CN103986663B - 数据中心及其实现数据处理的方法和网络控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数据中心及其实现数据处理的方法和网络控制器，在基于SDN的数据中心中，服务器根据自身支持的协议生成相应的数据包；接收到数据包的交换机确定数据包为所属的数据流中的第一个数据包，网络控制器根据数据包转发端口的类型，生成转发路径；数据包所属数据流中的其他数据包采用生成的转发路径进行转发。本发明方法通过数据包转发端口的类型识别数据流的类型，规划了适合该数据流的最优转发路径，而且为不同的数据流匹配了不同的服务等级质量，避免了数据传输的瓶颈，同时减小了维护开销。而且基于SDN的数据中心降低了原有数据中心复杂度。

Description

数据中心及其实现数据处理的方法和网络控制器

技术领域

本发明涉及软件定义网络(SDN，Software Defined Network)技术，尤指一种基于SDN的数据中心及其实现数据处理的方法和网络控制器。

背景技术

目前，为了实现数据中心内和数据中心间服务器的通信，需要构建网络结构，图1为现有数据中心的网络结构示意图，如图1所示，以计算服务器为界，数据中心内网络可以分为前端网络和后端网络。其中，前端网络主要承载着数据中心内计算服务器之间以及与数据中心外的服务器之间的通信，是基于TCP/IP网络体系架构，实现技术为IP+以太网(Ethernet)方式。后端网络则承载着服务器至存储系统的通信。由于存储设备间通过存储区域网络(SAN，Storage Area Network)技术构建存储系统，是一种有别于IP+Ethernet的技术，但是，由于Ethernet技术拥有的冲突丢包的天然缺陷，使得后端网络的I/O同步问题、高速低延迟等基本需求无法得到满足。因而，目前，后端网络基本上采用基于光纤通信的SAN(FC SAN，Fiber Channel SAN)技术，实现计算系统与存储系统的通信。

FC SAN技术的引入，使得数据中心的网络存在以下几个问题：多张网络，也就是说，对计算服务器而言，处于Ethernet和FC SAN两张网络中；多种端口协议，由于计算服务器存在于多个网络中，为了适应不同网络的需求，计算服务器上需要具备支持多个协议的网口，增加了计算服务器的复杂性；以及成本问题，由于FC SAN采用的是光纤通信，链路的设备成本较高。

为此，在数据中心的后端网络中引入了基于光纤通信的以太网(FCoE，FiberChannel over Ethernet)技术，通过对原有的FC数据包进行Ethernet封装，实现了前端网络与后端网络的融合，图2为现有基于FCoE技术的数据中心网络结构示意图，如图2所示，计算服务器上配备CAN网卡，计算服务器的任何通信均需求通过该CAN网卡发送给FCoE交换机。位于FCoE交换机中的数据转发单元(FCF，Fiber Channel Forwarder)(图2中未示出)会对数据进行识别，如果是正常的Ethernet数据包，则将其转发至IP/Ethernet网络中；如果是封装成Ethernet包的FC数据包，则将其转发至FC网络中。

FCoE技术提供了利用Ethernet技术实现计算服务器与后端存储网络通信需求的方案，但是仍然存在一些问题：

一方面，为了保证计算服务器与存储系统之间高速的数据传输，同时为了使存储系统之间的数据传输不占用以太网的资源，在数据中心，将计算服务器的通信网络与存储系统的通信网络分离开来，从而构建了两张网络，引来了多网络的问题：前端网络采用IP+Ethernet技术进行组网，而存储网络采用SAN技术。FCoE技术通过数据包封装的方式，实现了用以太网技术连接计算服务器和存储设备，但是，存储设备之间的网络仍然没有发生改变，也就是说，在数据中心之间仍然是多张网络的格局。

另一方面，目前在FCoE技术的部署方案中，基本上是在计算服务器的通信网以及存储网的边缘部署FCoE交换机。随着云计算的发展，计算服务器与存储系统之间的信息通信需求将日渐强烈。为了承载大量的数据流动，FCoE交换机的部署范围将日益拓展，甚至FCoE交换机的部署返回会扩展至整个存储网络。但是，FCoE交换机属于专用交换机，适用范围较窄；而且，FCoE交换机是基于光纤通信的，因此，基于FCoE技术的数据中心网络的成本显然是较高的，而且，后期存储网络的建设和改造将引发较大的资金投入。更重要的是，在云计算及互联网需求的推动下，40/100G网络技术在数据中心内得到了较好的发展，而且40/100G技术也将在数据中心中大行其道。但是，静观FC SAN网络近些年来的发展，一直维持在10G以下的速度。因而，在数据中心之间仍然是多张网络的格局中，必然会导致前端网络和后端网络速度不匹配的问题，从而导致了数据传输的瓶颈。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种数据中心及其实现数据处理的方法和网络控制器，能够降低数据中心复杂度、避免数据传输的瓶颈，同时减小维护开销。

为了达到本发明目的，本发明提供了一种网络控制器，至少包括策略处理模块、流表处理模块、路由处理模块，以及用于维护网络结构视图的拓扑处理模块；其中，

策略处理模块，用于将业务层的用户需求转换为相应数据流的网络需求，并将这些网络需求通知给路由处理模块和流表处理模块；

路由处理模块，接收来自策略处理模块的网络需求，并根据拓扑管理模块维护的网络结构视图，为数据流规划最符合要求的转发路由；

流表处理模块，用于接收来自策略处理模块的网络需求，按照路由处理模块规划的转发路由生成相应的OpenFlow流表，并下发至OpenFlow交换机。

所述拓扑处理模块，还用于通过收集所述设备层中的各服务器的信息，在所述网络控制器中构建各服务器之间的逻辑拓扑图并存储。

所述网络控制器还包括：设备处理模块，用于对所述网络数据转发层中的网络交换机进行管理、配置。

本发明又公开了一种数据中心，至少包括设备层、数据转发层，以及网络控制层；其中，

设备层包括一个或一个以上服务器，服务器包括计算服务器和存储服务器，用于依据自身支持的协议生成相应的数据包，并通过网卡连接到数据转发层，实现计算服务器之间、计算服务器与存储服务器之间、存储服务器与存储服务器之间的数据交换；

数据转发层由若干个支持Openflow协议的网络交换机组成，包括接入层和汇聚/核心层，用于按照网络控制层的控制对来自服务器的数据包进行数据转发；

网络控制层，包括网络控制器，用于控制数据的转发。

所述接入交换机还用于，预留预设数量个高速上行接口，用于保证所述接入交换机至汇聚/核心交换机的网络速度；将剩余的高速端口优先分配给所述存储服务器。

本发明还公开了一种数据中心实现数据处理的方法，包括：服务器依据自身支持的协议生成相应的数据包；

接收到数据包的交换机确定数据包为所属的数据流中的第一个数据包，网络控制器根据数据包转发端口的类型，生成转发路径；

数据包所属数据流中的其他数据包采用生成的转发路径进行转发。

所述确定数据包是否为其所属的数据流中的第一个数据包包括：

根据所述数据包的表示端口类型信息的字段，匹配交换机中的流表项，如果在交换机的流表中不存在相关的匹配信息，则确定所述数据包是所属的数据流中的第一个数据包，否则所述数据包不是第一数据包。

所述网络控制器根据数据包转发端口的类型，生成转发路径之前，该方法还包括：

所述交换机根据接收数据包的端口的类型生成执行相应的策略，在数据流来自高速的转发端口时，将该数据流标示为存储流，上报给所述网络控制器；所述控制器根据约束最短路由优先CSPF算法为该数据流规划路径。

与现有技术相比，本发明包括：在基于SDN的数据中心中，服务器根据自身支持的协议生成相应的数据包；确定数据包为所属的数据流中的第一个数据包，根据数据包转发端口的类型，生成转发路径；数据包所属数据流中的其他数据包采用生成的转发路径进行转发。本发明方法通过数据包转发端口的类型识别数据流的类型，规划了适合该数据流的最优转发路径，具体地，为在高速端口间转发的数据流设置高的服务等级质量，选择质量好、转发速度快的路径配置数据流转发路由，而为在低速端口间转发的数据流设置低的服务等级质量，选择质量不是最好、转发速度不是最快的路径配置数据流转发路由，为不同的数据流匹配了不同的服务等级质量，避免了数据传输的瓶颈，同时减小了维护开销。而且基于SDN的数据中心降低了原有数据中心复杂度。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为现有数据中心的网络结构示意图；

图2为现有基于FCoE技术的数据中心网络结构示意图；

图3为现有SDN架构的示意图；

图4为本发明数据中心的网络结构示意图；

图5为本发明数据中心中不同数据流的流向示意图；

图6为本发明数据中心中的网络控制器的逻辑组成结构示意图；

图7为本发明实现数据处理的方法的流程图。

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，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

软件定义网络(SDN，Software Defined Network)是控制与转发分离并直接可编程的网络架构，图3为现有SDN架构的示意图，如图3所示，其核心思想是将传统网络设备紧耦合的网络架构解耦成应用、控制、数据(转发)三层分离的架构，并通过标准化实现网络的集中管控和网络应用的可编程。在SDN架构下，开放和标准化是核心关键点：标准化数据面与控制面的接口，又称为南向接口，屏蔽了网络基础设施资源在类型、支持的协议等方面的异构性，使得数据面的网络资源设施资源能够无障碍地接收控制面的指令，承载网络中的数据转发业务；标准化控制层和应用层的接口，又称为北向接口，为上层应用提供统一的管理视图和编程接口，使得用户可以通过软件从逻辑上来定义网络控制和网络服务。

图4为本发明数据中心的网络结构示意图，如图4所示，至少包括设备层、数据转发层，以及网络控制层；其中，

设备层，其中包括一个或一个以上服务器，这里，服务器包括计算服务器和存储服务器，计算服务器、存储服务器均用于，依据自身支持的协议生成相应的数据包，并通过网卡连接到数据转发层的接入交换机，并通过接入交换机实现计算服务器之间、计算服务器与存储服务器之间、存储服务器与存储服务器之间的数据交换。

数据转发层包括接入层和汇聚/核心层，由若干个支持Openflow协议的网络交换机组成，用于按照网络控制层的控制对来自服务器的数据包进行数据转发。

在数据转发层中，所有的网络交换机均通过统一、标准的协议，即Openflow协议，与网络控制层中的网络控制器进行通信。这样，一方面，标准的协议为网络控制器屏蔽了设备层中计算服务器、存储服务器等设备的异构性，也就是说，设备层中的设备对网络控制器来说是不存在差异的，从而降低了对不同厂家设备的依赖程度；另一方面，网络的本质就是数据转发，因而会涉及到大量的数据转发设备，在本发明的数据中心中，数据转发设备的成本仅在于转发芯片，更容易实现量产，使得网络成本的降低具有了较大的优势。

在本发明数据中心中，为了尽可能地降低物理端口速度对数据流速度的限制，在构建计算/存储服务器与接入交换机、接入交换机与汇聚/核心交换机之间的连接方式时，首先，接入交换机预留预设数量如2个高速上行接口，用于保证接入交换机至汇聚/核心交换机的网络速度；其次，如果还有高速端口剩余，那么，遵循优先分配给存储服务器的原则。需要说明的是，这里并不是一定要保证所有的交换机之间都能以高速端口连接，但是，按照本发明方法，会尽量满足高速连接需求；如图5所示，图5为本发明数据中心中不同数据流的流向示意图，图5中，以接入交换机、汇聚/核心交换为OpenFlow交换机、网络控制器为SDN控制器为例，斜线阴影小方框所示端口表示高速的交换机端口，斜小方格阴影小方框所示端口表示低速的交换机端口。

网络控制层，包括网络控制器，用于控制数据的转发，以及数据中心的管理。图6为本发明数据中心中的网络控制器的逻辑组成结构示意图，如图6所示，主要包括策略处理模块、流表处理模块、路由处理模块，以及用于维护网络结构视图的拓扑处理模块；其中，

策略处理模块，用于将业务层的用户需求转换为相应数据流的网络需求，比如网络延迟要求、重传率要求等，并将这些网络需求通知给路由处理模块和流表处理模块。具体地，用于为计算服务器与计算服务器、计算服务器与存储服务器、存储服务器之间的转发需求设置不同的网络服务质量。

路由处理模块，接收来自策略处理模块的网络需求，并根据拓扑管理模块维护的网络结构视图，为数据流规划最符合要求的转发路由。

流表处理模块，用于接收来自策略处理模块的网络需求，按照路由处理模块规划的转发路由生成相应的OpenFlow流表，并下发至OpenFlow交换机。这样，当来自服务器的数据包经过这些OpenFlow交换机时，按照OpenFlow交换机中存储的流表进行转发。

本发明拓扑处理模块，还用于通过收集设备层中的各服务器的信息，在网络控制器中构建各服务器之间的逻辑拓扑图并存储，这样，在生成转发路径时，可以作为依据。其中，收集的信息包括但不限于：服务器的端口、服务器的邻居节点信息以及邻居与端口的对应关系、服务器类型(如计算服务器、或者存储服务器)等。具体如何构建逻辑拓扑图，属于本领域技术人员的惯用技术手段，不用于限定本发明的保护范围，这里不再赘述。

本发明网络控制器还包括：设备处理模块，用于对网络数据转发层中的网络交换机进行状态监控、转发端口设置、VLAN设置等，以实现网络控制器对数据转发层中的网络交换机的管理、配置。

在本发明数据中心的网络控制器中，将网络控制器的各项功能采用直观的可视化界面，展现给网络管理人员，网络管理人员通过可视化界面设置各项用户需求，并提供给策略处理模块。

本发明数据中心还包括：网络应用层，包括如防火墙、网络监控等应用，利用网络控制层开放的API接口，由开发人员自主开发，其具体实现不在本发明的保护范围之内，这里不再赘述。

图4所示的本发明基于SDN的数据中心网络架构中，在设备层，计算服务器与计算服务器之间的数据通信遵循IP/Ethernet协议，计算服务器与存储服务器之间，以及存储服务器之间的通信遵循FC SAN协议。相对于TCP/IP架构来说，本发明基于SDN的数据中心网络架构充分利用现有网络的设备(如计算服务器、存储服务器等)，不需要对原有设备升级，设备依据自身支持的协议生成数据报文即可，本发明只需要一张网即可承载传统的以太网、存储网的数据流量，降低了数据中心复杂度；本发明数据中心中的网络交换机是支持Openflow协议的OpenFlow交换机，所有的网络交换机均通过统一、标准的协议与网络控制层中的网络控制器进行通信，并且只保留了转发面，使得网络交换机可以量产，降低了网络成本，而且标准的协议为网络控制器屏蔽了设备层中各种设备的异构性，使得设备层中的设备对网络控制器来说是不存在差异的，从而降低了对不同厂家设备的依赖程度。更重要的是，本发明网络控制器在确定需求策略时，区分不同数据流设置不同的服务等级质量，以生成适合该数据流的最优转发路径，避免了数据传输的瓶颈，同时减少了维护开销。

图7为本发明实现数据处理的方法的流程图，如图7所示，包括：

步骤700：服务器依据自身支持的协议生成相应的数据包。本步骤的具体实现属于本领域技术人员的惯用技术手段，这里不再赘述。

步骤701：接收到数据包的交换机确定数据包为所属的数据流中的第一个数据包，网络控制器根据数据包转发端口的类型，生成转发路径。

本步骤还包括：如果数据包不是其所属数据流中的第一个数据包，那么，按照之前下发的转发路径进行转发即可，结束本流程。

本步骤中，确定数据包是否为其所属的数据流中的第一个数据包包括：根据数据包的L2/L3/L4、端口号、VLAN等表示端口类型信息的字段，匹配交换机中的流表项，如果在交换机的流表中不存在相关的匹配信息，则确定该数据包是所属的数据流中的第一个数据包，否则该数据包不是第一数据包。

本步骤中，交换机根据接收数据包的端口的类型生成执行相应的策略如果数据流来自高速的转发端口，则将该数据流标示为存储流，上报给SDN控制器；SDN控制器中的路由转发模块会根据CSPF算法为该数据流规划合适的路径，比如带宽大、链路利用率较低的路径。这里，使用何种策略与网络配置相关，可通过设定CSPF中的约束条件来达到。

这里，生成转发路由的算法可以采用现有的约束最短路由优先(CSPF)算法，并根据自身需求对算法中的约束条件进行修改和匹配。由于存储数据流的链路占用时间长、数据流量大等特点，因此，其中的约束条件可以具体化为：链路累计占用率<70％，以使得存储数据流选择非关键繁忙路径，这里约束条件的具体规则与数据流的需求、网管人员的设计等有关。CSPF算法的使用属于本领域技术人员的常用技术，这里不再赘述。

步骤702：数据包所属数据流中的其他数据包采用生成的转发路径进行转发。

举个例子来说，本发明实现数据处理的方法包括：

在设备层中的服务器依据自身支持的协议生成相应的数据包，并通过相应的网卡将数据包发送给网络交换机；在数据转发层，网络交换机则根据L2/L3/L4、端口号、VLAN等字段匹配收到的数据包，以确定该数据包是否是所属的数据流中的第一个数据包；如果是，则将该数据包转发给网络控制层中的网络控制器，网络控制器通过全局的统一视图以及数据包的格式和协议等需求策略，生成相应的转发路由；并将相应的转发路由发送给相关的网络交换机，这样，以后收到的该条数据流的其他数据包将采用生成的转发路由进行转发；如果不是第一个数据包，则按照之前网络控制器下发的转发路径进行转发即可。其中，生成相应的转发路由具体包括：如果数据流来自于高速的转发端口并且要去往高速的转发接口时，则认为该数据流是存储服务器与存储服务器之间的数据流，或者是对网络服务质量要求高的数据流。这时，网络控制器会给这部分数据流设置高的服务等级质量，而在配置数据流转发路由时，会选择质量好、转发速度快的路径。

本发明方法通过数据包转发端口的类型区分不同数据流，设置不同的服务等级质量，生成了适合该数据流的最优转发路径，即为在高速端口间转发的数据流设置高的服务等级质量，选择质量好、转发速度快的路径配置数据流转发路由，而为在低速端口间转发的数据流设置低的服务等级质量，选择质量不是最好、转发速度不是最快的路径配置数据流转发路由，避免了数据传输的瓶颈，同时减少了维护开销。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (2)

1.一种数据中心实现数据处理的方法，其特征在于，包括：服务器依据自身支持的协议生成相应的数据包；

接收到数据包的交换机确定数据包为所属的数据流中的第一个数据包，网络控制器根据数据包转发端口的类型，生成转发路径；

数据包所属数据流中的其他数据包采用生成的转发路径进行转发；

所述网络控制器根据数据包转发端口的类型，生成转发路径之前，该方法还包括：

所述交换机根据接收数据包的端口的类型生成执行相应的策略，在数据流来自高速的转发端口时，将该数据流标示为存储流，上报给所述网络控制器；所述控制器根据约束最短路由优先CSPF算法为该数据流规划路径。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定数据包为其所属的数据流中的第一个数据包包括：

根据所述数据包的表示端口类型信息的字段，匹配交换机中的流表项，如果在交换机的流表中不存在相关的匹配信息，则确定所述数据包是所属的数据流中的第一个数据包，否则所述数据包不是第一数据包。