一種支持包頭壓縮的工業SDN網絡數據傳輸方法與系統技術方案

本發明專利技術公開了一種支持包頭壓縮的工業SDN網絡數據傳輸方法與系統。方法包括：傳輸準備階段，邊緣交換機接收數據并轉發給控制器，控制器為非實時數據分配標識ID，并將分配結果以流表的形式發送給傳輸路徑上的交換機；數據傳輸階段，邊緣交換機對實時數據直接進行轉發操作；對非實時數據進行包頭壓縮/解壓縮，并在包頭加入/去除標識ID后進行轉發。核心交換機對實時數據匹配L2層包頭信息，對非實時數據匹配標識ID，按照匹配流表進行轉發。系統包括：能夠實現對數據包頭的壓縮/解壓縮和標識添加/去除功能的控制器和交換機。本發明專利技術能夠節省帶寬開銷和數據轉發速度，提高數據傳輸效率，為工業網絡的實時數據傳輸預留更多的網絡資源，提高工業網絡的整體傳輸性能。

Data transmission method and system for industrial SDN network supporting Baotou compression

The invention discloses an industrial SDN network data transmission method and system supporting the compression of Baotou. The transmission method includes: preparation stage, edge switch data received and forwarded to the controller, the controller for non real time data distribution identification ID, and distribution of the results to send flow forms to the transmission path switch; the data transmission phase, edge switches and real-time data forwarding operations directly; Baotou compression / decompression of non real time data, and in Baotou, adding / removing mark ID after forwarding. The core switch matches the data of the L2 layer on the real time data, matches the non real time data, identifies the ID, and forwards it according to the matching flow table. The system consists of a controller and a switch that can perform compression / decompression and identification, addition, and removal of data Baotou. The invention can save bandwidth cost and data forwarding speed, improve data transmission efficiency, reserve more network resources for the real-time data transmission of the industrial network, and improve the overall transmission performance of the industrial network.

【技術實現步驟摘要】
一種支持包頭壓縮的工業SDN網絡數據傳輸方法與系統
本專利技術涉及網絡
，更具體的說是涉及一種支持包頭壓縮的工業SDN網絡數據傳輸方法與系統。
技術介紹
隨著互聯網技術的發展，工業信息互聯和設備IP化逐漸成為未來工業網絡的發展方向。IP協議的頭部有大量的冗余信息，降低了信道利用率。對于信道帶寬有限的網絡和多種復雜頭部的新協議的廣泛使用，問題就變得更加突出。例如,一個基于TCP/IPv4協議的應用，其基本包頭長度為40字節，當使用IPv6后，包頭長度增加到60字節。而在工業網絡中，傳輸的數據往往是溫度、壓力等傳感數據，有效的數據負載只有幾個字節，相對于幾十字節的包頭而言，有效負載的傳輸效率非常低。因此，對于此類數據的傳輸，希望能利用有限的帶寬資源，提高有效傳輸效率。目前一種廣泛采用的方式是采用頭部壓縮技術來減小IP協議封裝引入的額外開銷。軟件定義網絡(SDN)是目前一種新型網絡創新架構，將網絡管理與物理網絡拓撲分離，擺脫硬件對網絡架構的限制，這樣用戶便可以像升級、安裝軟件一樣對網絡進行修改，而底層的數據層設備，如交換機、路由器等硬件則無需替換，節省大量的成本的同時，為核心網絡及應用的創新提供了良好的平臺。SDN網絡固有的網絡架構和“軟件”屬性可以方便的實現對交換機的控制和功能添加。但現有的SDN網絡協議(openflow)并沒有對數據包頭壓縮功能的支持，無法在SDN網絡中進行數據壓縮。而且SDN網絡的流表查找是基于包頭多元組的匹配，耗時長，降低了轉發速度。因此亟需改進。
技術實現思路
有鑒于此，本專利技術提供一種支持包頭壓縮的工業SDN網絡數據傳輸方法與系統，通過對數據包包頭進行壓縮和標識，能夠節省帶寬開銷和數據轉發速度，提高數據傳輸效率，從而提高工業網絡的整體傳輸性能。本專利技術為實現上述目的所采用的技術方案是：一種基于包頭壓縮的工業SDN網絡數據傳輸方法，包括以下步驟：傳輸準備階段：邊緣交換機接收數據，并將所述數據轉發給控制器；控制器根據所述數據包頭信息分配傳輸路徑，為非實時數據分配標識ID，并將分配結果以流表的形式發送給所述傳輸路徑上的交換機；所述傳輸路徑上的交互機接收控制器發送的流表并存儲在本地的流表存儲單元；數據傳輸階段，邊緣交換機區分接收到的數據的協議類型，對于實時數據，直接進行轉發操作；對于非實時數據，進行包頭壓縮/解壓縮，并在包頭加入/去除標識ID后進行轉發；核心交換機區分接收到的數據的協議類型，實時數據匹配L2層包頭信息，非實時數據匹配標識ID，按照匹配流表進行轉發。所述傳輸準備階段，包括以下步驟：Ingress邊緣交換機接收數據，并將所述數據轉發給控制器。控制器接收Ingress邊緣交換機發送來的數據，對所述數據的包頭進行解析，提取數據包的L2層源/目的地址、協議類型；根據所述數據包的協議類型判斷數據是否為非實時數據，如果是實時數據，則根據L2層源/目的地址為其分配傳輸路徑；如果為非實時數據，則繼續提取L2層以上各層包頭信息，根據L2層源/目的地址和其他層次包頭信息分配所述數據包的傳輸路徑，并分配標識ID；將所述傳輸路徑和標識ID的分配的結果轉換成流表形式，并分別為所述傳輸路徑上的交換機生成流表項；將所述流表項分發到所述傳輸路徑上的各交換機；所述各交換機接收控制器發送來的流表項并存儲在本地流表存儲單元內，以供數據傳輸階段使用。所述非實時數據的流表項包括：包頭域，包括：數據入端口、MAC源地址、MAC目的地址、協議類型、標識ID、預留元組；計數器域，與原Openflow協議相同；行動域，在原Openflow協議基礎上添加操作：壓縮、解壓縮、添加標識ID、去除標識ID。所述行動域添加的操作的組成結構為：Compress壓縮操作：壓縮操作類型號+壓縮方式；UnCompress解壓縮操作：解壓縮操作類型號+解壓縮方式+原包頭內容；Add_ID添加標識ID：添加標識ID操作類型號+標識ID；Remove_ID去除標識ID：去除標識ID操作類型號。所述數據傳輸階段，包括Ingress邊緣交換機處理方法、核心交換機處理方法和Egress邊緣交換機處理方法；所述Ingress邊緣交換機處理方法包括：Ingress邊緣交換機接收數據，對所述數據進行包頭解析，提取L2層包頭的源/目的地址、數據協議類型；根據所述數據協議類型進行數據包類別判斷，是實時數據或者非實時數據；如果是實時數據，則將所述源/目的地址作為包頭匹配的key，在本地流表存儲單元中查找匹配的流表項；如果是非實時數據，則繼續提取L2層以上各層包頭信息作為包頭匹配的key，在本地流表存儲單元中查找匹配的流表項；對于沒有找到匹配流表項的數據，將所述數據轉發給控制器，進入傳輸準備階段流程；對于找到流表項的非實時數據，壓縮L2層以上的包頭，并將所述匹配流表項中action指示的標識ID加入到包頭中作為轉發標識，然后按照流表項中action指示端口轉發給核心交換機；對于找到流表項的實時數據，直接按照流表項中action指示端口轉發給核心交換機；所述核心交換機處理方法包括：核心交換機接收數據，對所述數據進行包頭解析，提取L2層包頭的源/目的地址、數據協議類型；根據所述數據協議類型進行數據包類別判斷，是實時數據或者非實時數據；如果是實時數據，則將所述源/目的地址作為包頭匹配的key；如果是非實時數據，則提取標識ID作為包頭匹配的key；根據提取的所述包頭匹配的key在本地流表單元中查找匹配的流表項，并按照流表項中action指示進行轉發；所述Egress邊緣交換機處理方法包括：Egress邊緣交換機接收數據，對所述數據進行包頭解析，提取L2層包頭的源/目的地址、數據協議類型；根據所述數據協議類型進行數據包類別判斷，是實時數據或者非實時數據；如果是實時數據，則將所述源/目的地址作為包頭匹配的key，在本地流表單元中查找匹配的流表項，按照流表項中action指示進行轉發；如果是非實時數據，則繼續提取標識ID作為包頭匹配的key，在本地流表單元中查找匹配的流表項，按照流表項中action指示去除包頭中標識ID，解壓縮L2層以上的包頭，后轉發。所述壓縮/解壓縮方法為：Ingress邊緣交換機借助壓縮算法使數據包頭所占用字節減少，在數據包傳輸過程中攜帶壓縮后的包頭，到Egress邊緣交換機處再解壓縮成原數據包；或，在Ingress邊緣交換機將要壓縮的數據包頭完全去除，傳遞過程中攜帶信息減少，到Egress邊緣交換機處再將去除的包頭還原。一種基于包頭壓縮的工業SDN網絡數據傳輸系統，包括：控制器，用于對整體數據傳輸系統進行管理和傳輸控制，接收交換機發送的數據傳輸請求，為其分配數據傳輸路徑和轉發標識；交換機，用于傳輸數據，根據控制器分配的轉發標識和傳輸路徑，對數據進行壓縮/解壓縮、包頭修改和轉發。所述控制器，包括：第一數據包解析單元，用于對從交換機發送來的無匹配流表項的數據包進行解析，提取L2層包頭的源/目的地址、數據協議類型；第一類型判定單元，用于對所述數據包的數據協議類型進行判定，區分實時數據和非實時數據；第一包頭提取單元，用于對非實時數據的標識ID、L3層包頭信息進行提取；路徑分配單元，用于根據提取的所述包頭信息為數據包分配傳輸路徑，確定數據包傳輸經過本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于包頭壓縮的工業SDN網絡數據傳輸方法，其特征在于，包括以下步驟：傳輸準備階段：邊緣交換機接收數據，并將所述數據轉發給控制器；控制器根據所述數據包頭信息分配傳輸路徑，為非實時數據分配標識ID，并將分配結果以流表的形式發送給所述傳輸路徑上的交換機；所述傳輸路徑上的交互機接收控制器發送的流表并存儲在本地的流表存儲單元；數據傳輸階段，邊緣交換機區分接收到的數據的協議類型，對于實時數據，直接進行轉發操作；對于非實時數據，進行包頭壓縮/解壓縮，并在包頭加入/去除標識ID后進行轉發；核心交換機區分接收到的數據的協議類型，實時數據匹配L2層包頭信息，非實時數據匹配標識ID，按照匹配流表進行轉發。

【技術特征摘要】
1.一種基于包頭壓縮的工業SDN網絡數據傳輸方法，其特征在于，包括以下步驟：傳輸準備階段：邊緣交換機接收數據，并將所述數據轉發給控制器；控制器根據所述數據包頭信息分配傳輸路徑，為非實時數據分配標識ID，并將分配結果以流表的形式發送給所述傳輸路徑上的交換機；所述傳輸路徑上的交互機接收控制器發送的流表并存儲在本地的流表存儲單元；數據傳輸階段，邊緣交換機區分接收到的數據的協議類型，對于實時數據，直接進行轉發操作；對于非實時數據，進行包頭壓縮/解壓縮，并在包頭加入/去除標識ID后進行轉發；核心交換機區分接收到的數據的協議類型，實時數據匹配L2層包頭信息，非實時數據匹配標識ID，按照匹配流表進行轉發。2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述傳輸準備階段，包括以下步驟：Ingress邊緣交換機接收數據，并將所述數據轉發給控制器。控制器接收Ingress邊緣交換機發送來的數據，對所述數據的包頭進行解析，提取數據包的L2層源/目的地址、協議類型；根據所述數據包的協議類型判斷數據是否為非實時數據，如果是實時數據，則根據L2層源/目的地址為其分配傳輸路徑；如果為非實時數據，則繼續提取L2層以上各層包頭信息，根據L2層源/目的地址和其他層次包頭信息分配所述數據包的傳輸路徑，并分配標識ID；將所述傳輸路徑和標識ID的分配的結果轉換成流表形式，并分別為所述傳輸路徑上的交換機生成流表項；將所述流表項分發到所述傳輸路徑上的各交換機；所述各交換機接收控制器發送來的流表項并存儲在本地流表存儲單元內，以供數據傳輸階段使用。3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述非實時數據的流表項包括：包頭域，包括：數據入端口、MAC源地址、MAC目的地址、協議類型、標識ID、預留元組；計數器域，與原Openflow協議相同；行動域，在原Openflow協議基礎上添加操作：壓縮、解壓縮、添加標識ID、去除標識ID。4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述行動域添加的操作的組成結構為：Compress壓縮操作：壓縮操作類型號+壓縮方式；UnCompress解壓縮操作：解壓縮操作類型號+解壓縮方式+原包頭內容；Add_ID添加標識ID：添加標識ID操作類型號+標識ID；Remove_ID去除標識ID：去除標識ID操作類型號。5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述數據傳輸階段，包括Ingress邊緣交換機處理方法、核心交換機處理方法和Egress邊緣交換機處理方法；所述Ingress邊緣交換機處理方法包括：Ingress邊緣交換機接收數據，對所述數據進行包頭解析，提取L2層包頭的源/目的地址、數據協議類型；根據所述數據協議類型進行數據包類別判斷，是實時數據或者非實時數據；如果是實時數據，則將所述源/目的地址作為包頭匹配的key，在本地流表存儲單元中查找匹配的流表項；如果是非實時數據，則繼續提取L2層以上各層包頭信息作為包頭匹配的key，在本地流表存儲單元中查找匹配的流表項；對于沒有找到匹配流表項的數據，將所述數據轉發給控制器，進入傳輸準備階段流程；對于找到流表項的非實時數據，壓縮L2層以上的包頭，并將所述匹配流表項中action指示的標識ID加入到包頭中作為轉發標識，然后按照流表項中action指示端口轉發給核心交換機；對于找到流表項的實時數據，直接按照流表項中action指示端口轉發給核心交換機；所述核心交換機處理方法包括：核心交換機接收數據，對所述數據進行包頭解析，提取L2層包頭的源/目的地址、數據協議類型；根據所述數據協議類型進行數據包類別判斷，是實時數據或者非實時數據；如果是實時數據，則將所述源/目的地址作為包頭...

【專利技術屬性】
技術研發人員：曾鵬，俞雪婷，李棟，劉意楊，于海斌，
申請(專利權)人：中國科學院沈陽自動化研究所，
類型：發明
國別省市：遼寧,21