一种共享路由控制逻辑的路由器设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种共享路由控制逻辑的路由器设计方法，涉及路由器设计领域。本方法将控制区域内的路由器进行主从划分，使多个路由器在逻辑上组成一个超级路由器(控制区域内具有一个路由控制逻辑和多个分布在不同物理地点的高速转发逻辑)；主路由器的路由控制逻辑向多个从路由器的高速转发逻辑发送控制和查询数据包，从路由器的高速转发逻辑通过部署接口函数将指令数据包进行解析并进行软硬件配置(主要涉及到转发表信息等)，从路由器的路由控制逻辑进入休眠状态。本方法简化了网络结构、降低了部署成本和路由器能耗。
【专利说明】
一种共享路由控制逻辑的路由器设计方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种新型路由器的设计方法，特别涉及一种允许路由器共享路由控制逻辑以降低网络管理复杂度和能耗的设计方法。
【背景技术】
[0002]路由器主要由路由控制逻辑和高速转发逻辑两个子系统构成，前者用于通告和收集网络路由信息，并根据算法计算邻居表、全局路由表，并最终生成针对不同网口(网段)的转发表;后者负责对数据包进行处理(计算校验和、更新MAC地址等)，并按照转发表的内容将数据包高速转发。路由控制逻辑子系统负责的工作计算量较大、处理延迟要求不高，而高速转发逻辑子系统通常要求处理延迟在微秒甚至纳秒级别，但并不要求复杂的计算。两个子系统功能相对独立，通过寄存器读写进行信息交互。路由器是重要的网络节点，其行为主要由路由控制逻辑子系统进行控制。现有商用路由器中，路由控制逻辑主要在以CPU为中心的硬件系统实现，而高速转发逻辑通常基于网络处理器和交换矩阵实现。
[0003]为了便于管理，研究人员提出虚拟路由器的概念。虚拟路由器是指多个路由器实体可以自由进行组合，在逻辑上被视为一个虚拟的路由器。网络通信的实体是虚拟路由器，其可以由构成虚拟路由器的任意路由器承担，因而虚拟路由器可以看做路由控制逻辑(实体)与高速转发逻辑的进一步分离。实际运行中，虚拟路由器的各个子路由器的路由控制逻辑依然正常工作，共同实现虚拟路由器的计算任务。
[0004]SDN(Software Defined Network，软件定义网络)路由器是近几年发展起来的一种新型路由器，其通过引入上层管理器，将路由器的路由控制逻辑的部分配置功能进行开放，进而将用户命令映射到高速转发逻辑以提高网络控制能力和转发效率。从本质来看，SDN路由器是传统路由器路由控制逻辑与高速转发架构进一步发展与分离的结果。通过开放式的路由控制逻辑设计，用户可以随心所欲的对数据通路进行配置，引导数据在规划的路径传输。此外，由于允许一个SDN控制器管理多个路由器，其具有更为宏观的网络视图，可以达到更高的管理效率。
[0005]由近几年出现的虚拟路由器、SDN路由器等相关技术发展出现如下两个趋势:I)为了达到更高的网络控制与传输效率，路由控制逻辑向着开放、集中式发展，即开放部分控制功能的同时将分布式控制逻辑进行集中；2)路由控制逻辑与高速转发逻辑的数据耦合性越来越低，两个独立功能子系统自成体系。
[0006]现有主流商用路由器的网络数据吞吐率已经达到40Gbps，其每秒传输数据高达1250MB，平均数据传输延迟在微秒级别。从吞吐率和数据传输延迟来看，网络传输技术完全可以替代本地PCIE等总线技术作为路由控制逻辑到高速转发逻辑的控制数据通信方法。
[0007]然而，网络路由器的设备利用率即使在流量高峰通常也不到网络带宽的50%，在夜间等利用率低的时候，通常不到10%。这一应用现状为提高网络利用率、降低功耗等提供了较大的改进空间。
【发明内容】
[0008]为解决上述技术问题，本发明公开了一种共享路由控制逻辑的路由器设计方法。本方法允许主路由器的路由控制逻辑(主要负责网络路由的计算等)对多个从路由器的高速转发逻辑进行控制(从路由器的高速控制逻辑进入休眠状态)，以达到简化网络结构、降低能耗的目的。
[0009]本发明所采取的技术方案为:一种共享路由控制逻辑的路由器设计方法，包括以下步骤:
[0010](I)对控制区域内所有路由器的路由控制逻辑和高速转发逻辑之间的命令交互接口进行标准化；
[0011](2)将控制区域内的所有路由器按照通信成本进行划分，将通信成本最低的路由器作为主路由器；
[0012](3)主路由器对本控制区域内其他路由器的工作负载进行实时监控，将工作负载小于第一预设值的路由器挑选出来作为从路由器；
[0013](4)主路由器接管从路由器的高速转发逻辑并允许从路由器的路由控制逻辑进入休眠状态；
[0014](5)所有从路由器的路由控制逻辑进入休眠状态，并通知其高速转发逻辑与主路由器的路由控制逻辑进行命令交互；
[0015](6)各从路由器的高速转发逻辑与主路由器的路由控制逻辑进行命令交互；
[0016]完成共享路由控制逻辑的路由器设计。
[0017]其中，步骤(I)所述的命令交互接口包括本地接口和远程接口，本地接口用于本路由器的路由控制逻辑与高速转发逻辑的命令交互，远程接口用于路由器的高速转发逻辑与另一个路由器的路由控制逻辑的命令交互。
[0018]其中，步骤(2)所述的通信成本为控制区域内某个路由器到达其他路由器的通信开销和时间开销。
[0019]其中，从路由器的高速转发逻辑与主路由器的路由控制逻辑之间的命令交互经密钥加密处理。
[0020]其中，当主路由器监控到从路由器的工作负载超过第二预设值，则认为发生重大变化，主路由器唤醒所有从路由器的路由控制逻辑，控制区域内的所有路由器恢复正常工作状态。
[0021]本发明相比【背景技术】的优点在于:
[0022]1.允许从路由器的路由控制逻辑进入休眠以降低功耗；
[0023]2.技术路线成熟，现有路由器架构只要稍微修改即可，有利于降低部署成本；
[0024]3.系统设计简单，无需像SDN、虚拟路由器等方法引入额外的路由器控制体系和计算复杂度。
【附图说明】
[0025]图1是本发明的共享路由控制逻辑的路由器结构；
[0026]图2是本发明的控制区域划分示例；
[0027]图3是本发明的控制区域内主、从路由器划分示例；
[0028]图4是本发明的共享路由控制逻辑的路由器工作流程。
【具体实施方式】
[0029]下面，结合附图4对本发明作进一步说明。
[0030]一种共享路由控制逻辑的路由器设计方法，包括以下步骤:
[0031](I)路由器启动后，对区域内的路由器信息进行汇总，按照管理域或者用户设定并形成多个控制区域；
[0032]控制区域划分示例如图2所示。
[0033](2)对各控制区域内所有路由器的路由控制逻辑和高速转发逻辑之间的命令交互接口进行标准化；
[0034]路由控制逻辑主要用于计算邻居表、全局路由表，并最终生成针对不同网口(网段)的转发表;高速转发逻辑负责对数据包进行处理(计算校验和、更新MAC地址等)并按照转发表的内容将数据包高速转发;路由控制逻辑和高速转发逻辑之间主要通过寄存器读写的方式进行指令与数据交互，交互内容主要有路由协议数据包、转发表配置和基本的管理命令。
[0035]命令交互接口包括功能一致的两部分接口:本地接口和远程接口。本地接口指路由控制逻辑可以通过寄存器读写方式与本路由器的的高速转发逻辑进行交互;远程接口指通过网口与其他路由器的高速转发逻辑进行交互，远程接口通信数据需要经过密钥加密处理以保证安全性。标准化在路由器内部和各路由器之间进行，用于打通本地、远程通路。
[0036](3)将各控制区域内的所有路由器按照通信成本进行划分，将通信成本最低的路由器作为主路由器；
[0037]控制区域内到达其他路由器通信开销和时间开销最小者为主路由器;主、从路由器划分示例如图3所示。控制区域内的所有路由器只有主路由器一个逻辑实体代表。主路由器负责本区域内所有从路由器的高速转发逻辑的配置，是控制区域内的路由控制中心。进入主从模式后，从路由器的路由控制逻辑不再对本地高速转发逻辑进行控制。
[0038](4)主路由器对本控制区域内其他路由器的工作负载进行实时监控，并按照预定策略选择可以进入主从模式的路由器；
[0039]将工作负载小于第一预设值的路由器挑选出来作为从路由器。
[0040](5)主路由器接管挑选出的从路由器的高速转发逻辑，并允许从路由器的路由控制逻辑进入休眠状态;共享路由控制逻辑的路由器结构如图1所示。
[0041](6)所有从路由器的路由控制逻辑进入休眠状态，并通知其高速转发逻辑与主路由器的路由控制逻辑进行命令交互；
[0042](7)主路由器对所辖各个从路由器的高速转发逻辑进行管理;具体包括步骤:
[0043](701)从路由器的高速转发逻辑将需要控制逻辑进行处理的数据报文标记后交给主路由器的控制逻辑单元；
[0044](702)主路由器为从路由器的高速转发逻辑计算转发表信息，将转发表信息生成指令数据包发送至从路由器的高速转发逻辑，并对从路由器的高速转发逻辑进行管理；
[0045](703)从路由器的高速转发逻辑通过部署接口函数，将指令数据包进行解析，并进行软硬件配置(主要涉及到转发表信息等)。
[0046]从逻辑上来看，共享控制逻辑的路由器由主路由器代表，主路由器相当于有若干个高速转发逻辑的超级路由；各个从路由器的高速转发逻辑相当于主路由器的扩展接口。
[0047]运行过程中，一旦网络负载超过第二预设阈值、主路由器无法继续承担各个从路由器的控制任务，则按照预定策略激活各个从路由器的路由控制逻辑，并使各个路由器恢复正常状态。
【主权项】
1.一种共享路由控制逻辑的路由器设计方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)对控制区域内所有路由器的路由控制逻辑和高速转发逻辑之间的命令交互接口进行标准化； (2)将控制区域内的所有路由器按照通信成本进行划分，将通信成本最低的路由器作为主路由器； (3)主路由器对本控制区域内其他路由器的工作负载进行实时监控，将工作负载小于第一预设值的路由器挑选出来作为从路由器； (4)主路由器接管从路由器的高速转发逻辑并允许从路由器的路由控制逻辑进入休眠状态； (5)所有从路由器的路由控制逻辑进入休眠状态，并通知其高速转发逻辑与主路由器的路由控制逻辑进行命令交互； (6)各从路由器的高速转发逻辑与主路由器的路由控制逻辑进行命令交互； 完成共享路由控制逻辑的路由器设计。2.根据权利要求1所述的一种共享路由控制逻辑的路由器设计方法，其特征在于，步骤(1)所述的命令交互接口包括本地接口和远程接口，本地接口用于本路由器的路由控制逻辑与高速转发逻辑的命令交互，远程接口用于路由器的高速转发逻辑与另一个路由器的路由控制逻辑的命令交互。3.根据权利要求1所述的一种共享路由控制逻辑的路由器设计方法，其特征在于，步骤(2)所述的通信成本为控制区域内某个路由器到达其他路由器的通信开销和时间开销。4.根据权利要求1所述的一种共享路由控制逻辑的路由器设计方法，其特征在于，步骤(6)具体包括步骤: (601)从路由器的高速转发逻辑将需要路由控制逻辑进行处理的数据报文进行标记后的送至主路由器的路由控制逻辑； (602)主路由器的路由控制逻辑接收到从路由器标记后的数据报文后，计算转发表信息，将转发表信息生成指令数据包并输出至从路由器的高速转发逻辑； (603)从路由器的高速转发逻辑接收到主路由器发来的指令数据包后，对指令数据包中包含的指令进行解析，并对本路由器进行配置。5.根据权利要求1或4所述的一种共享路由控制逻辑的路由器设计方法，其特征在于，从路由器的高速转发逻辑与主路由器的路由控制逻辑之间的命令交互经密钥加密处理。6.根据权利要求1所述的一种共享路由控制逻辑的路由器设计方法，其特征在于，当主路由器监控到从路由器的工作负载超过第二预设值，则认为发生重大变化，主路由器唤醒所有从路由器的路由控制逻辑，控制区域内的所有路由器恢复正常工作状态。
【文档编号】H04L12/701GK105897576SQ201610459940
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月23日
【发明人】付文亮, 卢宁宁, 张海鹏, 杨悦
【申请人】中国电子科技集团公司第五十四研究所