一種適用於未來網際網路的可編程交換機系統的製作方法

2023-08-06 20:45:16 1

專利名稱：一種適用於未來網際網路的可編程交換機系統的製作方法
一種適用於未來網際網路的可編程交換機系統技術領域
本發明屬於網絡技術領域，特別是涉及一種適用於未來網際網路的可編程交換機系統的設計技術。技術背景
未來網際網路的目標是創造一種全新的架構，以適合於未來網際網路業務的快速發展。在體系結構的研究上，已出現以信息為中心的、以服務為中心的、以用戶為中心的新型網絡架構方案，可編程和虛擬化也已成為這些新型網絡架構方案的技術特徵。
在ICN(以信息為中心的未來網際網路)的網絡架構中，與傳統的網絡節點技術不同的是，節點被賦予了緩存內容的功能。用戶請求獲得的內容在傳播途中被沿途節點中緩存， 使得其它用戶可以從附近的節點中獲取該內容，以提高網絡的利用率。
在以用戶為中心的未來網際網路網絡架構中，提供基於用戶體驗質量的網絡選擇機制，實現無縫移動通信是其主要目標。該機制獨立於底層網絡以實現更快及多種技術間的切換。
在SAIL未來網際網路項目中，提供由用戶控制或者應用控制的訪問方法是其主要目標，用以建立符合未來網際網路需要的網絡連接，例如雲計算網絡或者ICN。未來的傳輸和聯網機制將利用諸如光網絡的鏈路技術的先進特性、網絡和路徑的分集技術、先進的網絡編碼技術等，並採用統一的方式處理用戶、內容和信息對象的泛在移動性。
可編程和虛擬化是未來網際網路架構方案的一個特徵，例如，GENI就是為新一代網絡架構和分布式系統而建立的虛擬化可編程設施。這類虛擬化可編程網絡能同時處理多個孤立網絡的數據包。由於網絡是可編程的，只需給定可編程的項，便能建立新路由協議、安全模型和編址方案。由於網絡是虛擬化的，共享相同基層網絡的多個孤立的邏輯網絡可以採用不同的編址和轉發機制。
OpenFlow是GENI裡的一個項目，OpenFlow的可編程項是不同交換機和路由器中的流表。通過選擇路由器和用流表處理來控制流。流經網絡的流被認為是互相獨立並被分別處理，對流的分別處理要求頻繁改動網絡中流表的路線，使得網絡高度不穩定而且忙於傳輸處理連接請求的信令。
總體來看，無論是現有的網際網路還是未來的網際網路方案，路由器和交換機等網絡節點，主要包含以下幾個方面的功能和特徵基於路由表的路由選擇與基於轉發表的轉發方式、源路由方式、虛電路方式、提供QoS的資源預約、可編程的路由表、內容緩存功能、基於TCOM的匹配功能、虛擬路由器等。所有這些路由與交換技術，目標都是用於構建一個非結構化的網絡。對於大規模的無結構網絡，需要採用分布式的、複雜的網絡編址方案、路由策略和內容查詢機制；相反，本發明的目標是為結構化的網絡提供一種可編程的、可虛擬化的交換機技術。它充分利用結構化網絡的規則的拓撲，使得可以採用全球統一而簡單的編址、路由和查詢機制，從而使得路由查詢時間、網絡互操作與互連方式、內容分發效率和服務預留機制都得到極大改善。並且可以充分發揮光傳輸網絡的邏輯拓撲重配置能力，即通過使用光旁路、可調收發器、光交換機和波長變換器，在光傳輸網絡中實現邏輯拓撲重配置。發明內容
本發明的目的在於提供一種適用於未來網際網路的可編程交換機系統。利用該技術能夠在未來網際網路中構建結構化的網絡，並利用結構化網絡的並行處理能力、計算能力和簡單轉發機制，實現複雜的網絡功能和提供各種服務，並使得基於該技術的未來網際網路具有可編程及虛擬化的特徵。
為了實現發明目的，採用的技術方案如下
一種適用於未來網際網路的可編程交換機系統。它由多個旁路單元和多個處理單元組成，並實現特定的轉發功能，適合於在未來網際網路中構建結構化的網絡。
所述的旁路單元，能夠在一個可編程交換機的兩個接口之間實現直通，或者在其多個接口之間實現多播和廣播。可編程交換機不會對通過其旁路單元的數據包或者數據流進行解析、路由、轉發等處理。由一到多個旁路單元串接而成的邏輯鏈路將具有很小而且固定的時延，適合於連接物理網絡中不相鄰的節點以構建結構化的網絡。
所述特定的轉發功能，包括直角交換、安全路由和多播，具體如下
直角交換充分利用SN嚴格定義的幾何拓撲，因為每個節點都有SN的地圖，所以能找到去任何目的地的最短路徑。其中的具體技術包括對節點埠的標記方法、對節點的標記方法、對路徑的指定方法、快捷式交換方法，具體如下
一、所述的對節點埠的標記方法如下
根據結構化網絡(SN)的幾何拓撲，SN中存在著許多模式一致的節點、重複的子結構、多條同方向的路徑。根據這些特徵定義節點的相似性為a)具有相同數目的入口和相同數目的出口並以相似的方式連接其他節點；或者b)出現在相同的子結構上；或者c)出現在同方向的路徑上。
對於相似的節點，每個節點的入口都類似地標上1，2，. . .，Ka，出口都類似地標上 1，2，...，La，其中Ka和La分別是節點A的入口和出口數目。
二、所述的對節點的標記方法如下
設SN中有N個節點，記為X1, &，. . .，％。對應於每個入口 k，節點Xi節點被記為xP， 其中 k= 1，2，...，KiiKi 是節點 Xi 的入口數。對於 k= 1，2，...，D，令廣 = 表示具有入口 k的節點的集合，其中D = HiaxlKiIi = 1,2,... ,N}且當k > Ki對x;k')=mdL
記ps, d表示從源節點s到目的節點d的具有最少跳數的最短路徑。令SN中所有最短路徑的集合為P= {ps,d all S and d}，每條路徑Ps,d e P由一系列節點\組成，其中<"〕=J是目的節點，L彡1。對於任意兩個節點xf^x；^ e/V，若Ic1 = km = k， 則節點和在中必須用不同數字標識。基於此約束，當檢查完所有Ps,d e P時，生成一個針對(\的約束矩陣Ck。在Ck中，如果中的兩個節點必須用不同數字標識，則該矩陣中相應項標記為1，否則為0。例如，包含節點X1w^f^xf1,xf〕，生成的約束矩陣如下
權利要求
1.一種適用於未來網際網路的可編程交換機系統，其特徵在於所述的可編程交換機系統由多個旁路單元和多個處理單元組成；所述的旁路單元能夠在一個可編程交換機的兩個接口之間實現直通，或者在其多個接口之間實現多播和廣播，可編程交換機不會對通過其旁路單元的數據包或者數據流進行解析、路由、轉發等處理；由一到多個旁路單元串接而成的邏輯鏈路將具有很小而且固定的時延，適合於連接物理網絡中不相鄰的節點以構建結構化的網絡；所述的處理單元，每個處理單元都是可編程的，用於實現比直角交換、安全路由、多播更複雜的轉發功能，以及實現對數據包解析、統計、檢測、過濾、控制、轉換等各種功能。
2.根據權利要求1所述的適用於未來網際網路的可編程交換機系統，其特徵在於所述可編程交換機系統還能實現特定的轉發功能，包括直角交換、安全路由和多播。
3.根據權利要求2所述的適用於未來網際網路的可編程交換機系統，其特徵在於所述的直角交換，包括對節點埠的標記方法、對節點的標記方法、對路徑的指定方法、快捷交換方法，具體如下1)、所述的對節點埠的標記方法如下根據結構化網絡SN的幾何拓撲，SN中存在著許多模式一致的節點、重複的子結構、多條同方向的路徑；根據這些特徵定義節點的相似性為a)具有相同數目的入口和相同數目的出口並以相似的方式連接其他節點；或者b)出現在相同的子結構上；或者c)出現在同方向的路徑上；對於相似的節點，每個節點的入口都類似地標上1，2，...，Ka，出口都類似地標上1， 2，...，La，其中Ka和La分別是節點A的入口和出口數目；2)、所述的對節點的標記方法如下設SN中有N個節點，記為Xl，x2, . . . , xN ；對應於每個入口 k，節點Xi被記為xP，其中k =1,2,... ,Ki5Ki 是節點 Xi 的入口數；對於 k= 1，2，...，D，令廣 = 表示具有入口 k的節點的集合，其中D = HiaxIKiIi = 1，2，...，N}且當k > Ki樹x;k)=null·』記Ps,d表示從源節點s到目的節點d的具有最少跳數的最短路徑；令SN中所有最短路徑的集合為P= {ps,d|all s and d}；每條路徑ps, d e P由一系列節點Axf^ + .j；^組成， 其中x；^ =J是目的節點，L彡1 ；對於任意兩個節點xf^x；^ e/V，若Ic1 = km = k，則節點 xf1和X^f1在(}k中必須用不同數字標識；基於此約束，當檢查完所有Ps, d e P時，生成一個針對的約束矩陣Ck ；在Ck中，如果(ik中的兩個節點必須用不同數字標識，則該矩陣中相應項標記為1，否則為0 ；如果SN是雙向的，每條單向路徑都會有反向的單向路徑；所以，存在與對稱的Gk,， 當中所有節點都被標識後，Gk,中的相同節點無需重新標識；當所有的Gk,k= 1,2,...，D，都被標識後，節點Xi有Ki個數值㈣，+++，&}；在某些SN結構中，數值{%，...， ,}能被指定等於坐標；在另外一些結構中，標籤和坐標可能不相等，因為 ，+++，《^}可能不是唯一的；3)、所述的對路徑的指定方法如下設最短路徑ps, d e ρ是由一系列單向線段S1 — &、組成的；從Si到Si+1的拐角節點從入Dki接收數據包，並通過出口 ο (si+1)將其轉發到si+1，其中0(si+1)表示該節點的通向的出口 ；除了拐角節點，線段Si中的所有節點將從入口 &接收數據包並將其轉發到出口 ο (Si)，使得數據包不改變方向，沿著原來的單向線段傳輸；因為ο (Si)是與入口 h綁定的，並允許數據包沿著單向線段Si穿過該節點，所以O(Si)也記為oGO ；對於i = 1，2，...，L，如果Iii = k，將拐角節點的標記~,放入容器Sk，即令 Sk=Sk^i nki }，並把出口 ο (si+1)放入 Qk = Qk U {o (si+1)}，其中 ο (sL+1) = 「 end"；然後將容器S1, S1, ...，&和Q1, ( ，...，％放入數據包頭部，其中D是節點入口數目的最大值，且其中的一些容器可能為空；根據所述的對節點的標記方法，由於Ps,d e P，故每個容器&中的所有標籤都不相等；所以，相對於入口 h的拐角節點標籤、可以用作拐角的標識；4)、所述的快捷交換方法如下如果中間節點A的標籤是Ia1, . . .，，A從入口 k收到數據包，則A能從數據包頭部提取出&和A ；如果屯 &，意味著A是單向線段上的中間節點，而不是拐向下個線段的拐角節點，則數據包被轉發到出口 ο (k)，從而數據包沿著當前線段傳播，其中ο (k)是與k綁定的出口 ；如果％ = Hka e Sk,意味著A是&中的第1個拐角；若Qk的第1項是qu且qk, i的標記不是"end"，則將該數據包轉發到出口 qu，使得該數據包按規定的路徑轉向到另一個線段；若qu等於"end"，則該數據包已到達目的地；以這種方式，每個數據包以快捷方式進行交換，無需查詢路由表、無需執行複雜的計算、也無需在中間節點改變數據包的頭部參數。
4.根據權利要求3所述的適用於未來網際網路的可編程交換機系統，其特徵在於所述的安全路由方法如下安全路由可以通過對所有容器S1, S2,... ,Sd和Q1, Q2,... ,Qd加密實現；源節點根據結構化網絡的拓撲，知道沿途所有拐角節點；每個域Ink, , PaI被源節點數字籤名並用相應拐角節點X的公鑰加密，其中指針Pa指向下個域；設拐角節點A是拐角節點X的下個拐角節點，其中4 = nkjl ；源節點指定拐角節點X用私鑰解密域Inu^kipJ，所以，X和A之間的中間節點能用這些信息來實現快捷交換；當數據包到達A時，A根據指針pA找到下一個域並用自己的私鑰解密其內容，然後用X的公鑰加密In1^qkIPj,所以，除了源節點，沒有其他任何節點知道數據包的整條路徑和目的地；通過源節點的數字籤名，沿途的節點能驗證源節點和路徑信息的完整性；選擇一條具有最小拐角節點數的最短路徑，則沿途加解密的總次數將達到最少；所有非拐角節點的中間節點採用快捷交換方式，所以安全路由的時延有上界。
5.根據權利要求3所述的適用於未來網際網路的可編程交換機系統，其特徵在於所述的多播方法如下允許A中任一項都可以是指針，設qu是指針，指向一個包含出口集合{^/，《義...，< | 的域；當數據包從入口 k到達中間節點A= ( ,..., aK)時，節點A比較％和該數據包頭部的第k個容器&，如果屯0&，意味著A不是拐角節點，則將該數據包轉發到ο (k)；如果％ =11￡『意味著六是拐角節點，則將該數據包多播到集合~ =紀/，</，...，</丨中的所有出口 ；該數據包頭部所帶的路徑信息和所有這些指針構成一棵由源節點定製的多播樹；源節點通過使得到達多個目的地的路徑有最大重疊，優化這棵多播樹。
全文摘要
本發明提供一種適用於未來網際網路的可編程交換機系統，用於構建結構化的網絡，實現簡單的轉發機制和複雜的網絡功能，並使得網絡架構具有可編程及虛擬化特徵。每個可編程交換機被分割成若干旁路單元和邏輯處理單元，提供特定的轉發功能和可編程接口。旁路單元用於在不相鄰的處理單元之間建立邏輯鏈路，以滿足構建結構化網絡拓撲的需要，並實現低時延和高速率的傳輸性能；處理單元用於編程實現轉發、處理、計算和緩存等複雜的節點功能；為結構化網絡定製的直角交換功能用於實現快捷交換、安全路由和多播；可編程接口提供對旁路模式、鏈路速率、交換機制、處理單元功能的編程和虛擬化管理。
文檔編號H04L12/24GK102523165SQ20111043932
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月23日 優先權日2011年12月23日
發明者餘順爭 申請人:中山大學