。路由計算和路由表的廣生都是由路由協議完成，ForCES系統也是如此。ForCES系統中實現路由協議，有兩種技術途徑:1)針對ForCES系統的開發路由協議；2)集成現有路由軟體(Xorp、Zebra等)所提供的路由協議。兩者比較:前者工作量巨大且顯得多餘，因為ForCES系統中的路由協議在功能上和其它設備並沒有任何不同；後者不僅大大減少了 ForCES系統的開發工作量，也是其開放性和可擴展性的重要體現。和其它路由器系統一樣，ForCES系統中的路由協議為了能正確地計算路由，需要與外界進行路由協議包的交換、學習外部網絡的鏈路。然而現實的問題是ForCES系統中，與轉發麵分離後的控制面如何和外界進行路由信息的交互以及如何實現多FE間路由協調，針對這些問題本發明公布了一種基於IP隧道的重定向機制以解決控制面與外界路由器之間的路由信息交互問題，採用接口虛擬化技術將多FE上的物理接口統一編號映射到CE，路由協議棧根據接口編號區分FE，進而決定發送重定向和控制消息時的目的地。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術的不足，提出一種ForCES系統中路由協議的信息交互方法。本發明解決其技術問題所採用的技術方案包含如下步驟:
步驟(I)控制件讀取邏輯功能塊的屬性，通過虛接口設備控制器向虛接口模塊中添加並配置虛接口，使虛接口與轉發件的物理接口唯一對應，通過一個物理接口 ID確定一個虛接口，虛接口信息包含了虛接口名、虛接口 IP位址和虛接口子網號；
控制件包含了 ForCES中間件、路由轉化適配器、虛接口模塊、IP隧道和第三方路由協議軟體；所述的ForCES中間件實現了控制消息和重定向消息的處理和傳輸、ForCES協議所需的消息的分裝、解封裝；所述的路由轉化適配器實現了路由條目到邏輯功能塊屬性的映射和路由表的下發；所述的虛接口模塊實現了轉發件上的物理接口和控制件上的虛接口模塊中的虛接口之間的映射及管理；所述的IP隧道實現了 ForCES中間件與作業系統內核間的通信；所述的第三方路由協議軟體執行路由算法並計算路由；
步驟(2) ForCES系統中路由協議信息的接收過程具體包含如下步驟:
2-1.外部路由器發出包含了路由協議信息的IP包，並通過轉發件的物理接口進入ForCES 系統；
2-2.轉發件在IP包頭部之前添加元數據，元數據由轉發件ID、物理接口 ID和長度欄位組成，長度欄位表示元數據的長度，每個轉發件ID和物理接口 ID的組合唯一地確定一個虛接口 ；且元數據、IP包共同組成數據塊；
2-3.轉發件中的ForCES中間件按照ForCES重定向消息的封裝格式，對步驟2_2所述的數據塊進行封裝，封裝過程中在數據塊頭部之前添加ForCES重定向消息頭，封裝後通過重定向通道發送至控制件；
2-4.控制件中的ForCES中間件在依次刪除步驟2_3所述的ForCES重定向消息頭和元數據頭，並從元數據頭中提取轉發件ID和物理接口 ID，根據物理接口 ID查找虛接口名，將所得虛接口名添加到步驟2-2所述IP包頭之前，虛接口名和IP包組成新的數據塊，然後該數據塊進入IP隧道；
2-5.1P隧道中，在步驟2-4所述的數據塊的頭部之前添加隧道IP頭，然後將添加了隧道IP頭的數據塊發向IP隧道的對端；隧道IP頭中的協議欄位設為105，目的IP位址為第三方路由協議軟體所在主機的IP位址；
2-6.1P隧道的對端對收到的數據塊進行處理，刪除數據塊的隧道IP頭，然後將刪除隧道IP頭的數據塊交付與虛接口模塊；
2-7.虛接口模塊對步驟2-6交付的數據塊進行處理，刪除該數據塊所包含的虛接口名，得到步驟2-2所述的IP包，之後再刪除IP包的頭部，根據虛接口名將IP包中所包含的路由協議信息放入虛接口的接收緩存；
2-8.第二方路由協議軟體從虛接口的接收緩存中讀取路由協議信息；
步驟(3) ForCES系統中路由協議信息的發送過程，由控制件中的第三方路由協議軟體主動發起，目的地是外部路由器，其過程是步驟(2)中所述過程的逆過程:
步驟(4)控制件和轉發件之間的路由同步過程由路由轉化適配器來控制和管理，路由轉化適配器將控制件中路由表的下發過程轉化成邏輯功能塊的屬性配置操作過程，具體包含如下步驟:
4-1.路由轉化適配器通過Netlink從作業系統的內核空間中讀取路由表；
4-2.路由轉化適配器將路由條目中的每一項映射為邏輯功能塊的一個屬性；每一個路由條目中都有包含一個出接口，該出接口是步驟2-4所述的虛接口，通過該虛接口能夠唯一地確定轉發件ID和物理接口 ID ；
4-3.路由轉化適配器通過ForCES控制消息通道，發送邏輯功能塊的屬性配置消息至由步驟4-2所述的轉發件ID確定的轉發件。
本發明有益效果如下:
利用了虛接口技術，成功實現轉發件上的物理接口到控制件上虛擬接口的映射和同步，這是控制件上路由協議軟體運行的必備條件；在通過ForCES重定向消息通道將轉發件上的路由協議信息導入控制件的過程中，附加的元數據和IP隧道共同作用，在控制件中還原了路由協議的接收和處理過程；路由下發的過程,通過Net I ink捕獲系統內核路由表的變化，虛接口的唯一性確保轉發件間路由的一致性。本發明所公布的方法，提供了一種ForCES系統中集成第三方路由協議軟體的方案，已在ForCES的原型系統中成功應用，實踐表明該方法具有代價小、穩定可靠等特點。
圖1 ForCES轉發件的內部結構 圖2 ForCES系統中路由協議的信息交互 圖3 ForCES系統中的重定向和控制消息通道示意 圖4路由轉換適配器的軟體結構具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。如圖2所示，一種ForCES系統中路由協議的信息交互方法，包含如下步驟:
步驟(I)控制件讀取邏輯功能塊的屬性，通過虛接口設備控制器向虛接口模塊中添加
並配置虛接口，使虛接口與轉發件的物理接口唯一對應，通過一個物理接口 ID確定一個虛接口，虛接口信息包含了虛接口名、虛接口 IP位址和虛接口子網號；
控制件包含了 ForCES中間件、路由轉化適配器、虛接口模塊、IP隧道和第三方路由協議軟體；所述的ForCES中間件實現了控制消息和重定向消息的處理和傳輸、ForCES協議所需的消息的分裝、解封裝；所述的路由轉化適配器實現了路由條目到邏輯功能塊屬性的映射和路由表的下發；所述的虛接口模塊實現了轉發件上的物理接口和控制件上的虛接口模塊中的虛接口之間的映射及管理；所述的IP隧道實現了 ForCES中間件與作業系統內核間的通信；所述的第三方路由協議軟體執行路由算法並計算路由；
步驟(2) ForCES系統中路由協議信息的接收過程具體包含如下步驟:
2-1.外部路由器發出包含了路由協議信息的IP包，並通過轉發件的物理接口進入ForCES 系統； 2-2.轉發件在IP包頭部之前添加元數據，元數據由轉發件ID、物理接口 ID和長度欄位組成，長度欄位表示元數據的長度，每個轉發件ID和物理接口 ID的組合唯一地確定一個虛接口 ；且元數據、IP包共同組成數據塊；
2-3.轉發件中的ForCES中間件按照ForCES重定向消息的封裝格式，對步驟2_2所述的數據塊進行封裝，封裝過程中在數據塊頭部之前添加ForCES重定向消息頭，封裝後通過重定向通道發送至控制件；
2-4.控制件中的ForCES中間件在依次刪除步驟2_3所述的ForCES重定向消息頭和元數據頭，並從元數據頭中提取轉發件ID和物理接口 ID，根據物理接口 ID查找虛接口名，將所得虛接口名添加到步驟2-2所述IP包頭之前，虛接口名和IP包組成新的數據塊，然後該數據塊進入IP隧道；
2-5.1P隧道中，在步驟2-4所述的數據塊的頭部之前添加隧道IP頭，然後將添加了隧道IP頭的數據塊發向IP隧道的對端；隧道IP頭中的協議欄位設為105，目的IP位址為第三方路由協議軟體所在主機的IP位址；
2-6.1P隧道的對端對收到的數據塊進行處理，刪除數據塊的隧道IP頭，然後將刪除隧道IP頭的數據塊交付與虛接口模塊；
2-7.虛接口模塊對步驟2-6交付的數據塊進行處理，刪除該數據塊所包含的虛接口名，得到步驟2-2所述的IP包，之後再刪除IP包的頭部，根據虛接口名將IP包中所包含的路由協議信息放入虛接口的接收緩存；
2-8.第二方路由協議軟體從虛接口的接收緩存中讀取路由協議信息；
步驟(3) ForCES系統中路由協議信息的發送過程，由控制件中的第三方路由協議軟體主動發起，目的地是外部路由器，其過程是步驟(2)中所述過程的逆過程:
步驟(4)控制件和轉發件之間的路由同步過程由路由轉化適配器來控制和管理，路由轉化適配器將控制件中路由表的下發過程轉化成邏輯功能塊的屬性配置操作過程，具體包含如下步驟:
4-1.路由轉化適配器通過Netlink從作業系統的內核空間中讀取路由表；
4-2.路由轉化適配器將路由條目中的每一項映射為邏輯功能塊的一個屬性；每一個路由條目中都有包含一個出接口，該出接口是步驟2-4所述的虛接口，通過該虛接口能夠唯一地確定轉發件ID和物理接口 ID ；
4-3.路由轉化適配器通過ForCES控制消息通道，發送邏輯功能塊的屬性配置消息至由步驟4-2所述的轉發件ID確定的轉發件。
實施例為了便於本領域一般技術人員理解和實現本發明，現結合附圖進一步說明本發明的技術方案，給出一種本發明所述的具體實施方式
。一)路由協議的信息交互實現
ForCES協議規定了控制件和轉發件間交互的兩種消息:控制消息和重定向消息，如圖
3。控制消息包含控制件對轉發件的控制管理內容的消息，例如屬性的配置和查詢消息，能力和事件的上報消息。重定向消息包含控制件上所處理的重定向數據包。從字面上理解，「重定向」數據包指的是那些不是轉發件產生的數據包，而是從外部到達轉發件，需要由轉發件「重新定向」到控制件進行處理的數據包，如圖3中的RIP和OSPF路由器所產生的RIP和OSPF的協議包；亦或者是由控制件產生的，需要經轉發件「重新定向」到ForCES系統外部的數據包，如圖2中的第三方路由協議軟體所產生的路由協議(如RIP和0SPF)更新和查詢包。總體來說，當ForCES系統中的路由協議和外部的路由器進行信息交互時，使用重定向消息通道，而當控制件內的路由需要下發至轉發件時，則使用控制消息通道。從圖2中可見，ForCES系統中對外的物理網絡接口分布於轉發件之上，而第三方路由協議軟體如Zebra、Xorp等則位於控制件之中，為使第三方路由協議軟體能感知到底層物理網絡接口的狀態，可以通過虛接口技術將這些物理網絡接口映射到控制件之上。虛接口的映射過程中，為保證上下接口之間的信息同步及一致性，具體做法如下:
1)轉發件中的LFB抽象層將每個物理網絡接口抽象成一個LFB實例，接口的IP位址、掩碼、鏈路模式等信息被描述為LFB的屬性；
2)控制件通過ForCES中間件讀取物理網絡接口所對應的LFB實例及其屬性；
3)控制件通過虛接口設備控制器向虛接口模塊添加虛接口並配置虛接口的IP等信
肩、O4)第三方路由協議軟體中配置路由協議參數(如通告網絡號等)，這些路由協議運行在虛接口之上。重定向通道中對路由協議包的處理方法如圖3。當外部的RIP和OSPF路由器產生的包含有路由協議信息的IP包(IP_1)到達轉發件時，首先由接口 LFB負責接收並記錄當前的轉發件ID和物理接口 ID，分類LFB將其定位稱為重定向消息並放入重定向隊列等候處理，重定向LFB在IP數據包頭部添加元數據，然後再由ForCES中間件將其封裝成ForCES重定向消息。元數據主要由三個欄位組成，轉發件ID、物理埠 ID、Length。控制件中的ForCES中間件完成ForCES重定向消息頭的解析並從中提取出元數據信息，此時需要根據元數據所包含的轉發件ID物理接口 ID獲取虛接口，為了簡化實現，可以在虛接口命名時直接將轉發件ID物理接口 ID包含其中，具體命名方式為:「vif_轉發件ID*1000+物理接口 ID」，例FEID為2、物理接口 ID為3，那麼虛接口的名為「vif_2003」。ForCES中間件將虛接口名(VIN)附加在IP_1之上，形成了 VIN +IP_1，VIN +IP_1變得非常奇怪，原因有二:1)不再是一個常規的IP包；2)位於用戶空間，虛接口模塊無法對其進行任何處理，這時就需要IP隧道模塊的幫組。通過調用Linux作業系統所提供的IP隧道套接字，將VIN+IP_1作為消息內容，通過IP隧道傳輸至作業系統內核，傳輸過程中數據包的形式為:IP_Tunnel_Header+VIN+IP_l。虛接口模塊中的內核部分讀取IP隧道中的VIN +IP_1,內核中的IPv4協議棧根據VIN將IP_1路由至虛接口的接收緩存並通過軟中斷的方式通知用戶空間。當用戶空間的第三方路由協議軟體從虛接口讀取數據時，虛接口模塊將剝去IP_1的IP頭，被剝去IP頭之後的IP_1所含內容就是外部路由器中路由協議所發出的OSPF和RIP路由協議信息，這也正是第二方路由協議軟體所需要的。如權利要求中步驟(3)所述，當第三方路由協議軟體對外發出路由協議信息時，首先由虛接口模塊進行處理，其後續過程是前面所述過程的逆過程。二、控制件和轉發件間路由的同步實現
當控制件上的第三方路由協議完成信息交互後，將會生成路由表，這些路由表存儲於內核空間，我們可以通過系統命令(如=Netstat -η)將其顯示於用戶空間，或通過Netlink套接字讀取，這裡我們採取的是後者。在各種路由系統中，路由表的組織形式各不相同。對於一般路由器如邊緣路由器而言，為了管理的方便通常使用一張表存儲路由，稱為集成式路由表，表中的每一項包含:目的網絡(Network)、掩碼(Mask)、下一跳(NH)、出接P (Int)、協議標誌位(Flag)、度量(Matric)0然而對於核心路由器而言，由於其所需維護的路由表條目數過於龐大(一般在2萬左右)，一張表的路由組織方式會帶來存儲空間上的極大浪費。這是因為，集成式路由表中會出現一種情況:多條路由的目的網絡不同，但是卻指向了同一個下一跳，這種情況下完全可以通過合理設計對路由表的信息量進行壓縮，因此提出了分立式路由表的組織形式。分立式路由表維護了兩張子表:前綴表、下一跳表，其中前綴表包含了目的網絡、掩碼和下一跳索引，下一跳表包含了下一跳索引、出埠 ID、出埠 IP、標誌位、MTU、下一跳IP，兩張表之間分別通過下一跳索引彼此關聯，很大程度上降低了路由表中的信息的重複存儲。現實的情況是，控制件上的路由協議棧採用集成式路由表，而轉發件採用分立式路由表，為了彌補兩者間的差異，引入了路由轉化適配器，其軟體結構如圖4所示。路由轉化適配器的主要功能是從集成式到分立式路由的轉換以及分立式路由的下發管理。在集成式到分立式路由的轉換管理中，路由協議棧所產生的路由存在於Linux內核，而集成式路由訪問器(Integrated Route Accessor, IRA)則通過Netlink實現與Linux內核之間的雙向通信，進而到達讀寫內核路由的目的，該內核路由是集成式的；路由轉換器(RouteConverter, RC)將IRA所提供的集成式的路由條目轉換為分立式，而分立式路由操作過程涉及到前綴、下一跳兩個表的修改，其中前綴表、下一跳表分別是ForCES系統中最長前綴(Longest Prefix Match, LPM)、下一跳(Next Hop, NH) LFB 的一個屬性，因此在分立式路由的下發管理中，ForCES路徑映射模塊(Path Finder)將計算前綴表、下一跳表所對應的ForCES路徑。路徑計算中比較麻煩的是如何定位該路由應發往的目的轉發件，針對該問題，需要在虛接口編號時同時包含轉發件ID和物理接口 ID，這樣Path Finder可以從下一跳表中的出埠 ID中識別出轉發件ID。分立式路由下發器(Distributed RouteDispatcher, DRD)根據收集到的ForCES路徑和三張表的內容，將分立式路由操作映射到ForCES LFB的屬性配置，調用ForCES中間所提供的接口，構造ForCES控制消息並發至相應轉發件。
權利要求
1.一種ForCES系統中路由協議的信息交互方法，其特徵在於包含如下步驟: 步驟(I)控制件讀取邏輯功能塊的屬性，通過虛接口設備控制器向虛接口模塊中添加並配置虛接口，使虛接口與轉發件的物理接口唯一對應，通過一個物理接口 ID確定一個虛接口，虛接口信息包含了虛接口名、虛接口 IP位址和虛接口子網號； 控制件包含了 ForCES中間件、路由轉化適配器、虛接口模塊、IP隧道和第三方路由協議軟體；所述的ForCES中間件實現了控制消息和重定向消息的處理和傳輸、ForCES協議所需的消息的分裝、解封裝；所述的路由轉化適配器實現了路由條目到邏輯功能塊屬性的映射和路由表的下發；所述的虛接口模塊實現了轉發件上的物理接口和控制件上的虛接口模塊中的虛接口之間的映射及管理；所述的IP隧道實現了 ForCES中間件與作業系統內核間的通信；所述的第三方路由協議軟體執行路由算法並計算路由； 步驟(2) ForCES系統中路由協議信息的接收過程具體包含如下步驟: 2-1.外部路由器發出包含了路由協議信息的IP包，並通過轉發件的物理接口進入ForCES 系統； 2-2.轉發件在IP包頭部之前添加元數據，元數據由轉發件ID、物理接口 ID和長度欄位組成，長度欄位表示元數據的長度，每個轉發件ID和物理接口 ID的組合唯一地確定一個虛接口 ；且元數據、IP包共同組成數據塊； 2-3.轉發件中的ForCES中間件按照ForCES重定向消息的封裝格式，對步驟2_2所述的數據塊進行封裝，封裝過程中在數據塊頭部之前添加ForCES重定向消息頭，封裝後通過重定向通道發送至控制件； 2-4.控制件中的ForCES中間件在依次刪除步驟2_3所述的ForCES重定向消息頭和元數據頭，並從元數據頭中提取轉發件ID和物理接口 ID，根據物理接口 ID查找虛接口名，將所得虛接口名添加到步驟2-2所述IP包頭之前，虛接口名和IP包組成新的數據塊，然後該數據塊進入IP隧道； 2-5.1P隧道中，在步驟2-4所述的數據塊的頭部之前添加隧道IP頭，然後將添加了隧道IP頭的數據塊發向IP隧道的對端；隧道IP頭中的協議欄位設為105，目的IP位址為第三方路由協議軟體所在主機的IP位址； 2-6.1P隧道的對端對收到的數據塊進行處理，刪除數據塊的隧道IP頭，然後將刪除隧道IP頭的數據塊交付與虛接口模塊； 2-7.虛接口模塊對步驟2-6交付的數據塊進行處理，刪除該數據塊所包含的虛接口名，得到步驟2-2所述的IP包，之後再刪除IP包的頭部，根據虛接口名將IP包中所包含的路由協議信息放入虛接口的接收緩存； 2-8.第二方路由協議軟體從虛接口的接收緩存中讀取路由協議信息； 步驟(3) ForCES系統中路由協議信息的發送過程，由控制件中的第三方路由協議軟體主動發起，目的地是外部路由器，其過程是步驟(2)中所述過程的逆過程: 步驟(4)控制件和轉發件之間的路由同步過程由路由轉化適配器來控制和管理，路由轉化適配器將控制件中路由表的下發過程轉化成邏輯功能塊的屬性配置操作過程，具體包含如下步驟: 4-1.路由轉化適配器通過Netlink從作業系統的內核空間中讀取路由表； 4-2.路由轉化適配器將路由條目中的每一項映射為邏輯功能塊的一個屬性；每一個路由條目中都有包含一個出接口，該出接口是步驟2-4所述的虛接口，通過該虛接口能夠唯一地確定轉發件ID和物理接口 ID ； 4-3.路由轉化適配器通過ForCES控制消息通道，發送邏輯功能塊的屬性配置消息至由步驟4-2所述的轉發件ID確 定的轉發件。
全文摘要
本發明所公開的一種ForCES系統中路由協議的信息交互方法。利用虛接口技術，成功實現轉發件上的物理接口到控制件上虛擬接口的映射和同步，這是控制件上路由協議軟體運行的必備條件；在通過ForCES重定向消息通道將轉發件上的路由協議信息導入控制件的過程中，附加的元數據和IP隧道共同作用，在控制件中還原了路由協議的接收和處理過程；路由下發的過程，通過Netlink捕獲系統內核路由表的變化，虛接口的唯一性確保轉發件間路由的一致性。本發明提供了一種ForCES系統中集成第三方路由協議軟體的方案，已在ForCES的原型系統中成功應用，實踐表明該方法具有代價小、穩定可靠等特點。
文檔編號H04L12/701GK103200086SQ201310078408
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月12日 優先權日2013年3月12日
發明者高明, 王偉明, 李傳煌, 諸葛斌, 董黎剛, 吳穹 申請人:浙江工商大學