一種基于sdn的無線接入控制器部署方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于SDN的無線接入控制器部署方法，屬于無線通信網絡技術領域。所述部署方法中多個接入網域控制器負責處理與之直接相連的基站或接入點的流表建立或者更新請求；全局控制器運行于云平臺之上負責構建基于事件的發(fā)布和訂閱系統(tǒng)，并與每個接入網域控制器相連共同構成物理上分布、邏輯上集中的無線接入控制器部署架構。接入網域控制器通過北向協(xié)議與運行在接入網域控制器上的管理應用進行通信，通過南向協(xié)議與底層數據面進行通信。本發(fā)明既克服了傳統(tǒng)的單控制器集中控制存在的處理并發(fā)請求的時延問題，也保留了SDN的集中控制的思想帶來的優(yōu)點；本發(fā)明能夠進行全局的優(yōu)化調度；該部署方法具有很好的可擴展性和健壯性。
【專利說明】
一種基于SDN的無線接入控制器部署方法
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于無線通信網絡技術領域，涉及基于SDN的新型異構無線網絡、移動性管理、網絡架構等，具體涉及一種基于軟件定義網絡(SDN)的無線接入控制器的部署方法，應用于異構無線接入網絡中。
【背景技術】
[0002]隨著終端硬件計算能力的不斷提升以及終端能力的逐步開放，各種終端應用呈現爆發(fā)式的增長，網絡流量也呈現指數式增長。然而，無線接入網絡卻仍然處于十分封閉的狀態(tài)，控制邏輯和數據轉發(fā)緊密地耦合在網絡設備中，對網絡的管理和升級需要對網絡設備和協(xié)議進行復雜的配置和操作，封閉的無線接入網絡和泛在化的業(yè)務之間產生了一個巨大的矛盾。與此同時，多種無線網絡共同部署為用戶提供了多種接入方式選擇，但是，各種無線接入網絡之間缺乏高效的協(xié)作以及一致性網絡資源管理和調度。因此，需要在不同無線接入網絡之間建立統(tǒng)一的網絡管理平臺，實現異構接入網絡之間的高效協(xié)作和管理。
[0003]軟件定義網絡(SDN)為異構無線網絡融合及管理提供了新的方法，通過將SDN的理念引入到無線接入網絡中，將網絡設備的控制功能和數據轉發(fā)分離，抽象無線網絡資源，構建基于通用平臺的數據面和集中管理的控制面，能夠有效地解決現在無線接入網絡面臨的問題，實現無線接入網絡能力的開放以及異構無線網絡的統(tǒng)一管理。
[0004]在基于SDN的無線網絡部署過程中，主要涉及控制面與數據面功能的分離、控制器架構設計、控制面與數據面設備選型等流程，其中，設計一種高效的控制器部署架構尤為重要。傳統(tǒng)的SDN控制器架構是一種完全集中式的部署架構，由統(tǒng)一的集中控制器負責處理底層數據面設備的流表配置請求，然而這種控制器架構存在可擴展性、處理并發(fā)請求時延方面的瓶頸(見參考文獻[I]:Yeganeh，S.H.，et al.0n Scalability of Software-DefinedNetworking.Communicat1ns Magazine,2013,IEEE.)，主要原因有:(I)單一的控制器應用于大規(guī)模網絡之中時，難以找到一個合適的部署位置，不能滿足所有底層數據面設備與控制器間的時延要求；(2)單一控制器在處理大規(guī)模數據面設備并發(fā)請求時，因硬件處理能力的限制，可能無法滿足網絡需求。也有研究人員提出了改進型的分布式SDN架構，比如Nicira公司提出一種SDN部署架構Fabric(見參考文獻[2]: Casado ,M., et al.Fabric:aretrospective on evolving SDN.1n Proceedings of the first workshop on Hottopics in software defined networks.2012.ACM)，該架構中將數據面分為邊緣轉發(fā)設備和Fabric轉發(fā)設備，并用不同的控制器分別進行控制，Fabric控制器只負責制定核心數據轉發(fā)策略，而邊緣控制器制定更多具體的控制策略。這種控制器部署方法一定程度上避免了可擴展性和處理時延方面的問題，但是控制器沒有網絡的全局視圖，降低了SDN的集中式控制帶來的優(yōu)勢。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明提供的基于SDN的無線接入控制器部署方法，基于SDN的基本思想，通過將無線接入網中的控制與數據轉發(fā)功能分離。所述的無線接入控制器包括一個全局控制器和多個接入網域控制器的部署，所述接入網域控制器連接異構的無線接入網絡數據面的基站或接入點，并負責處理與其直接相連的數據面發(fā)起的請求;每個接入網域控制器可以通過與其他接入網域控制器進行通信的方式間接地詢問和管理不與之直接相連的數據面基站或接入點;所述全局控制器運行在云平臺之上，負責組建基于事件的發(fā)布和訂閱系統(tǒng)，接入網域控制器通過該發(fā)布和訂閱系統(tǒng)更新所控制區(qū)域的系統(tǒng)狀態(tài);全局控制器從接入網域控制器獲取網絡的負載信息和流量信息并構建全網的網絡視圖，并定期的下發(fā)給接入網域控制器。
[0006]本發(fā)明避免了采用單一接入網域控制器對無線接入網絡進行控制的局限性，而且通過每個接入網域控制器為每個用戶流提供本地服務，可以有效減少跨域流量的產生，降低了處理時延，同時全局控制器構建并下發(fā)全網的網絡視圖，能夠實現負載均衡和全網資源優(yōu)化。
[0007]本發(fā)明提供的一種基于SDN的無線接入控制器部署方法，包括以下步驟:
[0008]步驟1:多個接入網域控制器組成物理上分布式的異構無線接入網的底層控制面，并且每個接入網域控制器負責處理與之直接相連的基站或接入點的流表建立或者更新請求。
[0009]步驟2:全局控制器運行于云平臺之上負責構建基于事件的發(fā)布和訂閱系統(tǒng)，并與每個接入網域控制器相連共同構成物理上分布、邏輯上集中的無線接入控制器部署架構。
[0010]步驟3:全局控制器及其所構建的發(fā)布和訂閱系統(tǒng)與底層接入網域控制器之間通過特定的接口進行通信，獲取各個接入網域控制器的負載信息和流量信息來構建全網的網絡視圖。
[0011]步驟4:接入網域控制器通過北向協(xié)議與運行在接入網域控制器上的管理應用進行通信，通過南向協(xié)議與由基站或接入點的轉發(fā)設備組成的底層數據面進行通信。
[0012]所述的每個接入網域控制器上都運行相同的管理應用，所述的管理應用包含狀態(tài)感知模塊、資源抽象模塊和多個接入網管理應用。狀態(tài)感知模塊負責感知由基站或接入點組成的無線接入網絡的狀態(tài)信息，資源抽象模塊負責將異構無線網絡資源抽象為便于統(tǒng)一管理的虛擬資源格式的抽象異構無線資源信息，接入網域控制器上的管理應用通過北向協(xié)議可以獲取無線接入網絡的狀態(tài)信息和抽象異構無線資源信息，并制定控制策略。
[0013]所述無線接入網絡的狀態(tài)信息包含負載信息、用戶位置信息和流量信息，接入網域控制器根據這些狀態(tài)信息制定的控制策略包含負載均衡策略、移動性管理策略、節(jié)能策略中、QoS保障策略、異構網絡資源分配策略中的至少一種。
[0014]多個接入網域控制器通過全局控制器構建的發(fā)布和訂閱系統(tǒng)進行通信，并選擇性的發(fā)布能夠改變所控制區(qū)域系統(tǒng)狀態(tài)的重要事件，來使每個接入網域控制器的狀態(tài)實現更新，每個接入網域控制器都具有全網的網絡視圖。
[0015]每個接入網域控制器只直接控制與之鄰近并直接相連的基站或接入點，并能夠通過發(fā)布和訂閱系統(tǒng)間接地詢問和管理其他基站或接入點，一旦出現接入網域控制器故障，受影響的基站或接入點可以通過特定的接口進行重配置從而與相鄰的活躍的接入網域控制器建立連接。
[0016]所述步驟2中，全局控制器構建發(fā)布和訂閱系統(tǒng)的方法為:
[0017]步驟21:全局控制器將已經發(fā)布的控制指令永久性存儲于位于云平臺上的數據中心，并且對同一接入網域控制器發(fā)布的控制指令進行排序和分類存儲，因此具有對網絡進行分割和故障恢復的能力。
[0018]步驟22:該發(fā)布和訂閱系統(tǒng)通過三個信道來進行控制指令的傳輸:應用消息信道、狀態(tài)消息信道、控制器專有信道。所有全局控制器和接入網域控制器都能夠向所述三個信道發(fā)布事件消息和控制消息并從上述三個信道接收訂閱事件消息和控制消息，每個接入網域控制器將一般的與之直接相連的本地網絡和應用的事件消息發(fā)布到應用消息信道;每個接入網域控制器擁有各自的控制器專有信道，對于某個特定控制器的事件消息和控制消息發(fā)布在相應控制器專有信道;此外，每個接入網域控制器必須周期性地將自己的狀態(tài)信息發(fā)布于狀態(tài)消息信道以保證新接入的接入網域控制器的檢測和故障的識別。
[0019]步驟23:接入網域控制器的接入控制和故障檢測和處理由所述的發(fā)布和訂閱系統(tǒng)來完成。若存在一個新的接入網域控制器接入或者當前某一個接入網域控制器發(fā)生故障，全局控制器會在控制器專有信道檢測到該事件消息，通知所有接入網域控制器，并通過特定的接口將發(fā)生故障的接入網域控制器所控制的基站或接入點轉由相鄰的接入網域控制器進行管理。
[0020]所述步驟3中，全局控制器根據接入網域控制器上傳的狀態(tài)信息構建全局的網絡視圖，并基于此制定負載均衡和資源優(yōu)化策略，下發(fā)所述的負載均衡和資源優(yōu)化策略到接入網域控制器;所述接入網域控制器根據全局控制器下發(fā)的所述的負載均衡和資源優(yōu)化策略對所控制的基站或接入點的業(yè)務進行調整，所述調整包含下面操作中的一種:創(chuàng)建、刪除、查詢、修改。
[0021]本發(fā)明一種基于SDN的無線接入控制器部署方法的優(yōu)點在于:
[0022](I)本發(fā)明采用了物理上分布、邏輯上集中的兩層控制器架構。既克服了傳統(tǒng)的單控制器集中控制存在的處理并發(fā)請求的時延問題，也保留了 SDN的集中控制的思想帶來的優(yōu)點，該控制器部署方法能夠進行全局的優(yōu)化調度；
[0023](2)本發(fā)明中的全局控制器負責構建和維護基于事件的發(fā)布和訂閱系統(tǒng)，并構建全網的網絡視圖下發(fā)至底層接入網域控制器。該部署方法具有很好的可擴展性和健壯性，當有新的接入網域控制器接入網絡或某個接入網域控制器出現故障時，其他控制器會通過訂閱和發(fā)布系統(tǒng)檢測到狀態(tài)信息，并進行狀態(tài)更新；
[0024](3)本發(fā)明中全局控制器所構建的發(fā)布和訂閱系統(tǒng)采用應用消息信道、狀態(tài)消息信道、控制器專有信道這三個特定的信道來傳送不同的事件消息，保證了全局控制器和接入網域控制器對系統(tǒng)狀態(tài)的準確實時的監(jiān)測，使整個無線接入網絡系統(tǒng)具有很高的可靠性；
[0025](4)本發(fā)明中的接入網域控制器具有網絡狀態(tài)感知模塊和異構資源抽象模塊，并運行多種管理應用來實現網絡控制。網絡狀態(tài)感知模塊能夠感知多連接的無線局域網絡的實時狀態(tài)并發(fā)布到全局控制器，異構資源抽象模塊將異構無線資源抽象成為統(tǒng)一格式的虛擬資源，因此接入網域控制器能夠實現對異構無線網絡的統(tǒng)一管理。
【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明基于SDN的無線接入網絡控制器部署架構示意圖；
[0027]圖2為本發(fā)明中數據面設備流表配置流程圖；
【具體實施方式】
[0028]本發(fā)明提供一種基于SDN的無線接入控制器部署方法。該部署方法基于SDN的基本思想，通過將無線接入網中的控制與數據轉發(fā)功能分離，所述的無線接入控制器包括一個全局控制器和多個接入網域控制器。所述全局控制器運行于云平臺之上，負責組建基于事件的發(fā)布和訂閱系統(tǒng)，接入網域控制器通過該發(fā)布和訂閱系統(tǒng)更新所控制區(qū)域的系統(tǒng)狀態(tài);全局控制器從接入網域控制器獲取網絡的負載信息和流量信息并構建全網的網絡視圖，并定期的下發(fā)給接入網域控制器。
[0029]本發(fā)明避免了采用單一接入網控制器對網絡進行控制的局限性，而且通過每個接入網域控制器為每個用戶流提供本地服務，可以有效減少跨域流量的產生，降低了處理時延，同時全局控制器構建并下發(fā)全網的網絡視圖，能夠實現負載均衡和全網資源優(yōu)化。
[0030]本發(fā)明提供的一種基于SDN的無線接入控制器部署方法，分以下步驟:
[0031]步驟1:多個接入網域控制器組成物理上分布式的異構無線接入網的底層控制面，并且每個接入網域控制器負責處理與之直接相連的基站或接入點的流表建立或者更新請求；
[0032]所述接入網域控制器作為整個部署架構的底層控制面，與之相連的基站或接入點作為負責數據轉發(fā)的底層數據面；
[0033]步驟2:全局控制器運行于云平臺之上，負責構建基于事件的發(fā)布和訂閱系統(tǒng)，并與每個接入網域控制器相連共同構成物理上分布、邏輯上集中的無線接入控制器部署架構；
[0034]步驟3:全局控制器及其所構建的發(fā)布和訂閱系統(tǒng)與底層接入網域控制器之間通過特定的接口進行通信，獲取各個接入網域控制器的負載信息和流量信息等來構建全網的網絡視圖；
[0035]步驟4:接入網域控制器通過北向協(xié)議與運行于它上面的管理應用進行通信，通過南向協(xié)議與底層數據面進行通信；
[0036]所述步驟I中，每個接入網域控制器都運行相同的管理應用，包含狀態(tài)感知模塊、資源抽象模塊、以及多個接入網管理應用。狀態(tài)感知模塊負責感知底層異構接入網絡的狀態(tài)信息，資源抽象模塊負責將異構無線網絡資源抽象為便于統(tǒng)一管理的虛擬資源格式，上層管理應用通過北向協(xié)議可以獲取無線接入網絡的狀態(tài)信息和抽象異構無線資源信息，并制定控制策略；
[0037]所述狀態(tài)信息包含負載信息、用戶位置信息、流量信息，接入網域控制器根據這些狀態(tài)信息制定的控制策略包含負載均衡策略、移動性管理策略、節(jié)能策略中、QoS保障策略、異構網絡資源分配策略中的至少一種；
[0038]所述步驟I中，多個接入網域控制器通過全局控制器構建的發(fā)布和訂閱系統(tǒng)進行通信，并選擇性的發(fā)布能夠改變系統(tǒng)狀態(tài)的重要事件，來使每個接入網域控制器的狀態(tài)實現更新，每個接入網域控制器都具有全網的網絡視圖；
[0039]所述步驟I中，每個接入網域控制器只直接控制與之鄰近并直接相連的基站或接入點，并能夠通過發(fā)布和訂閱系統(tǒng)間接地詢問和管理其他基站或接入點，一旦出現控制器故障，受影響的基站或接入點可以通過特定的接口進行重配置從而與相鄰的活躍的接入網域控制器建立連接；
[0040]所述步驟2中，全局控制器構建發(fā)布和訂閱系統(tǒng)的方法為:
[0041]步驟21:將已經發(fā)布的控制指令永久性存儲于位于云服務器上的數據中心，并且對同一控制器發(fā)布的指令進行排序和分類存儲，因此具有對網絡進行分割和故障恢復的能力；
[0042]步驟22:該發(fā)布和訂閱系統(tǒng)通過三個信道來進行控制消息的傳輸:應用消息信道、狀態(tài)消息信道、控制器專有信道。所有控制器都能夠向所述三個信道發(fā)布消息并從上述三個信道接收訂閱消息，每個接入網域控制器將一般的與之直接相連的本地網絡和應用的事件消息發(fā)布到應用消息信道;每個控制器擁有各自的控制器專有信道，對于某個特定控制器的事件消息和控制消息發(fā)布在相應控制器專有信道;此外，每個接入網域控制器必須周期性地將自己的狀態(tài)信息發(fā)布于控制信道以保證新接入的域控制器的檢測和故障的識別；
[0043]步驟23:接入網域控制器的接入控制和故障檢測和處理由發(fā)布和訂閱系統(tǒng)來完成。若存在一個事件消息，如新的接入網域控制器接入或者某一個接入網域控制器發(fā)生故障，該發(fā)布和訂閱系統(tǒng)會在控制信道檢測到該事件消息，并通知所有接入網域控制器，并通過特定接口將發(fā)生故障的接入網域控制器所控制的基站或接入點轉由相鄰的接入網域控制器進行管理；
[0044]所述步驟3中，全局控制器根據接入網域控制器上傳的狀態(tài)信息構建全網網絡視圖，并基于此制定負載均衡和資源優(yōu)化策略，下發(fā)全網的網絡視圖和所述的負載均衡和資源優(yōu)化策略到接入網域控制器;所述接入網域控制器根據全局控制器下發(fā)的全網的網絡視圖和所述的負載均衡和資源優(yōu)化策略對所控制的基站或接入點的業(yè)務進行調整，所述調整包含下面操作中的一種:創(chuàng)建、刪除、查詢、修改。
[0045]以下為本發(fā)明的具體實施例。
[0046]圖1是本發(fā)明基于SDN的無線接入網絡控制器部署架構，采用了物理上分布式的接入網域控制器和位于云平臺的全局控制器共同組成邏輯集中的架構，每個接入網域控制器負責管理與之直接相連的異構無線網絡基站或接入點。
[0047]分層來看，該架構分為三層，所有的底層基站eNodeB或接入點WIFi構成底層數據面，所有的接入網域控制器組成底層控制面，位于云平臺之上的全局控制器和數據中心作為決策面，負責構建發(fā)布和訂閱系統(tǒng)、向接入網域控制器下發(fā)全網的網絡視圖和控制指令。底層控制面通過狀態(tài)感知模塊來獲取底層異構接入網絡的狀態(tài)信息，通過資源抽象模塊將異構無線資源抽象為統(tǒng)一的虛擬資源，二者通過南向協(xié)議通信;控制面管理應用(App)通過北向協(xié)議獲取狀態(tài)信息以及對網絡資源進行管理調度。同時，所有的接入網域控制器通過全局控制器構建的基于事件的發(fā)布和訂閱系統(tǒng)進行控制消息的傳輸和網絡級控制能力的同步。
[0048]圖2是數據面設備流表配置流程圖。當用戶數據包到達數據面基站或接入點時，它會查詢是否存在該數據流所需的流表信息，若存在則按照該流表進行轉發(fā)，若不存在則基站或接入點會通過南向協(xié)議向接入網域控制器發(fā)送流表配置請求，接入網域控制器收到請求后查詢目的地址是否可達，若該地址可達則向基站或接入點下發(fā)流表配置響應，若不可達則拒絕該配置請求。
【主權項】
1.一種基于SDN的無線接入控制器部署方法，其特征在于:所述的無線接入控制器包括一個全局控制器和多個接入網域控制器的部署，所述的部署方法，包括以下步驟: 步驟1:多個接入網域控制器組成物理上分布式的異構無線接入網的底層控制面，并且每個接入網域控制器負責處理與之直接相連的基站或接入點的流表建立或者更新請求； 步驟2:全局控制器運行于云平臺之上負責構建基于事件的發(fā)布和訂閱系統(tǒng)，并與每個接入網域控制器相連共同構成物理上分布、邏輯上集中的無線接入控制器部署架構； 步驟3:全局控制器及其所構建的發(fā)布和訂閱系統(tǒng)與底層接入網域控制器之間通過特定的接口進行通信，獲取各個接入網域控制器的負載信息和流量信息來構建全網的網絡視圖； 步驟4:接入網域控制器通過北向協(xié)議與運行在接入網域控制器上的管理應用進行通信，通過南向協(xié)議與由基站或接入點的轉發(fā)設備組成的底層數據面進行通信。2.根據權利要求1所述的一種基于SDN的無線接入控制器部署方法，其特征在于:所述的每個接入網域控制器上都運行相同的管理應用，所述的管理應用包含狀態(tài)感知模塊、資源抽象模塊和多個接入網管理應用;狀態(tài)感知模塊負責感知由基站或接入點組成的無線接入網絡的狀態(tài)信息，資源抽象模塊負責將異構無線網絡資源抽象為便于統(tǒng)一管理的虛擬資源格式的抽象異構無線資源信息，接入網域控制器上的管理應用通過北向協(xié)議獲取無線接入網絡的狀態(tài)信息和抽象異構無線資源信息，并制定控制策略。3.根據權利要求2所述的一種基于SDN的無線接入控制器部署方法，其特征在于:所述的無線接入網絡的狀態(tài)信息包含負載信息、用戶位置信息和流量信息，接入網域控制器根據這些狀態(tài)信息制定的控制策略包含負載均衡策略、移動性管理策略、節(jié)能策略中、QoS保障策略、異構網絡資源分配策略中的至少一種。4.根據權利要求1所述的一種基于SDN的無線接入控制器部署方法，其特征在于:所述的每個接入網域控制器只直接控制與之鄰近并直接相連的基站或接入點，并能夠通過發(fā)布和訂閱系統(tǒng)間接地詢問和管理其他基站或接入點，一旦出現接入網域控制器故障，受影響的基站或接入點通過特定的接口進行重配置從而與相鄰的活躍的接入網域控制器建立連接。5.根據權利要求1所述的一種基于SDN的無線接入控制器部署方法，其特征在于:所述的全局控制器構建發(fā)布和訂閱系統(tǒng)的方法為: 步驟21:全局控制器將已經發(fā)布的控制指令永久性存儲于位于云平臺上的數據中心，并且對同一接入網域控制器發(fā)布的控制指令進行排序和分類存儲； 步驟22:每個接入網域控制器將與之直接相連的本地網絡和應用的事件消息發(fā)布到應用消息信道;每個接入網域控制器擁有各自的控制器專有信道，對于某個特定控制器的事件消息和控制消息發(fā)布在相應控制器專有信道;此外，每個接入網域控制器必須周期性地將自己的狀態(tài)信息發(fā)布于狀態(tài)消息信道以保證新接入的接入網域控制器的檢測和故障的識別； 步驟23:若存在一個新的接入網域控制器接入或者當前某一個接入網域控制器發(fā)生故障，全局控制器會在控制器專有信道檢測到該事件消息，通知所有接入網域控制器并通過特定的接口將發(fā)生故障的接入網域控制器所控制的基站或接入點轉由相鄰的接入網域控制器進行管理。6.一種基于SDN的無線接入控制器部署架構，其特征在于:采用了物理上分布式的接入網域控制器和位于云平臺的全局控制器共同組成邏輯集中的架構，每個接入網域控制器負責管理與之直接相連的異構無線網絡基站或接入點； 所有的底層基站或接入點構成底層數據面，所有的接入網域控制器組成底層控制面，位于云平臺之上的全局控制器和數據中心作為決策面，負責構建發(fā)布和訂閱系統(tǒng)、向接入網域控制器下發(fā)全網的網絡視圖和控制指令;底層控制面通過狀態(tài)感知模塊來獲取底層異構接入網絡的狀態(tài)信息，通過資源抽象模塊將異構無線資源抽象為統(tǒng)一的虛擬資源，二者通過南向協(xié)議通信;控制面管理應用通過北向協(xié)議獲取狀態(tài)信息以及對網絡資源進行管理調度；同時，所有的接入網域控制器通過全局控制器構建的基于事件的發(fā)布和訂閱系統(tǒng)進行控制消息的傳輸和網絡級控制能力的同步。
【文檔編號】H04W16/18GK105915419SQ201610407292
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月12日
【發(fā)明人】馬璐, 路兆銘, 溫向明, 王魯晗, 劉唯毓, 管婉青
【申請人】北京郵電大學