專利名稱：一種基于sdn控制器的dhcp廣播處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于SDN控制器的DHCP廣播處理方法。
背景技術(shù)：
軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software-DefinedNetworking, SDN)是最近幾年最熱門的未來(lái)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，也是企業(yè)網(wǎng)、校園網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的熱門候選網(wǎng)絡(luò)形式。其核心思想是數(shù)據(jù)平面與控制平面的分離，采用遠(yuǎn)程的控制器集中對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行統(tǒng)一管控。動(dòng)態(tài)主機(jī)設(shè)置協(xié)定(DynamicHostConfigurationProtocol,DHCP)是一種使網(wǎng)絡(luò)管理員能夠集中管理和自動(dòng)分配IP網(wǎng)絡(luò)地址的通信協(xié)議。在IP網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)連接Internet的設(shè)備都需要分配唯一的IP地址。DHCP使網(wǎng)絡(luò)管理員能從中心結(jié)點(diǎn)監(jiān)控和分配IP地址。當(dāng)某臺(tái)計(jì)算機(jī)移到網(wǎng)絡(luò)中的其它位置時(shí)，能自動(dòng)收到新的IP地址。在傳統(tǒng)以太網(wǎng)中，客戶 接入網(wǎng)絡(luò)通過(guò)發(fā)送廣播包來(lái)尋找可用DHCP服務(wù)器，傳統(tǒng)SDN網(wǎng)絡(luò)對(duì)廣播包處理采用與傳統(tǒng)以太網(wǎng)一致的泛洪方式。如下圖1所示，主機(jī)A接入網(wǎng)絡(luò)，向外發(fā)送DHCP消息,交換機(jī)SI以packet-1n消息提交給控制器,控制器解析該事件進(jìn)行處理，以packet-out消息方式通知交換機(jī)SI將該DHCP消息泛洪,該消息被轉(zhuǎn)發(fā)到交換機(jī)S2，交換機(jī)S2又將消息以packet-1n事件提交給控制器，控制器繼續(xù)如上述所述處理方式，如此下去，直到該消息被轉(zhuǎn)發(fā)到每個(gè)交換機(jī)上并產(chǎn)生S個(gè)packet-1n事件(S是網(wǎng)絡(luò)中交換機(jī)的個(gè)數(shù))。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大和廣播包數(shù)據(jù)的增加，不僅浪費(fèi)大量的帶寬資源，也使得控制器的負(fù)載過(guò)重。泛洪方式在OpenFlow網(wǎng)絡(luò)中存在以下幾個(gè)弊端:1)控制器負(fù)載過(guò)重，任一個(gè)廣播數(shù)據(jù)包將泛洪到網(wǎng)絡(luò)中所有交換機(jī)中，并在每個(gè)交換機(jī)上觸發(fā)一個(gè)packet-1n事件，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，和廣播包數(shù)量的增加，將對(duì)控制器產(chǎn)生巨大的控制負(fù)擔(dān)；2)數(shù)據(jù)平面帶寬浪費(fèi)，任一個(gè)廣播數(shù)據(jù)包在整網(wǎng)進(jìn)行泛洪，不僅增加了交換機(jī)處理負(fù)擔(dān)，更重要的是浪費(fèi)了大量寶貴的帶寬資源；3)鏈路不能出現(xiàn)環(huán)路，以太網(wǎng)對(duì)環(huán)路十分敏感，極易引起廣播風(fēng)暴，現(xiàn)有的解決方案大多采用生成樹(shù)協(xié)議將網(wǎng)絡(luò)邏輯上變成一個(gè)樹(shù)狀拓?fù)鋸亩苊獬霈F(xiàn)環(huán)路，然而生成樹(shù)協(xié)議造成了網(wǎng)絡(luò)帶寬的浪費(fèi)，限制了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，降低了網(wǎng)絡(luò)魯棒性，一旦網(wǎng)絡(luò)鏈路出現(xiàn)故障將無(wú)備份，更重要的是交換機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，生成樹(shù)重算的過(guò)程通常持續(xù)30-50秒，這之間可能會(huì)影響正常網(wǎng)絡(luò)通信，甚至出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓；4)增加主機(jī)端負(fù)載，主機(jī)網(wǎng)卡接收網(wǎng)絡(luò)中所有的廣播包，交由CPU判斷是否為發(fā)給本機(jī)的數(shù)據(jù)包，進(jìn)而做出丟棄或應(yīng)答處理，浪費(fèi)本機(jī)的計(jì)算存儲(chǔ)資源。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種大大降低控制器負(fù)載及網(wǎng)絡(luò)流量的基于SDN控制器的DHCP廣播處理方法。為此，本發(fā)明所述的基于SDN控制器的DHCP廣播處理方法，其包括以下步驟:
I)當(dāng)主機(jī)A采用自動(dòng)獲取IP地址模式接入SDN網(wǎng)絡(luò)時(shí)，向外發(fā)出DHCPDISCOVERY
廣播包；2)交換機(jī)接收到該廣播包后首先匹配流表，由于沒(méi)有匹配的流表項(xiàng)，則會(huì)以packet-1n事件的形式將此廣播包交給控制器；3)控制器收到該消息，解析得出主機(jī)位置信息并記錄到臨時(shí)表，從DHCP服務(wù)器列表中選擇一個(gè)DHCP服務(wù)器；4)利用DHCP服務(wù)器的位置信息將接收到的DHCPDISCOVERY廣播包封裝成packet-out消息轉(zhuǎn)發(fā)給交換機(jī)S3 ；5)交換機(jī)S3接收到該消息后，解析得出DHCPDISCOVERY廣播包，從連接DHCP服務(wù)器X的端口轉(zhuǎn)發(fā)出去；6) DHCP服務(wù)器X接收到DHCPDISCOVERY廣播包后響應(yīng)一個(gè)DHCPOFFER廣播包，7)交換機(jī)S3接收到之后以packet-1n消息的方式提交給控制器；8)控制器解析該packet-1n消息，提取DHCPOFFER廣播包的chaddr字段，即源主機(jī)的MAC地址，并從臨時(shí)表中以hash方式查找源主機(jī)位置信息(H(packet.chaddr) — Location)；

9)控制器根據(jù)提供的主機(jī)位置信息封裝成packet-out消息并轉(zhuǎn)發(fā)至交換機(jī)SI ；10)交換機(jī)SI接收到該消息后，解析出DHCPOFFER廣播包，并從連接源主機(jī)的端口發(fā)出去;11)主機(jī)A收到DHCPOFFER后，再發(fā)送一個(gè)DHCPREQUEST廣播包；12)交換機(jī)SI接收到之后以packet-1n消息方式發(fā)給控制器；13)控制器解析得出DHCPREQUEST廣播包，并從中提取提供服務(wù)的DHCP服務(wù)器IP地址，并更新臨時(shí)表中的主機(jī)位置；14)控制器根據(jù)DHCPREQUEST廣播包提取的DHCP服務(wù)器IP地址，查找得出DHCP服務(wù)器的位置消息，并以此封裝成packet-out消息轉(zhuǎn)發(fā)至交換機(jī)S3 ；15)交換機(jī)S3解析該消息，得到DHCPREQUEST廣播包，并轉(zhuǎn)發(fā)給DHCP服務(wù)器X ；16)DHCP服務(wù)器收到DHCPREQUEST后響應(yīng)DHCPACK廣播包或者DHCPNACK廣播包；17)交換機(jī)S3再以packet-1n消息的方式提交給控制器；18)若控制器解析得出DHCPACK廣播包時(shí)，從DHCPACK中提取源主機(jī)的IP地址、MAC地址信息，從臨時(shí)表中提取主機(jī)的位置信息,將請(qǐng)求主機(jī)信息注冊(cè)至主機(jī)基本信息表中，同時(shí)刪除臨時(shí)表中源主機(jī)信息條目；若為DHCPNACK廣播包，刪除臨時(shí)表中源主機(jī)信息條目；19)將該消息封裝成packet-out消息轉(zhuǎn)發(fā)至交換機(jī)SI ；20)交換機(jī)SI解析packet-out消息后，將廣播包轉(zhuǎn)發(fā)給源主機(jī)。上述步驟3)在臨時(shí)存儲(chǔ)主機(jī)信息時(shí)采用Hash表或者數(shù)據(jù)庫(kù)記錄。上述步驟3)在選擇提供服務(wù)的DHCP服務(wù)器過(guò)程中，采用以平均概率隨機(jī)選擇，或者輪詢方式選擇，或者依據(jù)DHCP服務(wù)器的負(fù)載能力選擇。上述步驟4)中的交換機(jī)S3由packet-out消息中的dpid指定。上述步驟5)中的DHCP服務(wù)器X的端口由packet-out消息的port指定。上述步驟18)在存儲(chǔ)主機(jī)基本信息表時(shí)采用key=IP地址，value= [MAC地址，dpid，port]的一個(gè)hash表存儲(chǔ),或者其他變換key和value的一到多個(gè)Hash表存儲(chǔ),或者數(shù)據(jù)庫(kù)方式存儲(chǔ)。本發(fā)明的有益效果:1、以控制器作為中繼將DHCP廣播包在源主機(jī)和DHCP服務(wù)器之間進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，完全消除以太網(wǎng)中的DHCP廣播，降低廣播風(fēng)暴產(chǎn)生的可能性，同時(shí)降低了網(wǎng)絡(luò)流量。2、降低了控制器負(fù)載，傳統(tǒng)SDN控制器對(duì)一個(gè)廣播包需要處理S個(gè)packet-1n事件(S是交換機(jī)的數(shù)目，廣播包在每一個(gè)交換機(jī)上都會(huì)觸發(fā)一個(gè)packet-1n事件)，而本發(fā)明只需處理一個(gè)packet-1n事件,相比于傳統(tǒng)處理方式下packet-1n事件復(fù)雜度,本發(fā)明要處理的事件需要額外進(jìn)行查表以及封裝packet-out消息，其復(fù)雜度均可以忽略。3、在處理DHCP廣播包的同時(shí)，本發(fā)明還對(duì)主機(jī)的基本信息進(jìn)行記錄和更新，對(duì)處理ARP請(qǐng)求以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓兄幸欢ǖ妮o助作用。


圖1是傳 統(tǒng)SND對(duì)DHCP廣播包處理過(guò)程的示意圖，圖2是本發(fā)明處理過(guò)程的示意圖，圖3是本發(fā)明的流程圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明可應(yīng)用于校園網(wǎng)，企業(yè)網(wǎng)，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，以及城域網(wǎng)中，是基于SDN解決DHCP廣播包泛洪問(wèn)題，主要通過(guò)在控制器端緩存DHCP服務(wù)器位置，采用packet-out消息的方式在源主機(jī)和DHCP服務(wù)器間轉(zhuǎn)發(fā)DHCP廣播包，具體實(shí)時(shí)步驟如下所示(詳見(jiàn)圖2和3):[I]主機(jī)A以自動(dòng)獲取IP地址模式接入網(wǎng)絡(luò)，向外發(fā)出DHCPDISCOVERY廣播包；[2]交換機(jī)SI接收到DHCPDISCOVERY廣播包，由于沒(méi)有匹配的流表項(xiàng)，故產(chǎn)生以packet-1n消息提交給控制器；[3]控制器收到該消息，解析得出主機(jī)位置信息并記錄到臨時(shí)表(如key=源主機(jī)MAC地址，value=主機(jī)位置0，從DHCP服務(wù)器列表(存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)為key=DHCP服務(wù)器IP地址，value= [MAC地址，DHCP服務(wù)器位置])中選擇一個(gè)DHCP服務(wù)器(如可采用輪詢方式)；[4]利用DHCP服務(wù)器的位置信息將接收到的DHCPDISC0VERY廣播包封裝成packet-out消息轉(zhuǎn)發(fā)給交換機(jī)S3 (由packet-out消息中的dpid指定)；[5]交換機(jī)S3接收到該消息后，解析得出DHCPDISCOVERY廣播包，從連接DHCP服務(wù)器X的端口轉(zhuǎn)發(fā)出去(由packet-out消息的port指定)；[6]DHCP服務(wù)器X接收到DHCPDISCOVERY廣播包后響應(yīng)一個(gè)DHCPOFFER廣播包，[7]交換機(jī)S3接收到之后以packet-1n消息的方式提交給控制器(原因同[2]，后續(xù)不在贅述)。[8]控制器解析該packet-1n消息，提取DHCPOFFER廣播包的chaddr字段(即源主機(jī)的MAC地址)，并從臨時(shí)表中以hash方式查找源主機(jī)位置信息(H(packet.chaddr) — Location)；[9]控制器根據(jù)提供的主機(jī)位置信息封裝成packet-out消息并轉(zhuǎn)發(fā)至交換機(jī)SI ；
[10]交換機(jī)SI接收到該消息后，解析出DHCPOFFER廣播包，并從連接源主機(jī)的端口發(fā)出去；[11]主機(jī)A收到DHCPOFFER后，再發(fā)送一個(gè)DHCPREQUEST廣播包；[12] SI接收到之后以packet-1n消息方式發(fā)給控制器；[13]控制器解析得出DHCPREQUEST廣播包，并從中提取提供服務(wù)的DHCP服務(wù)器IP地址，并更新臨時(shí)表中的主機(jī)位置(實(shí)際情況下，有時(shí)源主機(jī)可能先發(fā)DHCPREQUEST廣播包，詢問(wèn)上次分配的IP地址是否可以繼續(xù)使用)；[14]控制器根據(jù)DHCPREQUEST廣播包提取的DHCP服務(wù)器IP地址，查找得出DHCP服務(wù)器的位置消息，并以此封裝成packet-out消息轉(zhuǎn)發(fā)至交換機(jī)S3 ；[15]交換機(jī)S3解析該消息，得到DHCPREQUEST廣播包，并轉(zhuǎn)發(fā)給DHCP服務(wù)器X ；[16] DHCP服務(wù)器收到DHCPREQUEST后響應(yīng)DHCPACK廣播包或者DHCPNACK廣播包；[17]交換機(jī)S3以packet-1n消息的方式提交給控制器；[18]若控制器解析得出DHCPACK廣播包時(shí)，從DHCPACK中提取源主機(jī)的IP地址、MAC地址信息，從臨時(shí)表中提取主機(jī)的位置信息,將請(qǐng)求主機(jī)信息注冊(cè)至主機(jī)基本信息表中(如圖2所示)，同時(shí)刪除臨時(shí)表中源主機(jī)信息條目；若為DHCPNACK廣播包，刪除臨時(shí)表中源主機(jī)信息條目；[19]將該消息封裝成packet-out消息轉(zhuǎn)發(fā)至交換機(jī)SI。[20]交換機(jī)SI解析packet-out消息后,將廣播包轉(zhuǎn)發(fā)給源主機(jī)。備注:當(dāng)主機(jī)的IP地址被認(rèn)為設(shè)置或更改時(shí)，主機(jī)發(fā)出DHCPRELEASE數(shù)據(jù)包，并提交給控制器，控制器解析得到該消息后，應(yīng)當(dāng)刪除對(duì)應(yīng)的主機(jī)條目。此外，圖1、2中的注解:1、IPA, IPx, IPy分別代表主機(jī)A，DHCP服務(wù)器X，以及DHCP服務(wù)器Y的IP地址信息；2、DPID1, DPID2, DPID3分別代表交換機(jī)SI，交換機(jī)S2，以及交換機(jī)S3的數(shù)據(jù)路徑ID /[目息；3,MACa, MACx, MACy分別代表主機(jī)A，DHCP服務(wù)器X以及DHCP服務(wù)器Y的MAC地址信息。4、PORTa, PORTx, PORTy分別代表主機(jī)A，DHCP服務(wù)器X以及DHCP服務(wù)器Y與交換機(jī)相連的端口(交換機(jī)端)。本發(fā)明具體應(yīng)用途徑很多，以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為本發(fā)明的 保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于SDN控制器的DHCP廣播處理方法，其特征在于包括以下步驟: 1)當(dāng)主機(jī)A采用自動(dòng)獲取IP地址模式接入SDN網(wǎng)絡(luò)時(shí)，向外發(fā)出DHCroiSCOVERY廣播包； 2)交換機(jī)接收到該廣播包后首先匹配流表，由于沒(méi)有匹配的流表項(xiàng)，則會(huì)以packet-1n事件的形式將此廣播包交給控制器； 3)控制器收到該消息，解析得出主機(jī)位置信息并記錄到臨時(shí)表，從DHCP服務(wù)器列表中選擇一個(gè)DHCP服務(wù)器； 4)利用DHCP服務(wù)器的位置信息將接收到的DHCPDISCOVERY廣播包封裝成packet-out消息轉(zhuǎn)發(fā)給交換機(jī)S3 ； 5)交換機(jī)S3接收到該消息后，解析得出DHCPDISCOVERY廣播包，從連接DHCP服務(wù)器X的端口轉(zhuǎn)發(fā)出去； 6)DHCP服務(wù)器X接收到DHCPDISCOVERY廣播包后響應(yīng)一個(gè)DHCPOFFER廣播包， 7)交換機(jī)S3接收到之后以packet-1n消息的方式提交給控制器； 8)控制器解析該packet-1n消息，提取DHCPOFFER廣播包的chaddr字段，即源主機(jī)的MAC地址，并從臨時(shí)表中以hash方式查找源主機(jī)位置信息(H(packet.chaddr) — Location)； 9)控制器根據(jù)提供的主機(jī)位置信息封裝成packet-out消息并轉(zhuǎn)發(fā)至交換機(jī)SI； 10)交換機(jī)SI接收到該消息后，解析出DHCPOFFER廣播包，并從連接源主機(jī)的端口發(fā)出`去; 11)主機(jī)A收到DHCPOFFER后，再發(fā)送一個(gè)DHCPREQUEST廣播包； 12)交換機(jī)SI接收到之后以packet-1n消息方式發(fā)給控制器； 13)控制器解析得出DHCPREQUEST廣播包，并從中提取提供服務(wù)的DHCP服務(wù)器IP地址，并更新臨時(shí)表中的主機(jī)位置； 14)控制器根據(jù)DHCPREQUEST廣播包提取的DHCP服務(wù)器IP地址，查找得出DHCP服務(wù)器的位置消息，并以此封裝成packet-out消息轉(zhuǎn)發(fā)至交換機(jī)S3 ； 15)交換機(jī)S3解析該消息，得到DHCPREQUEST廣播包，并轉(zhuǎn)發(fā)給DHCP服務(wù)器X； 16)DHCP服務(wù)器收到DHCPREQUEST后響應(yīng)DHCPACK廣播包或者DHCPNACK廣播包； 17)交換機(jī)S3再以packet-1n消息的方式提交給控制器； 18)若控制器解析得出DHCPACK廣播包時(shí)，從DHCPACK中提取源主機(jī)的IP地址、MAC地址信息，從臨時(shí)表中提取主機(jī)的位置信息，將請(qǐng)求主機(jī)信息注冊(cè)至主機(jī)基本信息表中，同時(shí)刪除臨時(shí)表中源主機(jī)信息條目；若為DHCPNACK廣播包，刪除臨時(shí)表中源主機(jī)信息條目； 19)將該消息封裝成packet-out消息轉(zhuǎn)發(fā)至交換機(jī)SI； 20)交換機(jī)SI解析packet-out消息后,將廣播包轉(zhuǎn)發(fā)給源主機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于SDN控制器的DHCP廣播處理方法，其特征在于步驟3)在臨時(shí)存儲(chǔ)主機(jī)信息時(shí)采用Hash表或者數(shù)據(jù)庫(kù)記錄。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于SDN控制器的DHCP廣播處理方法，其特征在于步驟3)在選擇提供服務(wù)的DHCP服務(wù)器過(guò)程中，采用以平均概率隨機(jī)選擇，或者輪詢方式選擇，或者依據(jù)DHCP服務(wù)器的負(fù)載能力選擇。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于SDN控制器的DHCP廣播處理方法，其特征在于步驟4)中的交換機(jī)S3由packet-out消息中的dp id指定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于SDN控制器的DHCP廣播處理方法，其特征在于步驟5)中的DHCP服務(wù)器X的端口由packet-out消息的port指定。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于SDN控制器的DHCP廣播處理方法，其特征在于步驟18)在存儲(chǔ)主機(jī)基本信息表時(shí)采用key=IP地址，value= [MAC地址，dpid, port]的一個(gè)hash表存儲(chǔ)，或者其他變換key和v·alue的一到多個(gè)Hash表存儲(chǔ)，或者數(shù)據(jù)庫(kù)方式存儲(chǔ)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于SDN控制器的DHCP廣播處理方法，該方法基于SDN解決DHCP廣播包泛洪問(wèn)題，主要是通過(guò)在控制器端緩存DHCP服務(wù)器位置，采用packet-out消息的方式在源主機(jī)和DHCP服務(wù)器間轉(zhuǎn)發(fā)DHCP廣播包，同時(shí)在主機(jī)成功獲取器IP地址等配置信息時(shí)，記錄該主機(jī)基本信息，包括IP地址，MAC地址以及位置信息。本發(fā)明大大降低了控制器負(fù)載及網(wǎng)絡(luò)流量。
文檔編號(hào)H04L12/951GK103248724SQ201310139168
公開(kāi)日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2013年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月19日
發(fā)明者黃韜, 劉江, 丁健, 俞淑妍, 魏亮, 劉韻潔 申請(qǐng)人:中國(guó)(南京)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心, 北京郵電大學(xué)