ЧАСТИЧНАЯ ЗАМЕНА КОММУТАТОРА ПРОГРАММНО-КОНФИГУРИРУЕМОЙ СЕТИ В IP СЕТЯХ
PARTIAL REPLACEMENT OF THE SWITCH OF THE PROGRAM-CONFIGURABLE NETWORK IN IP NETWORKS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0001] Заявленное изобретение относится к гибридным сетям. В частности, он предоставляет механизмы для частичной интеграции устройств построения программно задаваемых сетей (SDN) в обычных IP инфраструктурах, для того чтобы достигать потенциальных преимуществ SDN для обеспечения быстрого восстановления после отказа и балансировки нагрузки после восстановления в доминирующих обычных IP сетях.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Продолжающееся развитие и интеграция компьютерных сетей имеет результатом компьютеризированные сети, становящиеся основой современной связи. Тем не менее, несмотря на огромный рост, как небольшие, так и крупномасштабные компьютерные сети по-прежнему подвержены прерываниям обслуживания и отказам (вследствие, например, неумышленного повреждения кабеля, ошибок интерфейсной карты, серьезных ошибок программного обеспечения и ошибок в конфигурации, и т.д.). Обычные компьютерные сети обычно используют модель организации сети и протоколы связи, определяемые набором протоколов, общеизвестным как TCP/IP.
[0003] Эти обычные сети, также известные как сети интернет-протокола (IP), обычно придерживаются топологии, которая включает в себя множество узлов, таких как оборудование передачи данных (“DCE)”), как коммутаторы и маршрутизаторы, или терминальное оборудование данных, такое как компьютеры, серверы, мобильные устройства. В обычных сетях, как DCE, так и DTE могут адресоваться отдельно в сети и взаимно соединяться линиями связи. Данные передаются через сеть, будучи маршрутизированными, через одну или более линий связи до тех пор, пока они не достигнут узла в адресе назначения. Отказы сети происходят, когда сетевой узел или линия связи является ненадежной либо иначе неспособной или обрабатывать и/или передавать данные в следующий узел вдоль маршрута.
[0004] Обычные IP сети используют множество способов, чтобы помогать в восстановлении после отказов сети. К сожалению, обычные способы восстановления (такие как повторное вычисление кратчайшего пути, быстрая перемаршрутизация IP и т.д.) обычно не могут обеспечить достаточное покрытие всем возможным поврежденным узлам или линиям связи в сети. Более сложные способы могут обеспечивать достаточное покрытие, но при обмене могут быть неприемлемо разрушительными и недопустимо сложными. Кроме того, сходимость к резервным ресурсам может быть проблематичной или трудоемкой, и еще хуже, эти типы решений могут достигать только локально оптимальных решений, которые, несомненно, могли бы иметь результатом новые перегрузки в сети, в тоже время, не давая использовать некоторые ресурсы вследствие их распределенного характера.
[0005] Построение программно конфигурируемых сетей (SDN) является подходом к построения сетей передачи данных/компьютерных сетей, который разделяет первичные функции обычной инфраструктуры компьютерной сети. Согласно решениями SDN, механизм для принятия решений маршрутизации трафика сети (плоскость управления) отделяется от систем, которые выполняют фактическую передачу трафика своим предполагаемым адресатам (плоскость данных). Отделение плоскости управления от плоскости данных предусматривает централизацию управляющей логики с глобальным видом статуса сети и статистических данных трафика, что, в конечном счете, имеет результатом значительно улучшенное использование ресурсов, эффективное администрирование политики и гибкое управление с существенно уменьшенной стоимостью.
[0006] Согласно многим осуществлениям SDN, сетевые устройства, по-прежнему, выполняют функции в плоскости данных, но эти функции, обычно выполняемые в плоскости управления, отделяются и обобщаются в логически центральный уровень/плоскость. OpenFlow (OF) является стандартизированным протоколом, используемым внешним контроллером сети (обычно сервером), чтобы устанавливать связь с сетевым устройством (обычно коммутатором сети) в сетях SDN. Протокол OF позволяет контроллеру определять то, как передаются пакеты в каждом сетевом устройстве SDN, а устройствам построения сети (таким как коммутаторы) сообщать в контроллер свой статус и/или статистические данные трафика. Хотя становится все более и более популярным, развертывание устройств SDN (например, коммутаторов SDN) обычно является постепенным процессом вследствие стоимости и труда, требуемых, чтобы заменять обязательные сетевые устройства интернет-протокола (IP) сетевыми устройствами, поддерживающими SDN. Кроме того, крупномасштабная замена существующих частей инфраструктуры, вероятно, могла бы иметь результатом серьезные нарушения обслуживания, если выполняется вся сразу.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0007] В качестве решения для типа проблем, упомянутых выше, это раскрытие предоставляет новые способы и системы для топологии сети, в которой IP сеть частично интегрируется и дополняется сетевыми устройствами, поддерживающими SDN-OF (или другую связь контроллер-коммутатор), чтобы предоставлять гибкую сеть, которая может быстро восстанавливаться после отказов сети в отдельных линиях связи или узлах, и выполняет балансировку нагрузки после восстановления, в то же время, минимизируя стоимость и сложность. С помощью замены очень ограниченного числа обычных IP узлов (таких как маршрутизаторы), коммутаторами, поддерживающими SDN-Openflow, это изобретение раскрывает новые сетевые архитектуры и способы, которые предусматривают сверхбыстрое и учитывающее балансировку нагрузки восстановление после отказа сети передачи данных.
[0008] В соответствии с аспектом изобретения, предоставлено устройство, которое управляет устройствами SDN-OF (такими как коммутаторы, поддерживающие SDN-OF), интегрированными в IP сети. В одном варианте осуществления описывается сетевое устройство, содержащее память и процессор. Память хранит множество программируемых инструкций, действующих с возможностью, когда выполнены, реализовывать сетевой контроллер гибридной сети, содержащей множество объектов построения сети, причем объекты построения сети содержат множество узлов сети, соединенных с возможностью связи множеством линий связи. Процессор сконфигурирован с возможностью исполнения множества программируемых инструкций, хранимых в памяти, чтобы вычислять конфигурации маршрутизации трафика для гибридной сети, чтобы распространять конфигурации маршрутизации трафика в множество узлов сети, чтобы определять текущее состояние сети гибридной сети, и определять текущие нагрузки трафика в гибридной сети.
[0009] В соответствии с одним или более вариантами осуществления изобретения, множество узлов сети могут содержать комбинацию множества устройств построения сети интернет-протокола (IP) и множество устройств построения сети, поддерживающих программно конфигурируемую сеть (SDN). Пакеты данных, которые предполагается передавать в узел-адресат сети из первого узла сети (узла обнаружения) через отказавший объект построения сети множества объектов построения сети, передаются первым узлом сети в назначенный узел сети множества узлов сети на основе конфигураций маршрутизации трафика. В соответствии с еще одними вариантами осуществления, назначенный узел сети может быть дополнительно сконфигурирован с возможностью перенаправления пакетов данных в узел-адресат сети вдоль множества маршрутов, которые обходят отказавший объект сети, в то же время, балансируя нагрузку трафика в гибридной сети на основе конфигураций маршрутизации трафика.
[0010] В соответствии с другим аспектом изобретения, предоставлен способ, предназначенный для выполнения маршрутизации пакета в гибридной сети. В одном или более вариантах осуществления способ может выполняться с помощью: определения, в первом узле сети, подмножества узлов сети гибридной сети, причем гибридная сеть содержит множество узлов сети, соединенных с возможностью связи множеством линий связи, вычисления конфигураций маршрутизации трафика в первом узле сети и распространения конфигураций маршрутизации трафика в подмножество узлов сети, причем подмножество узлов сети обеспечены функциональными возможностями SDN-OF.
[0011] В соответствии с еще одним аспектом изобретения, предоставлен способ, предназначенный для перенаправления данных вследствие отказа линии связи в гибридной сети. В одном или более вариантах осуществления этапы, выполняемые в этом способе, могут включать в себя: прием, в назначенном устройстве построения сети, поддерживающем SDN-OF, множества пакетов данных, которые предполагается маршрутизировать через отказавший объект построения сети, обращение к конфигурации маршрутизации трафика в назначенном устройстве построения сети, поддерживающем SDN-OF, чтобы определить промежуточное устройство построения сети между назначенным устройством построения сети, поддерживающим SDN-OF, и предполагаемым узлом-адресатом, и передачу множества пакетов данных из назначенного устройства построения сети, поддерживающего SDN-OF, в предполагаемый узел-адресат, если назначенное устройство построения сети, поддерживающее SDN-OF, непосредственно соединено с предполагаемым узлом-адресатом и иначе с промежуточным устройством построения сети.
[0012] В соответствии с одним или более осуществлениями, множество пакетов данных могут автоматически передаваться из первого устройства сети, соответствующего отказавшему объекту сети, через созданный IP туннель между назначенным устройством построения сети, поддерживающим SDN-OF, и первым устройством сети. В еще дополнительных осуществлениях отказавший объект построения сети может содержать отказавшую линию связи, отказавший узел сети или и то, и другое. В соответствии с одним или более вариантами осуществления конфигурация маршрутизации трафика может вычисляться контроллером сети и распространяться в назначенное устройство построения сети, поддерживающее SDN-OF.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0013] Сопровождающие чертежи, которые включены в это описание и составляют его часть, иллюстрируют варианты осуществления раскрытия и вместе с описанием служат, чтобы объяснять принципы в настоящее время заявленного объекта.
[0014] Фиг. 1 изображает иллюстрацию иллюстративной топологии сети в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего раскрытия.
[0015] Фиг. 2 изображает блок-схему иллюстративной конфигурации сети в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего раскрытия.
[0016] Фиг. 3 изображает блок-схему иллюстративного сценария в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего раскрытия.
[0017] Фиг. 4 изображает блок-схему последовательности этапов процесса, предназначенного для частичной интеграции устройств, поддерживающих SDN-OF, в IP сети в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего раскрытия.
[0018] Фиг. 5 изображает блок-схему последовательности этапов процесса, предназначенного для выполнения восстановления после отказа в гибридной сети в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего раскрытия.
[0019] Фиг. 6 изображает иллюстративное вычислительное устройство в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего раскрытия.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0020] Теперь будет сделана подробная ссылка на несколько вариантов осуществления. Несмотря на то, что изобретение будет описан совместно с альтернативными вариантами осуществления, будет понятно, что они не предназначены для того, чтобы ограничивать заявленное изобретение этими вариантами осуществления. Наоборот, заявленное изобретение подразумевается охватывающим альтернативы, модификации и эквиваленты, которые могут быть включены в рамки сущности и объема заявленного изобретения, как определено прилагаемой формулой изобретения.
[0021] Последующие части подробного описания представлены и обсуждены с точки зрения процесса. Несмотря на то, что операции и их последовательность раскрыты на фигуре в настоящем раскрытии (например, фиг. 4 и фиг. 5), описывающей операции этого процесса, такие операции и последовательность являются иллюстративными. Варианты осуществления достаточно подходят для выполнения различных других операций или вариантов операций, перечисленных на блок-схеме последовательности этапов, и в последовательности, отличной от последовательности, изображенной и описанной в настоящем раскрытии.
[0022] Как использованы в этой заявке, термины: компонент, модуль, система и тому подобные, подразумеваются как относящиеся к объекту, связанному с компьютером, а именно, любому аппаратному обеспечению, программно-аппаратному обеспечению, комбинации аппаратного обеспечения и программного обеспечения, программному обеспечению или программному обеспечению при выполнении. Например, компонент может быть, но не ограничен быть, процессом, выполняющимся в процессоре, интегральной схемой, объектом, таблицей выполнения, потоком выполнения, программой и/или компьютером. В качестве иллюстрации, как приложение, так и/или модуль, выполняющиеся в вычислительном устройстве, и вычислительное устройство могут быть компонентом. Один или более компонентов могут находиться в процессе и/или в потоке выполнения, и компонент может быть локализован в одном компьютере и/или распределен между двумя или более компьютерами. Кроме того, эти компоненты могут выполняться с различных читаемых компьютером носителей, имеющих различные структуры данных, сохраненные на них. Компоненты могут устанавливать связь через локальные и/или удаленные процессы, например, в соответствии с сигналом, имеющим один или более пакетов данных (например, данные из одного компонента, взаимодействующие с другим компонентом в локальной системе, распределенной системе и/или через сеть, такую как интернет, с другими системами через сигнал).
[0023] Различные способы, описанные в настоящей заявке, могут использоваться для различных систем и протоколов передачи данных, включая построение программно конфигурируемой сети (SDN), OpenFlow (OF), интернет-протокол (IP) и т.д. Термины «система» и «сеть» могут использоваться в настоящей заявке взаимозаменяемо. Объект сети может включать в себя узел сети (например IP маршрутизатор или коммутатор) или линию связи между двумя узлами. Термины «узел» и «узел сети» могут также использоваться в настоящей заявке взаимозаменяемо. Устройство поддерживающее SDN-OF может включать в себя (но не ограничено) специализированное сетевое устройство, такое как коммутатор SDN-OF, маршрутизатор SDN-OF, или комбинацию маршрутизатор/коммутатор SDN-OF, или может включать в себя IP сетевые устройства (такие как маршрутизаторы), которые запрограммированы с модулями с функциональными возможностями SDN-OF (такими как модуль приложения поддержки SDN-OF).
[0024] Как описано в настоящей заявке, предоставлены различные решение, которые интегрируют устройства SDN-OF (такие как коммутаторы, поддерживающее SDN-OF) в IP сеть. В одном варианте осуществления решение может быть адаптировано из существующей IP сети, а не совершенно новой сети, построенной заново. В соответствии с альтернативными вариантами осуществления, решение может быть новой гибридной IP сетью и сетью SDN, и может даже быть расширено в сети многопротокольной коммутации по меткам (MPLS) (или другую технологию и протоколы) посредством интеграции коммутаторов SDN-OF и контроллера сети. Кроме того, различные аспекты описаны в настоящей заявке в связи с компьютерной сетью и сетью передачи данных, осуществляемых как расположение узлов, соединенных линиями связи. Узел является оборудованием передачи данных (DCE), таким как маршрутизатор или коммутатор.
[0025] В соответствии с одним или более вариантами осуществления, относительно небольшое число существующих IP маршрутизаторов/коммутаторов в обычной IP сети заменяются чистыми коммутаторами SDN-OF или коммутаторами, поддерживающими, гибридные SDN-OF, чтобы построить частичную гибридную сеть SDN. В одном или более альтернативных вариантах осуществления гибридная сеть SDN может выбирать несколько (программируемых) IP маршрутизаторов, в которых могут выполняться приложения и модули SDN-OF, или заменять их чистыми коммутаторами SDN-OF. Такие гибридные сети могут быстро восстанавливаться после отказа и выполнять балансировку нагрузки после восстановления с более приемлемой и допустимой и существенно уменьшенной сложностью с использованием технологий SDN-OF.
[0026] В соответствии с аспектом изобретения, предоставлен способ, чтобы минимизировать число сетевых устройств SDN, необходимых для поддержания таких функциональных возможностей в данной IP сети, в то же время, гарантируя доступность восстановления после отказа, и способ, чтобы оптимизировать размещение таких коммутаторов SDN. В варианте осуществления минимизация числа сетевых устройств, поддерживающих SDN, может выполняться с помощью выбора подмножества существующего пула узлов IP сети (например, маршрутизаторов), заменяемых устройствами, поддерживающими SDN-OF, (коммутаторами). В качестве альтернативы, подмножеств существующих узлов IP сети могут, если является подходящим, быть запрограммированы с модулями SDN-OF. Кроме того, замена выбранного число устройств, поддерживающих SDN-OF, должна гарантировать, что каждый путь восстановления не пересекает отказ (линию связи или узел), когда случается ошибка.
[0027] В соответствии с аспектом изобретения, предоставлен способ, чтобы быстро восстанавливаться после отказов и возобновлять передачу данных. В одном или более вариантах осуществления процесс, с помощью которого выполняется восстановление после отказов, также включает в себя балансировку нагрузки во время восстановления. В одном или более вариантах осуществления восстановление после отказа возможно с помощью обнаружения отказа в объекте сети, таком как узел или линия связи сети, и передачи пакетов данных в устройство, поддерживающее SDN-OF, через IP туннелирование. Затем устройство, поддерживающее SDN-OF, обращается к таблице потоков, предоставляемой внешним контроллером SDN-OF, или предварительно сконфигурированной на основе автономной маршрутизации с данными или предсказываемыми матрицами трафика, до передачи пакетов данных в промежуточный узел в альтернативном маршруте, гарантированном, чтобы достичь конечного адресата и обойти отказавший объект сети (например, узел или линию связи). Когда узел обнаруживает отказ, он немедленно перенаправит поврежденные пакеты в такое предварительно сконфигурированное промежуточное устройство построения сети, поддерживающее SDN-OF, (такое как коммутатор). Коммутатор SDN затем интеллектуально передает потоки в их соответственные промежуточные узлы, что гарантирует достижимость в предполагаемого адресата без закольцовывания, с помощью использования множества маршрутов на основе вышеупомянутых вычисленных записей потоков с таблицах потоков. Устройства построения сети, поддерживающие SDN, могут также динамически регулировать перемаршрутизацию потока, чтобы выполнять балансировку нагрузки, на основе текущего состояния сети и/или текущей нагрузки в узлах сети.
ГИБРИДНЫЕ СЕТИ SDN-OF/IP
[0028] Фиг. 1 изображает блок-схему 100 иллюстративной топологии сети в соответствии с различными вариантами осуществления. Для пояснительных целей представлена архитектура гибридной сети с частично интегрированными коммутаторами SDN. Как изображено, гибридная сеть может содержать различные объекты построения сети, включая множество узлов сети (0-13), причем каждый узел сети соединен с другим узлом линией связи (указанной как сплошная линия). В варианте осуществления узлы сети могут осуществляться как комбинация IP узлов (узлы 0-2, 4-6 и 8-13) и узлов, с функциональными возможностями SDN-OF (узлы 3-7). В одном или более вариантах осуществления IP узлы могут осуществляться как маршрутизаторы с функциональными возможностями, как в плоскости данных, так и в плоскости управления, в то время как узлы, поддерживающее SDN-OF, могут осуществляться как коммутаторы SDN с использованием протокола OpenFlow с возможностью установления связи с централизованной сетью или контроллером SDN-OF (не изображен).
[0029] В соответствии с одним или более вариантами осуществления, контроллер SDN-OF может постоянно или периодически собирать статус сети и/или трафик данных в сети (например, из узлов в сети), для того чтобы вычислять для устройств, поддерживающих SDN-OF, маршрутизацию или таблицы потоков (как определено в протоколе OpenFlow), которые распространяются в устройства, поддерживающие SDN, с использованием протокола OpenFlow. В одном или более вариантах осуществления контроллер SDN также может выполнять балансировку нагрузки с помощью динамического выбора промежуточных узлов, через которые выполняется передача перемаршрутизируемых пакетов, на основе текущего статуса и/или трафика сети.
[0030] Фиг. 2 изображает блок-схему 200 иллюстративной конфигурации сети в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего раскрытия. Как представлено на фиг. 2, контроллер 201 SDN выполняет один или более узлов сети (205, 207, 209 и 211) и управляет ими в гибридной IP сети и сети SDN-OF. В одном или более вариантах осуществления один или более узлов (205-211) могут осуществляться с функциональными возможностями SDN-OF (например, как коммутаторы/маршрутизаторы SDN-OF). Устройства, поддерживающее SDN-OF, могут выполнять передачу пакета, в то же время, резюмируя решения маршрутизации в контроллер 201 SDN-OF. Решения маршрутизации могут основываться на данных статуса и/или трафика сети, накапливаемых в узлах (205-211) и принимаемых в контроллере 201 SDN-OF, или могут основываться на политиках маршрутизации.
[0031] В одном варианте осуществления данные состояния и трафика сети могут сохраняться в базе 203 данных, соединенной с контроллером 201 SDN-OF, и могут использоваться, чтобы формировать таблицы потоков, аналогичные таблицам маршрутизации, которые могли бы получаться из пакетов или через другие средства. Формирование таблиц потоков/маршрутизации может выполняться динамически на основе новых принятых пакетов, которые требуют маршрутизации, из контроллера, и/или может выполняться в предварительно определенные или периодические интервалы на основе определенных политик маршрутизации. Сразу после формирования, контроллер 201 SDN-OF распространяет таблицы потоков/маршрутизации в устройства, поддерживающие SDN-OF. Когда IP узел испытывает отказ линии связи, поврежденные пакеты передаются через протоколы IP туннелирования в некоторые устройства, поддерживающие SDN-OF, которые затем передают пакеты вдоль альтернативных маршрутов на основе таблиц потоков/маршрутизации, принятых из контроллера 201 SDN-OF.
[0032] Фиг. 3 изображает иллюстрацию предлагаемой структуры 300 в соответствии с одним или более вариантами осуществления заявленного изобретения. Как изображено на фиг. 3, каждый интерфейс узла в сети (например, узлов А, В, С и В) сконфигурирован с возможностью наличия резервного IP туннеля (305, 307), чтобы обеспечивать восстановление после отказа после обнаружения отказа линии связи. IP туннель создается между узлом обнаружения и одним или более коммутаторами (коммутаторами) (S) SDN-OF, которые называются назначенным коммутатором (коммутаторами), для этого IP устройства (маршрутизатора или коммутатора). Фиг. 3 изображает иллюстративный сценарий, где обнаружен отказ линии связи. Как представлено на фиг. 3, когда обнаруживается отказ линия связи (например, между узлами А и В), узел А, который непосредственно соединен с отказавшей линией связи, немедленно передает все пакеты, которые должны бы быть переданы в отказавшей линии связи, в соответствующий назначенный коммутатор S SDN-OF через предварительно сконфигурированный и созданный IP туннель (307).
[0033] После приема туннелированного трафика из узла А коммутатор S SDN-OF сначала проверяет пакеты, выполняет просмотр таблицы, чтобы определить альтернативный маршрут для пакетов, чтобы достичь их предполагаемых адресатов, который обходит отказавшую линию связи, а также не будет заставлять пакеты перемаршрутизироваться в отказавшую линию связи. Если определен, коммутатор SDN-OF передает пакет данных в узел-адресат, если возможно, или в промежуточный узел вдоль вычисленного альтернативного маршрута (в этом случае промежуточный узел С) в IP туннеле (309), соединенном с промежуточным узлом (С). В одном или более вариантах осуществления маршрут в идентифицированный промежуточный узел может находиться по ссылке при просмотре таблице, причем маршрут вычисляется во внешнем контроллере сети с использованием алгоритмов минимизации маршрутизации, таких как алгоритм кратчайшего пути. В промежуточном узле С пакеты передаются в узел-адресат, опять через маршрут, который не поврежден отказавшей линией связи, как определено централизованным контроллером 301 сети, с использованием эвристики (например, определенных усовершенствованных алгоритмов кратчайшего пути).
[0034] В одном или более вариантах осуществления назначение назначенных устройств сети SDN является независимым от адресата и по существу сложность конфигурирования восстановления после отказа минимизируется, поскольку маршрутизаторы в сети не будут больше требоваться, чтобы учитывать каждого отдельного адресата. В одном или более вариантах осуществления назначенный коммутатор SDN может размещать всех возможных адресатов, туннелируемых из поврежденного узла, с соответствующими промежуточными узлами, поддерживающими SDN-OF. Конкретный проходимый маршрут может вычисляться внешним контроллером сети и распространяться в каждое из сетевых устройств SDN на основе состояний и наблюдаемой или предсказываемой нагрузки трафика сети.
[0035] Фиг. 4 изображает блок-схему последовательности этапов процесса для частичной интеграции устройств, поддерживающих SDN-OF, в IP сети в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего раскрытия. На этапе 401 определяется подмножество узлов в IP сети с функциональными возможностями SDN-OF. В одном или более вариантах осуществления число узлов, выбранных, как замещаемые (или модернизируемые), минимизируется, чтобы также минимизировать стоимость развертывания и прерывания в обслуживание, которые могут являться следствием интеграции функциональных возможностей SDN. Подмножество узлов IP сети может выбираться с помощью определения наименьшего числа узлов, которые, тем не менее, позволяют сети достигать определенных характеристик. В одном варианте осуществления эти характеристики могут включать в себя, например: 1) что для каждой линии связи, которая включает в себя узел, который обеспечен функциональными возможностями SDN-OF, определяется и назначается устройство, поддерживающее SDN-OF, в сети, и 2) что для каждого устройства построения сети, поддерживающего SDN-OF, определяется, по меньшей мере, один промежуточный узел, который не обеспечен функциональными возможностями SDN-OF, для каждого возможного узла-адресата в сети.
[0036] Выбранные узлы могут быть заменены специализированным аппаратным обеспечением SDN, таким как коммутаторы, или, в качестве альтернативы, могут быть программно модернизированы с помощью установки модулей программного обеспечения, поддерживающих SDN. В одном или более вариантах осуществления контроллер сети, поддерживающий SDN-OF, исполняется в узле, внешнем по отношению к устройству, поддерживающему SDN-OF, но соединенном с ним с возможностью связи. При выполнении контроллер SDN принимает данные трафика из узлов (IP маршрутизаторов) в сети с помощью одного или более протоколов связи. Данные трафика затем используются, чтобы вычислять конфигурации маршрутизации трафика (например, таблицы маршрутизации) для устройств, поддерживающих SDN-OF, на этапе 403. Наконец, на этапе 405 конфигурации трафика распространяются в устройства, поддерживающие SDN-OF. В одном или более вариантах осуществления получение данных трафика и формирование конфигураций трафика могут выполняться периодически и даже динамически, для того чтобы гарантировать, что текущие данные трафика и/или статус сети отражаются в конфигурациях трафика.
ВЫБОР УЗЛА
[0037] В соответствии с одним или более вариантами осуществления, число устройств, поддерживающих SDN-OF, может быть ограничено минимальным числом, которое, тем не менее, обеспечивает полное покрытие восстановления после отказа для каждого узла в сети. Определение минимального числа устройств, поддерживающих SDN-OF, включает в себя определение: 1) для каждого отказа линии связи поврежденный узел должен иметь, по меньшей мере, одно назначенное устройство, поддерживающее SDN, которое является независимым от адресата, 2) для каждого устройства, поддерживающего SDN-OF, существует, по меньшей мере, один промежуточный узел для каждого возможного адресата.
[0038] Минимизация числа узлов в сети, которые могут заменяться или модернизироваться функциональными возможностями, поддерживающими SDN, может быть выражена как:
минимизировать (1)
при условии:  (2)
(3)
(4)
где (1): задачей является минимизировать число коммутаторов, поддерживающих SDN-OF со следующими ограничениями:
(2): линия связи е, когда берет начало из узла х, отказывает, х должен иметь, по меньшей мере, один назначенный коммутатор, поддерживающий SDN-OF, чтобы достигать его;
(3) если узел х принадлежит линии связи е, он должен иметь один назначенный коммутатор, поддерживающий SDN-OF, чтобы достигать его, когда линия связи отказывает;
(4) узел I должен быть коммутатором, поддерживающим SDN-OF, если он выбран любым узлом как назначенный коммутатор, поддерживающий SDN-OF.
Таблица I резюмирует параметры и нотации
<b>ТАБЛИЦА I</b>
НОТАЦИИ ДЛЯ ДОСТИЖИМОСТИ
(V, E)
Сеть с множеством узлов V и множеством линий связи E
<maths num="6"><img file="00000006.jpg" he="6" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
Двоичное, <maths num="7"><img file="00000007.jpg" he="6" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>=1, если узел х является конечным узлом линии связи е; 0 в противном случае
<maths num="8"><img file="00000008.jpg" he="7" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
Двоичное, <maths num="9"><img file="00000009.jpg" he="7" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>, если линия связи е находится на одним из кратчайших путей из узла I в узел j; 0 в противном случае
<maths num="10"><img file="00000010.jpg" he="7" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
Двоичное, <maths num="11"><img file="00000010.jpg" he="7" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>, если узел I выбран как назначенный коммутатор SDN узла х; 0 в противном случае
<maths num="12"><img file="00000011.jpg" he="7" wi="8" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
Двоичное, <maths num="13"><img file="00000011.jpg" he="7" wi="8" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>, если узел I и узел m являются соседями только с одним переходом; 0 в противном случае
<maths num="14"><img file="00000012.jpg" he="6" wi="4" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
Двоичное, <maths num="15"><img file="00000013.jpg" he="6" wi="4" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>=1, если узел I выбран как коммутатор SDN; 0 в противном случае
e<maths num="16"><img file="00000014.jpg" he="3" wi="3" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>E и i,j,x,m<maths num="17"><img file="00000014.jpg" he="3" wi="3" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>V
ВОССТАНОВЛЕНИЕ СЕТИ
[0039] Фиг. 5 изображает иллюстративную блок-схему последовательности этапов процесса для восстановления сети после отказа. На этапе 501 трафик из поврежденного узла (например, отказ в линии связи или в узле) принимается в устройстве, обеспеченном функциональными возможностями SDN-OF. В соответствии с одним или более вариантами осуществления, отказ в линии связи или в узле обнаруживается в первом узле обнаружения (таком как маршрутизатор), непосредственно соединенном с отказавшим объектом сети. После обнаружения отказа линии связи или смежного узла, узел обнаружения будет перенаправлять весь трафик в отказавшей линии связи в свое назначенное устройство (устройства) SDN-OF через IP туннелирование. В одном или более вариантах осуществления пакеты доставляются через созданный IP туннель между назначенным устройством SDN-OF и узлом обнаружения. После приема туннелированного трафика из поврежденного узла, коммутатор SDN-OF сначала проверяет пакеты, затем обращается к предварительно определенным данным трафика (например, с помощью процедуры просмотра таблицы) на этапе 503, чтобы определить альтернативный маршрут для пакетов, чтобы достичь их предполагаемого адресата (адресатов), который обходит отказавшую линию связи. Затем пакеты передаются адресату, если он непосредственно соединен с устройством, поддерживающим SDN-OF, или в противном случае в следующий узел в альтернативном маршруте (этап 505). Затем следующий узел передает пакеты в узел-адресат, если возможно, или в следующий узел в маршруте, который помогает пакетам достичь адресата без закольцовывания в поврежденную линию связи или узел.
[0040] Таблицы маршрутизации могут подаваться в устройство, поддерживающее SDN-OF, контроллером SDN-OF, соединенным с возможностью связи с сетью. Поскольку каждый узел имеет предыдущее знание о том, в какой коммутатор (коммутаторы) SDN-OF должен перемещаться трафик отказавшей линии связи, восстановление может быть завершено очень быстро. Контроллер SDN-OF может также собирать использование линии связи гибридной сети и предварительно определять маршруты маршрутизации для трафика в отказавшей линии связи, чтобы достичь лучшей балансировки нагрузки в трафике, избегая возможную перегрузку, вызванную перераспределением трафика. При установке туннелей между обычными IP маршрутизаторами и коммутаторами SDN-OF, предлагаемая общая схема позволяет IP маршрутизаторам выполнять восстановление после отказа немедленно после обнаружения отказа линии связи и перенаправлять трафик в коммутаторы SDN-OF. Коммутаторы SDN-OF могут затем помогать передавать трафик, чтобы обходить отказавшую линию связи, на основе решения маршрутизации, принятого контроллером SDN-OF. Поскольку контроллер SDN-OF взаимодействовать со всей сетью, чтобы получать значение о текущем состоянии сети, включая нагрузки узлов и/или статус сети, могут приниматься оптимальные решения маршрутизации, чтобы сбалансировать нагрузку сети после восстановления.
[0041] В одном или более вариантах осуществления IP туннелирование может включать в себя протоколы IP туннелирования, которые позволяют маршрутизацию протоколов через созданные туннели, такие как общая инкапсуляция маршрутизации (GRE). Чтобы обеспечить восстановление после отказа, протоколы маршрутизации, такие как усовершенствованный протокол маршрутизации внутреннего шлюза (EIGRP), могут использоваться, чтобы поддерживать маршрут-приемник в случае, если отказывает первичный маршрут. Другие протоколы маршрутизации, такие как сначала открытый кратчайший путь (OSPF), которые не поддерживают такой признак, могут, тем не менее, использоваться при применении маршрутизации, основанной на политики, чтобы выбирать маршрут, когда обнаружен отказ линии связи. Альтернативные варианты осуществления могут также использовать способы, такие как конфигурирование статичных маршрутов с большими расстояниями с менее конкретными адресами префикса, таким образом, что маршрутизатор будет запускаться с использованием менее конкретного маршрута, когда линия связи в первичном маршруте отказывает.
[0042] Несмотря на то, что предыдущее описание было сфокусировано на отказах одной линии связи, следует понимать, что варианты осуществления настоящего заявленного изобретения достаточно подходят, как распространяемые также на отказы в узлах. Для отказов одного узла пути туннелирования, определенные при просмотре таблицы или при обращении к данным трафика, не включали бы в себя отказавший узел.
БАЛАНСИРОВКА НАГРУЗКИ
[0043] После того, как все назначенные устройства SDN-OF определены в соответствии с процессом 400, описанным выше, идентифицируются промежуточные узла поддерживающее SDN-OF, чтобы передавать пакеты данных, когда случается отказ линии связи. Для определенного адресата может существовать множество подходящих промежуточных узлов (например, сетевые устройства поддерживающее IP и/или SDN-OF), и выбор оптимального промежуточного узла может помочь дополнительно избежать или уменьшить перегрузку. В одном или более вариантах осуществления контроллер (SDN-OF) сети может периодически вычислять выбор таких промежуточных узлов, чтобы реагировать на текущие состояния сети.
[0044] В одном или более вариантах осуществления, выбор узла поддерживающее SDN-OF является независимым от адресата, таким образом, что каждый узел-адресат имеет соответствующий промежуточный узел. Выбор промежуточного узла выполняется с помощью минимизации максимального использования линии связи относительно всех линий связи после перераспределения трафика, после отказа объекта сети (линии связи или узла). В одном или более вариантах осуществления контроллер сети/ SDN определяет нагрузку каждой линии связи. Чтобы получить эту информацию, каждый IP узел в сети может выполнять протокол (такой как SNMP, OpenFlow, если поддерживает), который позволяет контроллеру SDN-OF собирать информацию о нагрузке линии связи в сети. Согласно таким протоколам, можно обмениваться информацией, такой как доступная ширина полосы частот, таким образом, что каждой устройство SDN-OF может получать использование всех линий связи в сети и передавать эту информацию в контроллер SDN-OF. Это позволяет контроллеру SDN-OF внедряться во всю сеть и выбирать подходящие промежуточные узлы, поддерживающее SDN-OF, чтобы выполнять балансировку нагрузки на основе текущего трафика и/или статуса сети. Еще в одном варианте осуществления гибридная сеть может учитывать назначение приоритетов. В соответствии с этими вариантами осуществления, пакеты данных, отмеченные флагом или иначе идентифицируемые как имеющие высокий приоритет, могут маршрутизироваться вдоль маршрутов с большей доступной шириной полосы частот.
[0045] При рассмотрении сценария отказа каждой одной линии связи (или узла) контроллер выбирает промежуточный узел, поддерживающий SDN-OF, для каждого узла-адресата, таким образом, что минимизируется использованием линии связи после перенаправления всех поврежденных пакетов.
[0046] В одном варианте осуществления, контроллер SDN-OF периодически выполняет процесс оптимизации для выбора промежуточного узла поддерживающее SDN-OF, чтобы реагировать на баланс текущей рабочей нагрузки вдоль каждой линии связи. Пути вычисляются контроллером SDN-OF, который может дополнительно получать инцидентность линия связи-путь, указывающую то, используется ли линия связи конкретным путем. Формулировка балансировки нагрузки может быть выражена, как указано ниже, и может применяться для каждой одной ситуации отказа:
минимизировать  (5)
при условии:
(6)
(7)
(8)
где
(5) Задачей является минимизировать максимальное использование линии связи со следующими ограничениями:
(6) гарантировать, что для каждого поврежденного маршрута и пары адресатов используется только один путь, чтобы достичь каждого адресата;
(7) рабочая нагрузка в каждой линии связи после перенаправления трафика является суммированием текущей рабочей нагрузки каждой линии связи и объема трафика из назначенных коммутаторов SDN-OF адресатам;
(8) рабочая нагрузка каждой линии связи после перенаправления трафика ограничена максимальным использованием линии связи.
Параметры описаны в следующей таблице:
<b>ТАБЛИЦА II</b>
НОТАЦИИ ДЛЯ БАЛАНСИРОВКИ НАГРУЗКИ
<maths num="22"><img file="00000019.jpg" he="6" wi="4" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
Нагрузка трафика в линии связи е без перенаправленного трафика
<maths num="23"><img file="00000020.jpg" he="6" wi="4" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
Пропускная способность лини связи е
<maths num="24"><img file="00000021.jpg" he="7" wi="9" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
Двоичное, <maths num="25"><img file="00000021.jpg" he="7" wi="9" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>=1, если линия связи е находится на пути р из поврежденного маршрутизатора s в адресат d; 0 иначе
<maths num="26"><img file="00000022.jpg" he="7" wi="4" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
Объем трафика из поврежденного маршрутизатора s в адресат d
<maths num="27"><img file="00000023.jpg" he="7" wi="8" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
Двоичное, <maths num="28"><img file="00000023.jpg" he="7" wi="8" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>=1, если путь р выбран для поврежденного маршрутизатора s и адресата d, чтобы доставлять трафик адресату d; 0 иначе
<maths num="29"><img file="00000024.jpg" he="6" wi="5" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
Нагрузка трафика в линии связи е после перенаправления
<maths num="30"><img file="00000025.jpg" he="5" wi="4" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
Верхняя граница использования линии связи
[0047] Уравнение (5) гарантирует, что каждое устройство SDN-OF использует только один маршрут, и с помощью дополнения только одного промежуточного узла, поддерживающего SDN-OF, чтобы достичь каждого узла-адресата. Уравнение (6) гарантирует, что рабочая нагрузка в каждой линии связи после перенаправления трафика является суммированием текущей нагрузки каждой линии связи и объема трафика из назначенного устройства SDN-OF в узлы-адресаты. Уравнение (7) гарантирует, что рабочая нагрузка каждой линии связи после перенаправления трафика ограничена максимальным использованием линии связи. При решении вышеуказанных уравнений, чтобы минимизировать использование линии связи, может быть вычислена верхняя граница использования линии связи, когда случается отказ одной линии связи. Кроме того, также определяется промежуточный узел, который должен использоваться устройством SDN, чтобы достичь определенного адресата.
[0048] Несмотря на то, что единичные назначенные устройства SDN для узлов были, главным образом, описаны до сих пор в настоящей заявке, следует понимать, что варианты осуществления заявленного изобретения не ограничены таким образом, и варианты осуществления достаточно подходят для множества назначенных устройств SDN для одного или более узлов в сети. При обстоятельствах, в которых каждый из туннелей маршрутизатора влияет на трафик в одно назначенное устройство SDN, когда обнаружен отказ линии связи, пути туненнелирования могут быть огромными (подавляющими, непреодолимыми) и может случаться затор в линиях связи вдоль альтернативного маршрута. Чтобы ослабить этот возможный затор, пересечение трафиком путей туннелей после перенаправления может быть уменьшено с помощью введения множества назначенных устройств SDN для каждого IP маршрутизатора, таким образом, что поврежденный трафик может быть разделен между множеством каналов. В соответствии с такими вариантами осуществления, подход может быть дополнительно усовершенствован, чтобы позволять 2 (или более) назначенных коммутаторов SDN для каждого IP устройства. Это можно было бы выполнить с помощью решения следующей проблемы оптимизации:
минимизировать  (9)
при условии:  (10)
(11)
(12)
где N обозначает число назначенных узлов SDN, используемых каждым маршрутизатором. Эта модифицированная формулировка аналогична первоначальной формулировке для определения единичных назначенных устройств SDN-OF за исключением введения N, чтобы гарантировать, что каждый IP узел может достичь N назначенных устройств поддерживающее SDN, когда отказывает одна из линий связи в узел. В соответствии с формулировками, предоставленными выше, может быть вычислено минимальное число устройств, поддерживающих SDN, причем  указывает N назначенных устройств SDN, используемых каждым узлом.
[0049] Когда N(>=2) определяются назначенные устройства SDN каждого узла (маршрутизатора), трафик может быть дополнительно разделен между множеством устройств SDN. В одном варианте осуществления выполняется взвешенное хеширование на основе использования линии связи туннелирующих путей в разные назначенные устройства SDN, таким образом, что перенаправленный трафик, передаваемый в каждое назначенное устройство SDN, делается пропорциональным средней ширине полосы частот этих туннелирующих путей. В одном варианте осуществления SDN-OF периодически собирает информацию об использовании всей сети из устройств, поддерживающих SDN-OF, или первоначальных устройств IP, причем каждый узел вычисляет использование линии связи наиболее перегруженной линии связи в туннелирующих путях в разные назначенные устройства SDN. С помощью вычитания этого использования линии связи доступная ширина полосы частот может определяться для каждого туннелирующего пути. Доступная ширина полосы частот затем могла бы использоваться как вес для каждого туннелирующего пути, и трафик в разные адресаты после этого хешируется в разные назначенные устройства SDN на основе определенного веса.
ИЛЛЮСТРАТИВНОЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
[0050] Как представлено на фиг. 6, иллюстративная системы 600 в которой могут осуществляться варианты осуществления настоящего изобретения, включает в себя среду универсального вычислительной системы. В одном или более вариантах осуществления один или более промежуточных узлов, поддерживающих SDN-OF, узлов-адресатов и/или вычислительная среда, в которой выполняется сетевой контроллер SDN-OF, может осуществляться как вариант или конфигурация иллюстративной системы 600. В этой самой основной конфигурации вычислительная система 600 включает в себя, по меньшей мере, одно устройство 601 обработки и память, и шину адресов/данных (или другой интерфейс) для передачи информации. В зависимости от точной конфигурации и типа среды вычислительной системы, память может быть энергозависимой (такой как RAM 602), энергонезависимой (такой как ROM 603, флэш-память и т.д.) или некоторой комбинации и того, и другого.
[0051] Вычислительная система 600 может также содержать оптическую графическую подсистему 605 для предоставления информации, например, пользователю компьютера с помощью отображения информации на подключенном устройстве 610 дисплея, соединенном видео кабелем 610. В соответствии с вариантами осуществления настоящего заявленного изобретения, графическая подсистема 705 может подключаться непосредственно к устройству 610 дисплея через видео кабель 611. В альтернативных вариантах осуществления устройство 610 дисплея может быть интегрировано в вычислительную систему (например, панель дисплея портативного переносного компьютера или ноутбука) и не будет требовать видео кабеля 611.
[0052] Кроме того, вычислительная система 600 может также иметь дополнительные признаки/функциональные возможности. Например, вычислительная система 600 может также включать в себя дополнительную память (сменную и/или не сменную), включая, но не ограниченно, магнитные или оптические диски, или магнитную ленту. Такая дополнительная память проиллюстрирована на фиг. 6 с помощью устройства 607 хранения данных. Носители компьютерной памяти включают в себя энергозависимые и энергонезависимые, сменные и не сменные носители, осуществляемые любым способом или технологией, для сохранения информации, такой как читаемые компьютером инструкции, данные, структуры, программные модули или другие данные. RAM 602, ROM 603 и устройство 607 хранения данных являются примерами носителей компьютерной памяти.
[0053] Компьютерная система 600 также содержит необязательное алфавитно-цифровое устройство 607 ввода, необязательное устройство 607 управления или направления курсора и один или более интерфейсов 609 передачи сигала (устройства ввода/вывода, например, карту сетевого интерфейса). Необязательное алфавитно-цифровое устройство 607 ввода может передавать информацию и выбор команд в центральный процессор 601. Необязательное устройство 607 управления или направления курсора соединяется с шиной 609 для передачи пользователю введенной информации и выборов команд в центральный процессор 601. Интерфейс передачи сигнала (устройство ввода/вывода) может также включать в себя механизмы беспроводной связи. С использованием интерфейса 609 связи компьютерная система 600 может соединяться с возможностью связи с другими вычислительными системами через сеть связи такую как интернет или интрасеть (например, локальную сеть) или может принимать данные (например, цифровой телевизионный сигнал).
[0054] С помощью решений, описанных в настоящей заявке, конфигурация перемаршрутизации трафика в коммутаторах SDN-OF могла бы периодически выполняться на основе обновленного статуса в масштабе сети и/или нагрузки трафика, в то же время, оптимизируя балансировку нагрузки после восстановления. Результаты вычисления затем используются контроллером SDN-OF, чтобы формировать элементы потоков для коммутаторов SDN-OF. Можно, в необязательном порядке, разрешать обработку трафика с приоритетами. Например, подход мог бы обеспечивать гарантии ширины полосы частот для трафика с высоким приоритетом, в то же время разрешая назначение ширины полосы частот в режиме минимальных затрат другим типам трафика с более низким приоритетом.
[0055] Варианты осуществления заявленного изобретения позволяют операторам связи или предприятиям быстро использовать функциональные возможности SDN-OF, чтобы преобразовывать свои существующие сети передачи данных с низкими общими и операционными расходами, и предлагают существенное улучшение в использование сетевых ресурсов, автоматическое управление сетью (например, быстрое восстановление после отказа с распределением сбалансированного трафика) с существенно уменьшенной стоимостью и затратами управления. Такие новые возможности могут достигаться без необходимости радикального изменения всех современных IP или (MPLS) сетей.