CN111641568A - 一种模块化交换机及网络架构 - Google Patents

Abstract

本发明公开的模块化交换机，涉及网络技术领域，包括控制层和数据层，所述控制层包括总线模块、计算模块、传输模块，其中，计算模块包括路由寻址单元、同步单元及流量监控单元，其中，路由寻址单元用于对收到的数据包进行解析，得到数据包的目的地址并判断目的地址是否存在于流表集中，若是，则传输数据包，若否，则对目的地址进行广播寻址，得到目的地址的路径信息，流量监控单元用于根据网络设备间的链路速率，确定预设时间段内各个网络设备端口的数据流量，传输模块包括流表生成单元及数据校验单元，能够较好地处理高动态、大规模、低时延的卫星网络，功能模块化，可以迅速部署新的功能，可扩展性强。

Description

一种模块化交换机及网络架构

技术领域

本发明涉及网络技术领域，具体涉及一种模块化交换机及网络架构。

背景技术

随着网络技术的不断发展，网络的复杂度在不断提高，网络所处理的任务内容也越来越复杂，现有的网络架构在针对大规模、高动态、低时延的网络时显得越来越力不从心，因此，需要设计一个针对于大规模，高动态，低时延的网络的新型交换机，以使其能够更好地适配某些特殊的大规模的、高动态的、低时延的网络应用场景。

传统的交换机有三种数据包交换方式，分别为直通方式、存储转发方式和自由分段方式。

直通式交换机采用直通交换方式的以太网交换机输入端口检测到一个数据包时检查该数据包的包头，获取数据包的目的地址，启动内部的动态查找表转换成相应的输出端口，在输入与输出交叉处接通，把数据包直通到相应的端口，实现交换功能。

存储转发是计算机网络领域使用得最为广泛的技术之一，以太网交换机的控制器先将输入端口到来的数据包缓存起来，先检查数据包是否正确，过滤掉冲突的数据包。确定数据包正确后，获取目的地址，通过查找表找到想要发送的输出端口地址，然后将该包发送出去。正因如此，存储转发方式在数据处理时延时大，这是它的不足，但是它可以对进入交换机的数据包进行错误检测。

自由分段式交换机是介于直通式交换机和存储转发式交换机之间的一种交换机。它在转发前先检查数据包的长度是否够64个字节(512bit)，如果小于64字节，说明是假包，则丢弃该包；如果大于64字节，则发送该包。该方式的数据处理速度比存储转发方式快，但比直通式慢。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明实施例提供了一种模块化交换机与网络架构。

第一方面，本发明实施例提供的模块化交换机包括：控制层和数据层，所述控制层包括总线模块、计算模块、传输模块，其中：

所述计算模块包括路由寻址单元、同步单元及流量监控单元，其中，

所述路由寻址单元，用于对收到的数据包进行解析，得到所述数据包的目的地址并判断所述目的地址是否存在于流表集中，若是，则传输所述数据包，若否，则对所述目的地址进行广播寻址，得到所述目的地址的路径信息；

所述信息同步单元，用于在监控拓扑结构是否发生改变，若发生改变，则改写相应的流表项并通知全网各个分布式交换机；

所述流量监控单元，用于根据网络设备间的链路速率，确定预设时间段内各个网络设备端口的数据流量；

所述传输模块包括流表生成单元及数据校验单元，其中：

所述流表生成单元，用于生成流表并下发所述流表；

所述数据校验单元，用于采用最终一致性算法，对全网各个分布式交换机上数据的一致性进行校验，以保证各个交换机维护的是同一张全网信息网络拓扑，使得数据能够正确传输；

所述总线模块，用于根据业务需求，解析出所对应的业务功能并根据所述业务功能调度所述计算模块及所述传输模块。

优选地，所述流量监控单元，还用于对数据的输入速度及输出速度进行监控并限制数据的输入速度及输出速度。

优选地，所述计算模块还包括：

路径规划单元，用于根据数据包的源地址和目的地址，为数据包规划一条最优路径，保证数据包准确、快速到达终点。

优选地，所述传输模块还包括：

速度控制单元，用于根据数量流量，控制网络设备的数据输入速度及数据输出速度。

优选地，所述传输模块还包括：

服务质量保障模块，用于根据用户的要求分配和调度资源，对不同的数据流提供不同的服务质量。

第二方面，本发明实施例提供的基于第一方面所述的模块化交换机的网络架构包括由多种终端组成的物理设备层和由多个模块化交换机组成的网络管理层。

本发明实施例提供的模块化交换机，具有以下有益效果：

(1)适应高动态网络

因其分布式的特性，新节点入网变得更加简单速度快，因此其对于高动态网络拥有很强的适应性。

(2)适应大规模网络

因其改进了路由寻址单元的寻址算法并加入了信息同步单元，路由寻址不再像传统网络一样产生大量的重复分组占用网络资源，且更适应大规模的网络环境。

(3)链路利用率会增高

通过速度控制单元和流量监测单元，各个模块化交换机都可以实时监测与自己相连的链路的状态，当发生拥塞或损坏时，总线模块可以调用QOS模块，路由寻址单元为数据寻找一个不拥塞的次优链路或为断掉的数据链路迅速寻找新的通路。

(4)可扩展性强

由于模块化交换机的功能是模块化的，因此利用总线模块在模块化交换机中的指挥调用地位，新的功能可以更简单高效地部署在模块化交换机上。

附图说明

图1为本发明实施例提供的模块化交换机的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的基于模块化交换机的网络架构。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

如图1所示，本发明实施例提供的模块化交换机包括控制层和数据层，控制层包括总线模块、计算模块、传输模块，其中：

计算模块包括路由寻址单元、同步单元及流量监控单元，其中，

路由寻址单元用于对收到的数据包进行解析，得到数据包的目的地址并判断所述目的地址是否存在于流表集中，若是，则传输数据包，若否，则对目的地址进行广播寻址，得到目的地址的路径信息。

信息同步单元用于在监控拓扑结构是否发生改变，若发生改变，则改写相应的流表项并通知全网各个分布式交换机。

其中，拓扑结构为交换机之间的连接关系以及交换机与设备之间的连接关系，每个交换机内部都有一张全网连接关系的拓扑图(路由表)，当某台设备发生变化时(上线或下线)，此时对应的交换机会发现这一情况，它会更新自己内部维护的路由表并触发信息同步单元，将这一信息同步给全网其它交换机。

流量监控单元用于根据网络设备间的链路速率，确定预设时间段内各个网络设备端口的数据流量并根据数量流量。

传输模块包括流表生成单元及数据校验单元，其中：

流表生成单元用于生成流表并下发流表。

数据校验单元用于采用最终一致性算法，对全网各个分布式交换机上数据的一致性进行校验，以保证各个交换机维护的是同一张全网信息网络拓扑，使得数据能够正确传输。

其中，当网络态势动态性较强时，多个终端设备均可能发生变化，从而造成多个分布式交换机同时发起同步请求，并造成数据同步一致性问题。为了保证每台交换机维护同一张全网节点信息表，防止交换机间出现不同的全网节点信息表，对更新的数据进行同步校验。校验算法采用最终一致性算法，即一致性校验频率和网络态势相关，当网络动态性不强时，一致性校验频率降低；当网络动态性较大时，说明此时网络剧烈变化，如果不增大数据一致性校验的频率，很难保证不同交换机上的数据的一致性。同步请求的内容为变化的网络拓扑信息。

总线模块用于根据业务需求，解析出所对应的业务功能并根据业务功能调度计算模块及传输模块。

其中，总线模块为对来往数据包以及来往的任务保持监听状态的模块，作为整个模块化交换机的功能中心，对各个功能模块进行调用与组织，它预先定义了多种服务类型的模块调用方法。

总线模块处理的信息有两种，分别为控制信息以及传输信息。

控制信息可以理解为总线模块接收到一个让拓扑发生改变的任务。以限制某条路径上的传输速率为例，总线模块接到任务，令此交换机的8800端口的数据传输速率降低到500KB/s以下，此时总线模块调取速度控制单元与流量监控单元，在给对应端口降低传输速率之后，还利用流量监控单元确认其传输速率是否达到标准。

传输信息可以理解为服务总线收到一个传输数据包的任务，总线模块会先调取路由寻址单元，先对此数据包的目的地址进行查表，查询流表集确认此目的地址是否已存在于流表集中，如果已存在则调用流表生成与下发模块直接下发对应流表开始传输。如果流表集中没有包含此目的地址的流表项，则使用路由寻址单元对此目的地址进行广播寻址，获取到此目的地址的路径信息，再将此路径信息交给信息同步单元告知全网然后交给流表生成单元下发流表开始传输。

可选地，计算模块还包括路径规划单元，用于根据数据包的源地址和目的地址，为数据包规划一条最优路径，保证数据包准确、快速到达终点。

可选地，传输模块还包括速度控制单元，用于根据数量流量，控制网络设备的数据输入速度及数据输出速度。

作为一个具体的实施例，当某条通信链路速率突增时，为了避免发生堵塞，通过降低相应网络设备端口的QOS值并升高相应网络设备端口的QOS值以提高相应网络设备输出端口的速率。

可选地，传输模块还包括服务质量保障模块，用于根据用户的要求分配和调度资源，对不同的数据流提供不同的服务质量。

作为一个具体的实施例，本发明实施例提供的模块化交换机利用树莓派3代作为拓扑中的节点，在上面部署Docker模拟交换机并搭建分布式模块化的交换机控制器，以此模拟真实的大规模、高动态、低时延网络的数据传输与交换机模块化控制的过程。

本发明实施例提供的模块化交换机包括控制层和数据层，所述控制层包括总线模块、计算模块、传输模块，其中，计算模块包括路由寻址单元、同步单元及流量监控单元，其中，路由寻址单元用于对收到的数据包进行解析，得到数据包的目的地址并判断目的地址是否存在于流表集中，若是，则传输数据包，若否，则对目的地址进行广播寻址，得到目的地址的路径信息，信息同步单元用于在监控拓扑结构是否发生改变，若发生改变，则改写相应的流表项并通知全网各个分布式交换机；流量监控单元用于根据网络设备间的链路速率，确定预设时间段内各个网络设备端口的数据流量，传输模块包括流表生成单元及数据校验单元，其中，流表生成单元用于生成流表并下发流表，数据校验单元用于采用最终一致性算法，对全网各个分布式交换机上数据的一致性进行校验，以保证各个交换机维护的是同一张全网信息网络拓扑，使得数据能够正确传输，总线模块用于根据业务需求，解析出所对应的业务功能并根据业务功能调度计算模块及传输模块，能够较好地处理高动态、大规模、低时延的卫星网络，功能模块化，可以迅速部署新的功能，可扩展性强。

本发明实施例还提供了一种基于模块化交换机的网络架构，如图2所示，该网络架构包括由多种终端组成的物理设备层和由多个模块化交换机组成的网络管理层。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

可以理解的是，上述方法及装置中的相关特征可以相互参考。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种模块化交换机，包括控制层和数据层，其特征在于，所述控制层包括总线模块、计算模块、传输模块，其中：

所述计算模块包括路由寻址单元、同步单元及流量监控单元，其中，

所述路由寻址单元，用于对收到的数据包进行解析，得到所述数据包的目的地址并判断所述目的地址是否存在于流表集中，若是，则传输所述数据包，若否，则对所述目的地址进行广播寻址，得到所述目的地址的路径信息；

所述信息同步单元，用于在监控拓扑结构是否发生改变，若发生改变，则改写相应的流表项并通知全网各个分布式交换机；

所述流量监控单元，用于根据网络设备间的链路速率，确定预设时间段内各个网络设备端口的数据流量；

所述传输模块包括流表生成单元及数据校验单元，其中：

所述流表生成单元，用于生成流表并下发所述流表；

所述数据校验单元，用于采用最终一致性算法，对全网各个分布式交换机上数据的一致性进行校验，以保证各个交换机维护的是同一张全网信息网络拓扑，使得数据能够正确传输；

所述总线模块，用于根据业务需求，解析出所对应的业务功能并根据所述业务功能调度所述计算模块及所述传输模块。

2.根据权利要求1所述的模块化交换机，其特征在于，所述计算模块还包括：

路径规划单元，用于根据数据包的源地址和目的地址，为数据包规划一条最优路径，保证数据包准确、快速到达终点。

3.根据权利要求1所述的模块化交换机，其特征在于，所述传输模块还包括：

服务质量保障单元，用于根据用户的要求分配和调度资源，对不同的数据流提供不同的服务质量。

4.根据权利要求1所述的模块化交换机，其特征在于，所述传输模块还包括：

速度控制单元，用于根据各个网络设备端口的数量流量，控制网络设备的数据输入速度及数据输出速度。

5.一种基于权利要求1-4任一项所述的模块化交换机的网络架构，其特征在于，包括由多种终端组成的物理设备层和由多个模块化交换机组成的网络管理层。

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