一种软件定义FiWi网络中的NC集中控制方法与流程

本发明涉及一种软件定义光纤无线(Fiber Wireless,FiWi)混合接入网络中的网络编码(Network Coding,NC)集中控制方法，属于光纤无线混合接入网络技术领域。

背景技术：

FiWi网络融合了光纤接入的大容量、低功耗与无线接入的移动性、灵活性等特点，作为宽带接入“最后一公里”的解决方案被认为是最具有前景的接入方式之一，在通信网络中扮演着重要的角色。随着FiWi网络节点数量的不断增多，对等(Peer-to-peer,P2P)网络文件共享、视频点播、视频会议等业务的快速发展，网络业务日益趋于本地化，接入网的带宽需求成为亟待解决的问题。网络编码技术将节点的多个数据包进行编码处理后再发送，能够减少传输数据包的个数，提升网络性能，此技术已经被应用到FiWi网络。将光线路终端(Optical Line Terminal,OLT)或光网络单元(Optical Network Unit,ONU)作为编码节点对FiWi网络域外或域内数据进行编码传输打破了网络中的传统信息传输方式，能够减小数据包发送时间，同时提升网络的吞吐量和能源效率，保障数据传输的可靠性。

现有将网络编码技术应用到FiWi网络来提升网络传输性能的各种编码方案需要对已有传输协议进行扩展，编码控制与数据传输是紧耦合在一起的，实现网络编码功能需要OLT与ONU间大量Gate、Report信息包交换，这使网络节点控制功能高度复杂，控制信息冗余膨胀。软件定义网络(Software Defined Network,SDN)能够将IP网络节点中编码与路由等控制逻辑从硬件中分离出来，利用控制器实现对网络的软件集中控制，为网络创新带来了巨大潜力。现有在软件定义网络中实现网络编码的研究能够对网络吞吐量以及时延等方面性能 进行提升，但均未面向软件定义FiWi网络架构来实现FiWi网络中网络编码的集中控制，解决信息冗余及业务本地化趋势带来的问题。

技术实现要素：

在基于NC的FiWi网络中，现有的编码控制方案主要存在以下缺点：

1)传统FiWi网络架构中完成源编码包的筛选和编码包队列的排列以及队列长度控制等需要在无源光网络(Passive Optical Network,PON)的控制信息中加入NC信息，完成编码传输的过程需要OLT与ONU间大量的Gate和Report包进行信息交换。这不仅导致了带宽资源的浪费，限制网络吞吐量的增长，而且使包编码、发送等待时延增加，一定程度上限制了网络速率的增长；

2)已有的FiWi网络中网络编码方案控制、路由决定与快速的数据转发是紧耦合在一起的，实施支持不同功能的网络编码方案需要对网络协议进行反复修改，这会造成网络设备控制功能高度复杂。因此在传统FiWi网络实施NC方案很难最大化编码效益。

鉴于此，如何设计支持网络编码功能的软件定义FiWi网络架构，对流表进行编码功能扩展，利用控制器的集中控制功能实现FiWi网络中的编码策略，全面提升FiWi网络的编码效率与网络性能已成为本领域的研究重点。

本发明的主要目的是在软件定义FiWi网络中实现基本的网络编码功能。本发明提出了一种新的支持网络编码功能的软件定义FiWi网络架构，对流表进行了网络编码功能扩展，将网络中的编码控制集中在控制器，在控制器实现源编码包的筛选与编码包队列长度的控制，通过openflow协议实现了网络编码策略的部署，这样就可以减少网络中的控制消息数量，从而提高了网络带宽的利用率和网络编码效率，降低了网络传输时延。

本发明采用下述的技术方案：

一种软件定义光纤无线混合接入网络，自底向上分别为基础设施层、控制层和应用层；基础设施层包括FiWi网络中的光线路终端、 光网络单元网关节点和无线接入点；基础设施层的每个节点通过openflow协议经安全通道连接到控制层的控制器；每个节点都有一个或多个流表，流表由控制器产生，经安全通道下发到基础设施节点中；控制器包括网络监测模块、数据库、功能控制模块和流表管理器等，通过openflow协议对节点进行管理；节点通过查询流表来进行数据包的匹配，执行数据包的编、解码与转发等操作；控制层的网络监测模块对基础设施层的节点以及链路资源进行动态监测及资源抽象并形成数据库；流表管理器根据功能控制模块中的网络编码策略控制模块的计算结果生成相应的流表，并根据openflow协议标准对基础设施层节点的流表进行更新；应用层中的应用通过控制器提供的开放编程接口API与控制层相连。

其中，流表的每个表项包括三个域：包头域、计数器和行动。包头域包括进入接口、以太网源地址、以太网目的地址、Vlan id、编码包队列和包长度；行动包括转发、丢弃、入队、编码和解码。

本发明还提出了一种在上述网络中的网络编码集中控制方法，其中基础设施节点处缓存的数据包进行标签化处理后存储在控制器中的数据库。标签化处理后得到的每个包标签相当于一个数据包映射在控制器中的虚拟包，每个节点对应一个虚拟包队列，虚拟包记录有数据包的源、目的地址及包长度等信息。网络编码策略控制模块通过对记录有节点包队列信息的数据库进行访问，完成源编码包的筛选以及编码包队列的排列。

具体地，取数据库中基础设施节点的一个包标签，分析其源地址与目的地址；然后，对此虚拟包目的地址节点所对应的包标签队列进行查询，在所述目的地址节点的包标签队列中取出目的地址与所述虚拟包源地址相同的另一个虚拟包。控制器对编码包的长度进行计算并与编码包队列剩余长度进行比较，若编码包长度小于编码包队列剩余长度，流表管理器生成新的流表项，记录有筛选出的能够进行编码的源编码包信息，并通过安全通道下发到基础设施节点，基础设施节点中对应于这两个虚拟包的两个数据包进行编码操作。控制器中所述基础设施节点对应的虚拟包标签队列中已完成源编码包配对的包标签 将被删除，防止源编码包的重复选取。逐一对所述基础设施节点对应的虚拟包标签队列中没有进行过能否执行编码操作判断的数据包进行源编码包的选取与相应流表的生成，直至完成所有源编码包的筛选工作。

附图说明

图1示出了扩展NC功能的软件定义FiWi网络架构；

图2为软件定义网络编码控制过程；以及

图3示出了扩展的流表结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进行详细说明。

1.软件定义FiWi网络架构设计

软件定义FiWi网络架构分为三层，如图1所示，自底向上分别为基础设施层、控制层和应用层。基础设施层包括FiWi网络中的OLT、光网络单元网关节点(Optical Network Unit-Mesh Portal Point,ONU-MPP)和无线接入点(Mesh Access Point,MAP)，网络将这些节点中决定报文如何转发的控制逻辑解耦出来并形成独立的控制层，此基础设施层充当原交换/路由设备中的转发面角色。每个基础设施节点相当于一个openflow交换机，通过openflow协议经安全通道连接到控制层的控制器。每个openflow交换机都有一个或多个流表，流表由控制器产生，经安全通道下发到基础设施节点中。控制器包括网络监测模块、数据库、功能控制模块和流表管理器等，是网络控制功能的核心。控制器通过openflow协议对交换机进行管理，包括流表项的添加、删除等。交换机通过查询流表来进行数据包的匹配，执行数据包的编解码与转发等操作。应用层中的应用通过控制器提供的开放编程接口API与控制层相连。

软件定义FiWi网络的控制层对基础设施层的OLT、ONU-MPP、MAP节点以及链路资源进行动态监测及资源抽象，包括节点中的数 据包信息、节点和链路容量信息等，并形成数据库。为了实现软件定义FiWi网络中网络编码功能的扩展，实现控制器对源编码包的筛选与编码包队列排列控制，需要控制器全面掌握基础设施层FiWi网络节点中数据包的具体信息。同时，基于将基础设施层FiWi网络中所有数据包发送到控制器再进行操作的不可能性，本发明将OLT及ONU-MPP处缓存的数据包进行标签化处理后存储在控制器中的数据库。每个包标签相当于一个数据包映射在控制器中的虚拟包，每个节点对应一个虚拟包队列，虚拟包记录有数据包的源、目的地址及包长度等信息。对数据包的虚拟标签化处理能够在满足控制器对基础设施层资源需求的同时最小化控制器存储资源的占用。

软件定义网络的基本思想就是把当前IP互连节点中决定报文如何转发的复杂控制逻辑从交换机/路由器等设备中分离出来，通过软件编程实现对数据转发规则的控制，最终达到对流量进行自由控制的目的。本发明通过在控制层添加功能控制模块实现对FiWi网络的整体操控，包括FiWi网络拓扑管理、多等级QoS服务、路由算法等。本发明为了在软件定义FiWi网络中扩展网络编码功能，对控制层中的功能控制模块进行进一步扩展，添加了网络编码策略控制模块。此控制模块通过对记录有节点包队列信息的数据库进行访问，完成源编码包的筛选以及编码包队列的排列。流表管理器根据功能控制模块中的网络编码策略控制模块的计算结果生成相应的流表，并根据openflow协议标准对基础设施层FiWi网络openflow交换机中的流表进行更新。

本发明将FiWi网络基础设施节点控制功能与转发功能分离后，能够使网络用户获得可编程性、自动化的网络控制，提高FiWi网络的灵活性和开放性，能够使FiWi网络更好地适应不断变化的业务需求。同时，基础设施节点功能得到极大简化，通过流表进行数据转发能够提高网络传输的速度、可靠性以及安全性等。在控制器扩展了网络编码功能，利用控制器的集中控制功能对网络编码进行部署，实现对网络中各种流量的操控，能有效提升网络性能，实现网络智能化。

2.控制器中的集中编码策略

本发明提出了一种软件定义FiWi网络中的网络编码控制方法，此方法利用软件定义网络的集中控制功能，在软件定义FiWi网络的控制器实现源编码包的筛选、编码包队列排列以及流表的生成。

图2为软件定义FiWi网络中的编码控制过程。

能够对数据包进行编码的前提是解码节点有足够多的源包信息，能够对编码包进行解码工作，因此在源编码包的筛选过程中需要对数据包的源、目的地址进行读取，只有一个数据包的源地址和目的地址分别与另一个数据包的目的地址和源地址相同时，两数据包进行编码传输后，编码包才能在目的接收节点解码。

如图2所示，以图1为例的软件定义FiWi网络架构下的基础设施节点虚拟包队列记录在数据库中。FiWi网络中ONU-MPP作为无线网络出口，承载了MAP节点数据汇聚传输的功能，本发明以OLT作为编码节点，ONU-MPP作为解码节点，因此在数据库中只需对OLT与ONU-MPP的包队列信息进行存储，每个节点对应一个包标签队列，通过包标签能够获取数据包的源、目的地址及包长度信息。

首先，控制器逐一取数据库中OLT的包标签，分析其源地址与目的地址，如图2所示。控制器的数据库中OLT处的虚拟包A的目的地址为ONU-MPP1，源地址为ONU-MPP2。然后，对此虚拟包目的地址节点ONU-MPP1所对应的包标签队列进行查询，在此节点的包标签队列中取出目的地址与虚拟包A源地址相同的虚拟包B，这说明若将基础设施节点中数据包A与数据包B进行编码，其编码包能够在ONU-MPP1处进行解码得到数据包A。

本发明控制器筛选出能够进行编码的源编码包后，对其编码包的长度进行计算并与编码包队列剩余长度进行比较，若编码包长度小于编码包队列剩余长度，则说明源编码包的编码包能够被排列到编码包队列并及时被发送以防止丢包。满足上述条件后，流表管理器生成新的流表项，流表项记录有筛选出的能够进行编码的源编码包信息，并通过安全通道下发到openflow交换机。控制器中OLT节点对应的虚拟包标签队列中已完成源编码包配对的包标签将被删除，防止源编码包的重复选取。逐一对OLT虚拟包标签队列中没有进行过能否执行 编码操作判断的数据包进行源编码包的选取与相应流表的生成，直至完成所有源编码包的筛选工作。

本发明在控制器实现FiWi网络中网络编码的集中控制，与传统网络中网络编码相比节省了OLT与ONU-MPP间大量的Gate和Report包信息交换，有效地降低了带宽的占用，能够提高网络吞吐量。同时，控制器对网络编码的集中决策与传统FiWi网络中网络编码传输相比节省了节点间大量信息交换与编码判断时间，能够有效降低网络时延。这种集中式的动态管控机制更加灵活，为编码效率与网络性能的提升带来无限可能。

3. Openflow交换机流表匹配与网络编码功能实现

根据控制器中集中编码策略部分的描述可以看出，FiWi网络中的源编码包的筛选以及编码包队列排列等控制工作已经在控制器集中实现。控制器生成与编码控制指令对应的流表，下发到openflow交换机，对网络流量进行分布式处理，这样就简化了网络的管理难度。

流表是交换机对网络流量进行动作决策控制的核心数据结构，openflow节点通过查找流表表项来对进入交换机的网络流量采取合适的行动。为了使软件定义FiWi网络架构中的openflow节点支持网络编码功能，本发明对流表进行了扩展，扩展后的流表结构如图3所示。每个表项包括三个域，包头域、计数器和行动。包头域包括进入接口，以太网源地址、以太网目的地址，Vlan id等，本发明对包头域进行了扩展，增加了“编码包队列”和“包长度”匹配项，控制器筛选出源编码包后对其编码包进行队列的指定，同时编码包长度需小于队列容量，防止编码包无法被及时发送或溢出丢包。如果网络中的数据包匹配某表项包头域的所有匹配项，则执行此表项下的相关行动。

流表中每个表项对应着0个或多个行动，包括必备的转发或丢弃行动和其他可选行动，如入队行动等。如果某表项中无转发行动，则默认丢弃。本发明在行动集中加入可选行动“入队”，以完成编码包队列的排列，同时扩展“编码”和“解码”行动，分别支持OLT的编码与ONU-MPP的解码功能。如图2网络编码控制过程所示，OLT 中数据包A进行流表匹配，匹配成功后执行与数据包B的编码操作并转发。编码包被ONU-MPP1接收后进行流表的匹配，匹配成功后执行与数据包B的解码操作，得到数据包A。

本发明对软件定义FiWi网络架构中的流表进行了网络编码功能的扩展，节点通过匹配流表可以针对网络业务的需求实施编码与解码操作，实现对网络中业务的全线速转发，很好地实现网络对业务和应用的快速适配。同时，FiWi网络节点控制功能的解耦简化了对网络设备的配置要求，不需要对复杂的网络协议进行修改使其支持网络编码功能，有效地缩短了FiWi网络业务的部署时间。

本发明适用于任何基础设施FiWi网络结构的软件定义FiWi网络架构，并需要基础设施节点支持openflow协议。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。