优化交换机报文上送方法及其系统
申请号：.9 申请日：
摘要：本发明提出了一种优化交换机报文上送方法及其系统，该方法判断上层队列被填充的程度是否达到第一临界值，如果是，则限制交换芯片上送报文到内存块；判断上层队列被填充的程度是否恢复到第二临界值，如果是，则恢复交换芯片上送报文到内存块；所述第一临界值大于第二临界值。本发明在上层队列被充填到一定程度后，即限制交换芯片上送报文，避免报文过多上送而触发CPU中断从而浪费CPU处理能力，并且当报文溢出时，由交换芯片作出报文丢弃行为，由于这种丢弃行为发生在交换芯片本身，不会对CPU产生冲击，这样可以节省CPU处理资源，让CPU资源放在更有效的功能处理上。
地址： 201616 上海市松江区广富林路4855弄20号、90号
发明(设计)人：
主分类号：
&实质审查的生效IPC(主分类):H04L
12/931申请日:
注：本法律状态信息仅供参考，即时准确的法律状态信息须到国家知识产权局办理专利登记簿副本。
&一种优化交换机报文上送方法，其特征在于，包括以下步骤：统计上层队列被报文结构体填充的程度；判断上层队列被报文结构体填充的程度是否达到第一临界值，如果是，则限制交换芯片上送报文到内存块；判断上层队列被被报文结构体填充的程度是否恢复到第二临界值，如果是，则恢复交换芯片上送报文到内存块；所述第一临界值大于第二临界值。
专利代理机构
进入国家日期交换机基本原理及使用
&&&&（一）了解交换机的原理并掌握他们的使用
一、交换方式
图1 交换机
&&& 1．电路交换
&&& 电路交换要求输入线和输出线建立一条物理通道。电路交换原理是直接利用可切换的物理通信线路，连接通信双方电路交换是最早出现的一种交换方式。常见的电路交换网络有：电话网（Telephone
networks）,ISDN等。
&&& 2．报文交换
&&& 当端点间交换的数据具有随机性和突发性时，采用电路交换会造成信道容量和有效时间的浪费，采用报文交换则不存在这种问题。
&&& 报文交换方式的数据传输单位是报文，报文就是站点一次性要发送的数据块，其长度不限且可变。当一个站要发送报文时，它将一个目的地址附加到报文上，网络节点根据报文上的目的地址信息，把报文发送到下一个节点，一直逐个节点地转送到目的节点。
图2 报文交换
&&& 3．分组交换
&&& 分组交换是报文交换的一种改进，它将报文分成若干个分组，每个分组的长度有一个上限，有限长度的分组使每个节点所需的存储能力降低了，分组可以存储到内存中，提高了交换速度。它适用于交互式通信，如终端与主机通信。分组交换是计算机网络中应用最广泛的一种交换技术。
&&& 分组交换又称包交换。在分组交换系统中，报文被分割成若干个定长的分组，并在每个分组前都加上报头报尾。报头中含有地址和分组号等，报尾是该分组的校验码。这些分组可以在网络内沿不同的路径并行进行传输。
图3 分组交换
&&& 表1 各种交换方式比较
快速。适用于不允许传输延迟的情况
由于网络电路是专用的，所以其他路由不能使用。和电话通话一样，通信双方必须同时参与
PSTN，ISDN
路由是非专用的，完成一个报文传输后，可以立即被重新使用，接收方无须立即接收报文
通常报文需要用更长的时间才能到达目的地。
当发生拥塞时，分组交换网络的数据报方式会为报文的不同分组选择不同的路由，因此能更好的利用网络
由于每个分组被单独传送，费用将相应增加。须为每个分组选择路由，在数据报方式中，分组可能不按次序到达
X.25,FR, ATM,以太网
二、以太网交换机基本原理
&&& 以太网这个术语一般是指数字设备公司（ Digital Equipment Corp.）、英特尔公司（Intel
Corp.）和Xerox公司在1982年联合公布的一个标准。它是当今TCP/IP采用的主要的局域网技术，以太网采用的是分组交换技术来进行数据的转发。
&&& 1． CSMA/CD
&&& 以太网采用一种称为CSMA/CD的媒体接入方式。CSMA/CD―（Carrier Sense
Multiple Access/Collision Detection）载波侦听多路访问/冲突检测，是一种在共享介质条件下多点通讯的有效手段，在一个时间段，只有一个节点能够在介质上传送数据。
图4 CSMA/CD示意
&&& 2． MAC地址
&&& MAC地址有48位，它可以转换成12位的十六进制数，参见图5。这个数分成三组，每组有四个数字，中间以点分开。每个地址由两部分组成，分别是供应商代码和序列号。供应商代码代表NIC（网络接口卡）制造商的名称，它占用MAC的前六位12进制数字，序列号由供应商管理，它占用剩余的6位地址。
图5 MAC地址结构
&&& 从实际使用的角度看，以太网的MAC地址可以分为三类，分别是单播地址、多播地址、广播地址。
&&& （1）单播地址：第一字节最低位为0，例如：00e0.fc00.0006。用于网段中两个特定设备之间的通信，可以作为以太网帧的源和目的MAC地址；
&&& （2）多播地址：第一字节最低位为1，例如：01e0.fc00.0006。用于网段中一个设备和其他多个设备通信，只能作为以太网帧的目的MAC；
&&& （3）广播地址：48位全1，ffff.ffff.ffff。用于网段中一个设备和其他所有设备通信，只能作为以太网帧的目的MAC。
&&& 3．以太网的帧格式
&&& 图6显示了以太网常见的两种不同形式的封装格式。
图6 常用的以太网帧格式
&&& 图中每个方框下面的数字是它们的字节长度。两种帧格式都采用48 bit（6字节）的目的地址和源地址。CRC字段用于帧内后续字节差错的循环冗余码检验（检验和）（它也被称为FCS或帧检验序列）。
&&& VLAN(Virtual Local Area Network)，称为虚拟局域网，是将一组位于不同物理网段上的工作站和服务器从逻辑上划分成不同的逻辑网段，在功能和操作上与传统LAN基本相同，可以提供一定范围内终端系统的互联和传输。
&&&&举例：
&&&&如图7，交换机上的端口被划分成了“工程部”、“市场部”、“销售部”三个VLAN。这样可以允许相同的部门内部各端口之间的通信，同时不允许不同部门之间的互访。
图7 应用VLAN的案例
&&& VLAN的优点有：
&&&&• 限制了网络中的广播
&&&&• 为公司项目提供虚拟工作组
&&&&• 提高了信息安全性
扩展阅读材料
&&&&VLAN介绍
&&& 该文献介绍了VLAN的技术特点及其工作原理。
四、交换的基本原理
&&& 所谓二层交换机，其进行转发的依据就是以太网帧的二层信息，即MAC地址且是帧的目的MAC地址。交换机接收到一个以太网帧后，然后根据该帧的目的MAC，把报文从正确的端口转发出去，该过程称为二层交换，对应的设备称为二层交换机。
&&& 交换机的数据转发逻辑由IEEE 801.1D透明桥接协议所定义，其关键特性在于其实现对于网络中其他设备而言是透明的。一般的交换机的数据转发逻辑由如下四个部分组成：过滤/转发逻辑部分、学习逻辑、接口、MAC地址表。
&&& 过滤/转发逻辑部分决定了对于交换机所接收到数据帧的处理方式。当交换机收到一单播帧时，过滤/转发逻辑部分查找交换机内部的一张由两元组（MAC地址，端口号）组成的表格――MAC地址表，如果该数据帧的目的地址在MAC地址表内，而且在MAC地址表内和该数据帧的目的地址相匹配的端口号不同于本交换机接收到该数据帧的端口的端口号，则将该数据帧从MAC地址表内和该数据帧的目的地址相匹配的端口号所指示的端口发出；如果该数据帧的目的地址在MAC地址表内，但是在MAC地址表内和该数据帧的目的地址相匹配的端口号就是本交换机接收到该数据帧的端口的端口号，则丢弃该数据帧；如果该数据帧的目的地址不在MAC地址表内，则将此数据帧从除了接收到该帧的端口之外的所有端口发出。当交换机收到一广播帧时，过滤/转发逻辑直接将此数据帧从除了接收到该帧的端口之外的所有端口发出。
&&& 学习逻辑的功能是动态维护MAC地址表。当交换机刚刚初始化以后，MAC地址表是空的，当交换机从它的某个端口接收到某个数据帧时，学习逻辑检查帧的源地址，如果不在MAC地址表中，就把这个源地址和收到这帧的端口的端口号加入到MAC地址表中；如果此数据帧的源地址在MAC地址表中，则依某种算法更新相应表目的生存期。&
&&& 这里的接口部分是连接物理接口的逻辑接口，在这部分实现所有的一层和二层功能。
&&& MAC地址表是交换机实现灵活的数据帧流向控制的基础，它的结构包括一些站点的MAC地址和从这些站点最新收到报文的端口的端口号以及相应表项的年龄等其他一些信息。MAC地址表实际上是定义交换机性能的一个重要参数，因为MAC地址表的大小在很大程度上决定了局域网中可接入网络设备的数量。
五、三层交换机
&&& 随着INTERNET/INTARNET应用的兴起和服务器集群的出现，使得传统的流量模式发生了转变。网络中大部分数据流经主干，逻辑子网内部数据流量不大，用户经常需要访问本子网以外的资源，因此，现在局域网中的业务流有两个突出的特点，一是总的业务流在增加；二是子网络间的业务流在增加。
&& VLAN间的互通传统上需要由路由器来完成，但新20/80规则的兴起，80%的流量需要跨越VLAN，路由器不堪重负；同时传统的路由器配置复杂，造价昂贵，转发速度容易成为网络的瓶颈；因此采用三层交换机成为最佳选择。
图8 三层交换机
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交换机报文转发流程
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基于OpenFlow交换机的OpenStack部署实践
来源：互联网 更新时间： 3:35:24 责任编辑：王亮字体：
DN(软件定义网络)通过逻辑上集中的主控制器实现对底层交换机报文处理的管理，在业界也因此出现了多种SDN/OpenFlow的控制器比如 RYU，OpenDaylight、Floodlight等;随着云计算技术的发展在IaaS领域涌现很多开源的云平台管理工具，但是这两个领域目前还没有很好的融合。本项目通过为OpenStack的网络实现一个可扩展的OpenFlow控制器Plugin，试图解决早期OpenFlow控制器在扩展性方面的缺陷。
云计算越来越普及，云提供的弹性和服务的动态提供日益受人瞩目。随着OpenStack项目的出现，云平台的创新也越来越容易。最初 OpenStack项目由instance管理项目(Nova)，object存储项目(Swift)和image repository项目(Glance)组成，网路部分由Nova提供flat network配置和VLAN隔离，并没有受到太多关注。这种简单的网络能力使得租户很难设立多级网络(flat networking模式)，同时没有扩展性可言。
从Quantum项目开始，OpenStack在接口设备(比如vNIC)间提供&网络连接即服务&。Quantum使得租户可以轻松建立虚拟网络，模块化的架构和标准的API可方便实现防火墙和ACL的Plugin。在大量涌现的Plugin中，和网络最相关的就是OpenFlow控制器RYU 的plugin，但是RYU开源的Plugin缺乏云计算最基本的特性：扩展性。本项目将为Quantum设计一个更具扩展性的openflow plugin，同时利用SDN的集中控制，我们还会演示基于控制器的虚机迁移应用。
二、实现方法
Floodlight是基于Java的OpenFlow控制器，来源于Stanford大学最早开发的Beacon控制器(另一个最早的控制器是 NOX)，本项目选择Floodlight是因为它是一款相对简单又具有较高性能的控制器，不过本项目采用的方法可同样适用于其它控制器。
OpenFlow开源控制器RYU提供和本项目类似的Plugin，实现了逻辑上的集中控制和API，便于创建新的网络管理和控制应用。RYU进行租户的2层网络隔离不是通过VLAN，而是为VM内部通信建立单独的流，有实验表明这种方法在数据中心网络不具有扩展性，因为它会很快耗尽交换机的内存资源。
我们基于Floodlight为Quantum开发一款扩展性更好的OpenFlow Plugin。最初选择Floodlight是因为它是一款高性能的企业级控制器(译注：非常遗憾Floodlight已经停止更新)。不过本项目的方法可以很容易应用于其他标准的OpenFlow控制器。
我们的Plugin将来自Quantum API的建立/更新/删除网络资源的请求传递给底层网络。除了Plugin，每一个Nova VM会加载一个Agent用来处理该VM的虚拟接口的创建，并将它们与Quantum网络对接。我们的方案利用支持OpenFlow的 OpenvSwitch(OVS)来提供Quantum所需的底层网络，并通过Floodlight控制器对OVS进行配置。
为Quantum提供OpenFlow控制器Plugin的最大挑战就是扩展性。RYU开源的Plugin为所有的VM间流量创建流，当流的数目超过OpenFlow交换机TCAM支持的最大条目后扩展性就会成为问题。
本方法采用更具有扩展性的VLAN方案对租户网络进行隔离。我们知道VLAN同样有扩展性的限制，因此，后续方案开发可以考虑新的封装协议比如VXLAN。
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