专利名称：基于虚拟链路交换的网络区域流量压缩分发系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种采用虚拟链路交换方式实现的分布式网络区域流量的压缩分发系统。
背景技术：
航空电子全双工交换式以太网是在工业标准以太网的基础上经过适应性改造而适用于大型飞机航空电子系统互连的网络技术，通过虚拟链路(Virtual Link, VL)对链路带宽资源进行有效分配和隔离，极大地增强了网络的实时性和可靠性。在端系统中，采用基于虚拟链路的流量整形，保证和限制了虚拟链路的带宽需求；在交换机中，采用基于虚拟链路的静态路由和流量控制，实现其确定性的转发和带宽控制。网络测试是进行网络管理的有效辅助手段，有利于提高网络的运行效率和安全性，对实际工作中的网络构建和实现有重要的指导意义。实现网络测试的关键技术是流量生成，流量生成是网络测试，特别是网络性能测试中的必需与关键部件之一，它可生成具有一定特性的数据流量发给被测设备或被测网络，其中部分流量可作为测试流携带某些测试信息以供测量分析，从而为网络测试提供一个可控可重现的数据流量环境。此外，在目标网络部分设备没有或缺失的条件下，流量生成系统还可以模拟局部网络流量特性，替代缺失设备完成网络部署，保证网络的正常运行。目前还没有成熟的适用于航空电子全双工交换式以太网的流量生成系统可供使用。一般流量生成系统包含一个控制端、多个发送端和接收端，可以根据需要生成流量的大小灵活地调整发送端的个数，通过控制台界面灵活设置生成报文流的大小、目标地址、端口号和发送频率等参数。虽然可以参考这种方式构建适用于航空电子全双工交换式以太网的分布式流量生成系统，但这种系统需要考虑控制端与各个终端的通信乃至时间同步等问题，协同性不好，且每个终端需要单独配置，不利于测试环境集中管理和测试案例实施。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集流量定制和压缩分发功能于一体的基于虚拟链路交换的网络区域流量生成系统。该系统采用基于网络拓扑和虚拟链路的图形化设计方法实现网络流量场景设计，按照一定的流量压缩策略分析流量场景获得区域网络边界流量特性，支持流量交换配置自动化生成，集中管理网络区域流量设计、压缩和产生过程，通过配置交换单元按静态路由寻址和虚拟局域网(Virtual Local Area Network，VLAN)端口划分转发数据帧，完成压缩流量的分发注入和聚合，实现区域网络边界流量模拟功能。本发明采取集中式与分布式相结合的模式实现网络区域流量的设计与生成，克服了传统分布式流量生成系统构成复杂、配置不便的缺点，提高了流量生成的自动化程度。本发明的一种基于虚拟链路交换的网络区域流量压缩分发系统，该区域流量压缩分发系统由主控单元和交换单元构成，主控单元与交换单元通过两条物理链路连接。区域流量压缩分发系统的目的在于模拟被圈定的区域网络边界上的流量行为，等效替换区域网络提供背景流量或完成网络部署，实现区域网络和目标网络的流量交互，且保证等效前后的边界流量特性一致，这些特性包括边界流量的数目，每条边界流量的源、目的、端口、报文大小和发送频率等。在模拟区域网络边界流量的过程中，区域流量压缩分发系统只需产生流经区域网络和目标网络边界且源端系统位于区域网络的流量，即第一类流量和第二类流量，同时为穿越区域网络的过境流量提供交换转发支持。本发明基于虚拟链路交换的网络区域流量压缩分发系统的优点与积极效果在于①本发明的流量设计和分发策略，既可用于实现网络测试，为目标网络提供一个可控可重现的数据流量环境，又可模拟局部网络流量特性，替代目标网络中部分缺失设备完成网络部署，提高了流量生成系统的适用性。②本发明的主控单元集中管理网络流量设计、压缩和产生过程，通过图形界面实现网络场景设计和流量参数定制，并自动产生流量交换配置，为实施网络测试或完成网络部署、观察边界流量交换行为提供了方便。③本发明压缩区域流量并通过交换单元实现流量的分发注入和聚合，易于扩展， 简化了流量生成系统，节约了成本，降低了配置复杂度，增强了流量生成的自动化程度。 ④本发明在windows平台下，通过NPF协议驱动实现基于普通以太网的航空电子全双工交换式以太网协议数据包的发送和接收，且与真实的航空电子全双工交换式以太网具有互操作性，可以在此基础上通过改造技术模拟航空电子全双工交换式以太网中端系统的通信行为，实现商用平台下航空电子全双工交换式以太网的搭建。
图1是航空电子全双工交换式以太网网络连接实例。图IA是与图1对应的区域压缩后等效交换网络。图2是四类典型流量交换配置示意图。图2A是多播流量和高阶单播流量交换配置示意图。图3是本发明的系统整体实现结构构图。图4是本发明的主控单元实现结构框图。图5是本发明的交换单元实现结构框图。
具体实施例方式下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。根据区域流量压缩分发系统应用目的不同，对区域网络与目标网络的定义可分如下两种情况若区域流量压缩分发系统用来为网络测试提供背景流量，则目标网络为待测试网络，区域网络为提供背景流量的外围终端设备构成的网络；若区域流量压缩分发系统用来替换部分缺失设备实施网络部署，则目标网络为已有终端设备构成的网络，区域网络为被替换的缺失设备构成的网络。边界物理链路定义为相连两个终端分别属于目标网络和区域网络的物理链路。边界流量定义为路径包含边界物理链路的虚拟链路承载的网络流量。若源端系统在区域网络，边界流量阶数定义为边界流量从区域网络到目标网络的方向穿越目标网络和区域网络边界的次数；若源端系统在目标网络，边界流量阶数定义为边界流量从目标网络到区域网络的方向穿越目标网络和区域网络边界的次数。过境流量定义为虚拟链路路径包含从目标网络穿越区域网络后返回到目标网络这部分路径的边界流
量。 根据流量的源端系统和目的端系统是否在区域网络内部，将单播边界流量分为四类第一类流量是指源端系统在区域网络但目的端系统在目标网络的流量，记为a ；第二类流量是指源端系统和目的端系统均在区域网络的流量，记为b ；第三类流量是指目的端系统在区域网络但源端系统在目标网络的流量，记为c ；第四类流量是指源端系统和目的端系统均在目标网络的流量，记为d。根据边界流量穿越目标网络和区域网络边界次数η的不同，上述四类流量采用数据集的表达形式如下对第一类流量表达为a(1)，a(2)，…，a(m)，a(m+l)，…，其中m = ·^^;
2对第二类流量表达为卜(1)，13(2)，…，b(m)，b(m+l)，…，其中《 =对第三类流量表达为C(I)，c (2)，…，c(m)，c(m+l)，…，其中m = ·^^;
2对第四类流量表达为d(l)，d(2)，…，d(m)，d(m+l)，…，其中w = ·。a, b，c, d分别表示不同的流量类型，m表示边界流量的阶数，a类和c类流量穿越目标网络和区域网络边界次数η为奇数，b类和d类流量穿越目标网络和区域网络边界次数η为偶数。而对于多播边界流量，以产生多播的交换机为分段点，可以将其等效为多个单播流量的组合，因此下面主要分析单播流量。本发明的区域流量压缩分发系统由主控单元和交换单元构成，主控单元与交换单元通过两条物理链路连接。区域流量压缩分发系统的目的在于模拟被圈定的区域网络边界上的流量行为，等效替换区域网络提供背景流量或完成网络部署，实现区域网络和目标网络的流量交互，且保证等效前后的边界流量特性一致，这些特性包括边界流量的数目，每条边界流量的源、目的、端口、报文大小和发送频率等。在模拟区域网络边界流量的过程中，区域流量压缩分发系统只需产生流经区域网络和目标网络边界且源端系统位于区域网络的流量，即第一类流量和第二类流量，同时为穿越区域网络的过境流量提供交换转发支持。从区域网络和目标网络边界的角度，按照流量由源端系统流向目的端系统的路径，所述的四种边界流量类型可以作如下分解a(m)流可以看作1个a(l)流与(m_l)个d(l)流的有序叠加；b(m)可以看作1个a(l)流，(m_l)个d(l)流与1个c(l)流的有序叠加；c(m)可以看作m个d(l)流与1个c(l)流的有序叠加；d(m)可以看作m个d(l)流的有序叠加。因此，区域流量压缩分发系统只需处理所有的a(l)类流量，c(l)类流量和d(l)类流量，即 产生并发送a(l)类流量，接收c(l)类流量，转发d(l)类流量。综合以上分析，本发明采用区域流量压缩策略对等效区域网络流量进行压缩处理的步骤为
处理步骤一分析一个完整的航 空电子全双工交换式以太网络拓扑连接以及目标网络、区域网络范围，确定边界物理链路；处理步骤二 遍历所有虚拟链路，判断承载通信流量的虚拟链路的路径是否包含边界物理链路，确定边界流量；处理步骤三归类边界流量，并将每一条边界流量分解为a(l)类、c(l)类和d(l) 类流量的有序叠加；处理步骤四遍历分解后的所有a(l)类流量，根据其所属的完整边界流量的配置信息，获得待产生的全部流量配置信息；处理步骤五根据区域流量压缩分发系统与目标网络的连接关系，以及承载边界流量的虚拟链路路径信息，确定分解后的全部a(l)类、c(l)类和d(l)类流量的转发路径；处理步骤六区域流量压缩分发系统的主控单元替换区域网络中的所有端系统， 模拟产生a (1)类流量并作为c(l)类流量的目的端；处理步骤七区域流量压缩分发系统的交换单元替换区域网络中的所有交换机， 为注入流量分发和过境流量交换提供支持，主控单元通过交换单元与目标网络通信。图1所示为一个航空电子全双工交换式以太网网络连接实例，其中A、B、C、D、E、 F、G、H、I、J、K、L表示端系统，AA、BB、CC、DD、EE、FF表示交换机，实线连接线表示连接终端之间的物理链路。其中，目标网络包括端系统G、H、I、J、K和交换机DD、EE、FF，区域网络包括端系统A、B、C、D、E、F、L和交换机AA、BB、CC0根据区域网络流量压缩策略对图1中区域网络流量进行压缩分析，获得边界物理链路与等效边界物理链路之间相对应的链路关系为
边界物理链路__等效边界物理链路_
权利要求
1.一种基于虚拟链路交换的网络区域流量压缩分发系统，该区域流量压缩分发系统由主控单元和交换单元构成，主控单元与交换单元通过两条物理链路连接；区域流量压缩分发系统的目的在于模拟被圈定的区域网络边界上的流量行为；其特征在于等效替换区域网络提供背景流量或完成网络部署，实现区域网络和目标网络的流量交互，且保证等效前后的边界流量特性一致，这些特性包括边界流量的数目，每条边界流量的源、目的、端口、报文大小和发送频率；在模拟区域网络边界流量的过程中，区域流量压缩分发系统只需产生流经区域网络和目标网络边界且源端系统位于区域网络的流量，即第一类流量和第二类流量，同时为穿越区域网络的过境流量提供交换转发支持。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟链路交换的网络区域流量压缩分发系统，其特征在于采用区域流量压缩策略对等效区域网络流量进行压缩处理的步骤为处理步骤一分析一个完整的航空电子全双工交换式以太网络拓扑连接以及目标网络、区域网络范围，确定边界物理链路；处理步骤二 遍历所有虚拟链路，判断承载通信流量的虚拟链路的路径是否包含边界物理链路，确定边界流量；处理步骤三归类边界流量，并将每一条边界流量分解为a(1)类、c(l)类和d(l)类流量的有序叠加；处理步骤四遍历分解后的所有a(l)类流量，根据其所属的完整边界流量的配置信息，获得待产生的全部流量配置信息；处理步骤五根据区域流量压缩分发系统与目标网络的连接关系，以及承载边界流量的虚拟链路路径信息，确定分解后的全部a(l)类、c(l)类和d(l)类流量的转发路径；处理步骤六区域流量压缩分发系统的主控单元替换区域网络中的所有端系统，模拟产生a(l)类流量并作为c(l)类流量的目的端；处理步骤七区域流量压缩分发系统的交换单元替换区域网络中的所有交换机，为注入流量分发和过境流量交换提供支持，主控单元通过交换单元与目标网络通信。
3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟链路交换的网络区域流量压缩分发系统，其特征在于根据流量的源端系统和目的端系统是否在区域网络内部，将单播边界流量分为四类第一类流量是指源端系统在区域网络但目的端系统在目标网络的流量，记为a ； 第二类流量是指源端系统和目的端系统均在区域网络的流量，记为b ； 第三类流量是指目的端系统在区域网络但源端系统在目标网络的流量，记为c ； 第四类流量是指源端系统和目的端系统均在目标网络的流量，记为d。
4.根据权利要求1所述的一种基于虚拟链路交换的网络区域流量压缩分发系统，其特征在于压缩流量分发策略为主控单元压缩产生的a(l)类流量通过主控单元与交换单元之间的一条物理链路下发到交换单元，交换单元根据承载a(l)类流量的虚拟链路路径信息将接收的压缩流量分发到相应的与目标网络相连的交换端口。
5.根据权利要求1所述的一种基于虚拟链路交换的网络区域流量压缩分发系统，其特征在于过境流量交换策略为交换单元接收来自目标网络的c(l)类流量和d(l)类流量，将其转发至聚合端口并通过主控单元与交换单元之间的另一条物理链路提交给主控单元，主控单元处理d(l)类流量后将其通过聚合端口下发给交换单元返回目标网络，实现交换单元在主控单元辅助下的过境流量交换。
6.根据权利要求1所述的一种基于虚拟链路交换的网络区域流量压缩分发系统，其特征在于主控单元的流量场景设计单元中，操作人员通过图形界面设计流量场景，其具体操作步骤如下(1)定制端系统与交换机以及交换机与交换机之间的连接关系，创建包含目标网络与区域网络的完整网络拓扑结构；(2)在网络拓扑图中圈定待模拟的区域网络范围，将完整网络拓扑其余部分视为目标网络范围，确定分别属于目标网络和区域网络的端系统和交换机，完成网络区域的定制；(3)为每个端系统添加驻留分区，驻留分区可配置的信息包括分区ID、分区名称和分区IP ；(4)根据流量生成的应用需求，按照航空电子全双工交换式以太网络协议设计通信消息参数和内容，需要配置的消息属性信息包括消息ID、消息名称、消息周期、消息长度、消息源IP、消息目的IP、消息源UDP、消息目的UDP、虚拟链路ID和子虚拟链路ID ；(5)创建承载通信消息的虚拟链路，源分区和目的分区相同的消息共用同一条虚拟链路，虚拟链路需要配置的属性信息包括虚拟链路ID、虚拟链路名称、带宽分配间隔BAG、最大帧长和最小帧长；(6)依据端系统分区IP和虚拟链路承载的通信消息的源IP、目的IP属性，从源到目的逐段选择虚拟链路要经过的物理路径，实现虚拟链路路径分配功能。
全文摘要
本发明公开了一种基于虚拟链路交换的网络区域流量压缩分发系统，该系统主控单元采用图形化方法设计网络拓扑、圈定流量模拟区域、配置虚拟链路路径，实现了网络场景的定制；通过分析网络场景，确定了区域网络流量特性，实现流量交换配置自动生成；通过NPF协议驱动实现航空电子全双工交换式以太网协议数据帧的收发，模拟区域网络边界流量，实现了流量的压缩生成；通过捕获、分析交换单元聚合输出流量，辅助交换单元实现了过境流量转发。交换单元采用基于端口的VLAN划分技术对端口进行逻辑分组，实现了数据链路层报文的隔离；通过配置固定路由使交换单元按固定MAC地址表和端口VLAN映射关系转发数据，实现了流量的注入分发和过境转发。
文档编号H04L12/46GK102223308SQ201110187888
公开日2011年10月19日 申请日期2011年7月6日 优先权日2011年7月6日
发明者何锋, 刘成, 张勇涛, 李峭, 熊华钢, 陈瑶 申请人:北京航空航天大学