一种基于可编程网络的数据面缓存转发与控制方法

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种基于可编程网络的数据面缓存转发与控制方法。

背景技术：

1、随着移动通信网络的快速发展，核心网正向更灵活、高效的组网形态演进。随着4k/8k超高清视频、增强现实/虚拟现实(ar/vr)以及物联网应用的兴起，网络面临巨大的带宽、广泛连接和低时延的需求。然而，受限于芯片器件工艺，单靠硬件升级和设备堆叠难以满足多样化应用场景下的服务质量。因此，软件定义网络(sdn)、网络切片、算网融合及新型网络架构等技术得到了广泛研究和应用。例如，5g nr(new radio)针对embb、urllc、mmtc等场景提出了切片方法，以支持各行业的网络需求。

2、为满足如自动驾驶等高标准业务对低时延和高带宽的需求，核心网处理网元正向边缘化演变。这种边缘部署提高了数据处理速度，但同时引入了较长的链路时延和控制不确定性。特别是在分布式核心网中，节点故障可能导致控制和数据服务的恢复问题。此外，数据切换的过程中，与原节点的逐渐远离导致了转发管理的低效和不可靠。在实际系统拓扑部署中，控制面往往同时管辖多个边缘数据面节点，切换中远离的数据节点时延往往比控制面节点引入的时延更大，成为跨界点管理切换与缓存转发全过程的主要瓶颈。因此，为了适应这些应用需求，迫切需要开发一种适用于分布式和机动性部署环境的核心网缓存转发管理策略。

3、尽管存在边缘部署的优势，现有网络数据面的改造却显得尤为困难。由于传统数据面架构的硬编码特性和固定逻辑，加入新功能往往伴随着复杂的改动和系统停机风险。因此，现有的数据面不易适应快速变化的技术需求和服务更新。

技术实现思路

1、有鉴于此，为了解决在分布式动态核心网中，切换等流程所触发的缓存转发跨节点管理过程会随着拓扑的变化而变得不可靠的技术问题，本发明提出一种基于可编程网络的数据面缓存转发与控制方法，所述方法包括以下步骤：

2、构建可编程数据处理模块；

3、所述可编程数据处理模块包括可编程交换机和控制器；

4、所述可编程交换机用于实现数据包检测、流量过滤和缓存转发，所述控制器用于实现过滤规则提取、动态流表构建和流表下发；

5、在网络控制面与所述可编程数据处理模块之间建立组播通信连接；

6、将所述数据处理模块连接至网络拓扑。

7、其中，所述可编程数据处理模块用于控制与实施数据面缓存转发功能。

8、在一些实施例中，所述可编程交换机，其具体包括：

9、根据所述控制器下发的流表，对数据包进行匹配检测；流表中包含各级匹配域，用于识别具有指定ip地址的用户数据包；

10、当数据面接收到缓存转发指令，所述可编程交换机通过组播模式同步接收到缓存转发指令；

11、所述可编程交换机根据控制面下发的计时器进行计时；在计时器有效的时间范围内，不对匹配到的数据包进行额外处理；计时器的设置由控制面在会话建立之初配置；

12、当所述计时器超时后，所述可编程交换机进入缓存转发预关闭状态，对流表匹配到的数据包进行截留与统计；仅当截留的数据包数目超出自定义的预设窗口范围，上述数据包才会被发送转发；

13、当缓存转发预关闭状态的计时器超时后，丢弃截留的数据包，从流表中删除对应用户ip的条目。

14、在一些实施例中，所述控制器包括过滤规则提取单元、动态流表构建单元和流表下发单元，所述控制器具体工作包括：

15、所述过滤规则提取单元，用于解析所述网络控制面提供的数据流缓存转发管理指令；

16、所述过滤规则提取单元从所述数据流缓存转发管理指令中提取用户ip地址与缓存转发计时器组参数，所述缓存转发计时器组包含缓存转发状态计时器和缓存转发预关闭状态计时器；

17、所述动态流表构建单元根据所述用户ip地址和所述缓存转发计时器组参数，以用户ip与计时器状态为过滤条件，构建相应的流表项；

18、所述流表下发单元通过可编程控制接口将流表下发至所述可编程交换机。

19、在一些实施例中，所述在网络控制面与所述可编程数据处理模块之间建立组播通信连接这一步骤，其具体包括：

20、所述网络控制面计算生成数据流控制规则；

21、所述网络控制面对数据面下发数据流控制规则，并连接至所述过滤规则提取单元；其中，网络控制面需对数据面下发包含特定字段的数据流控制规则，前述字段包括用户ip地址与缓存转发计时器组。

22、所述网络控制面在向原数据面下发缓存转发指令时，生成数据流缓存转发扩展管理指令，并下发至所述过滤规则提取单元。

23、其中，本发明提及了扩展部分与被扩展的网络设备：扩展部分是本发明的主体，负责缓存转发功能扩展；被扩展的网络设备就是标准的网络设备，是扩展的基础，可以理解为网络中默认的标准功能节点；两者的关系是：数据面(指扩展部分)建立在原数据面(指标准部分)的基础上。

24、在一些实施例中，所述网络控制面计算生成数据流控制规则这一步骤，其具体包括：

25、所述网络控制面基于数据流量和缓存转发历史记录预估缓存转发的平均时延，并根据所述平均时延设置缓存转发状态计时器和预关闭状态计时器；

26、所述缓存转发状态计时器的数值不小于所述平均时延；

27、所述缓存转发预关闭状态计时器的数值与缓存转发状态维持统计时间关联；其中，缓存转发预关闭状态计时器的数值不小于统计时间的右侧95％置信区间上界。

28、在一些实施例中，还包括将下发规则设置为并行组传播，其具体为：

29、在下发管理原数据面所需的包含ip地址的流表管理规则时，所述网络控制面以并行组播模式向下行受控设备发送控制规则，所述受控设备包括原数据面和所述可编程数据处理模块。

30、在一些实施例中，所述将所述数据处理模块连接至网络拓扑这一步骤，其具体包括：

31、将所述可编程数据处理模块桥接部署至网络原数据面与外部数据网之间，用于处理流经原数据面与外部数据网之间的入站、出站数据业务；

32、在所述网络拓扑中，将网络控制面通过并行组播控制接口与所述可编程数据处理模块的可编程受控接口相连，形成扩展控制拓扑。

33、本发明还提出了一种基于可编程网络的数据面缓存转发与控制装置，包括：

34、至少一个处理器；

35、至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

36、当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如上所述一种基于可编程网络的数据面缓存转发与控制方法。

37、基于上述方案，本发明提供了一种基于可编程网络的数据面缓存转发与控制方法，适用于分布式和机动性部署的核心网系统，通过引入基于可编程网络的数据面缓存转发与控制方法，即使在用户设备与原接入节点及核心控制节点逐渐远离的情况下，本发明也能有效管理缓存转发，保障数据的连续性和业务切换过程的可用性。此外，利用本发明的方法，可以在不中断现有网络服务的条件下通过插件形式扩展功能，这不仅增强了网络的处理能力，也避免了传统方法中需要的重启或重编译数据面服务的不便。进一步，本发明利用非侵入式控制及拓扑策略，在数据面上实现数据缓存转发的自动化控制与功能增强。这不仅提高了数据处理的效率，也减少了由于手动干预引起的错误和延迟。