控制器、通信装置、通信系统、控制电路、存储介质及通信方法与流程

1.本发明涉及在路由协议不同的网络之间使用的控制器、通信装置、通信系统、控制电路、存储介质及通信方法。


背景技术：

2.以往，在由无线网络及有线网络等路由协议不同的网络构成的异种网络的通信系统中，为了实现端到端(end-to-end)的频带、延迟时间等这样的qos(quality of service)的保证，通过构成使用了专用线路的其它网络来实现。另一方面，作为用于实现灵活的qos控制的手段，在非专利文献1中公开了关于通过软件实现网络的开放流(openflow)的技术。
3.在非专利文献1所记载的开放流中，对tcp(transmission control protocol)、udp(user datagram protocol)等osi(open system interconnection)参考模型的至第4层为止的识别进行了规定。相对于此，在专利文献1中公开了如下技术，即，使用开放流，并且将识别项目扩展至第5层的gtp(gprs(general packet radio service)tunneling protocol)中的转发用户数据的帧所包含的gtp-u帧头的teid(tunnel endpoint identifier)，由此实现服务器的负载平衡。
4.专利文献1：日本专利第6092873号公报
5.非专利文献1：openflow switch specification ver1.5.1,onf ts-025,march 26,2015(https://www.opennetworking.org/wp-content/uploads/2014/10/openflow-switch-v1.5.1.pdf)


技术实现要素：

6.但是，在如无线网络及有线网络那样分别构建本地网络的情况下，存在如下问题，即，用于构建各网络的费用变高，在此基础上，在向本地网络进行新通信装置的变更的时候，需要事先进行设计、变更等，无法迅速地变更网络结构。在专利文献1中，能够进行无线网络的会话识别，但没有提及qos等资源控制，另外，也没有考虑与其它网络的协作。
7.本发明就是鉴于上述情况而提出的，其目的在于得到在由无线网络及有线网络构成的异种网络的通信系统中，能够进行确保了服务品质的通信的控制器。
8.为了解决上述课题，达成目的，本发明为控制器，该控制器在包含有线网络及无线网络的通信系统中，对由有线网络及无线网络各自所具有的第1通信装置实现的通信数据的转发进行控制。控制器的特征在于，具有：表格，其将第1通信装置的识别信息、表示第1通信装置中的通信数据的转发处理的内容的转发动作信息相关联地登记；会话管理部，其从控制数据提取第1通信装置的识别信息、及由第2通信装置分配给与无线网络的第1通信装置连接的无线终端的资源信息，该控制数据是从与第1通信装置连接的第2通信装置接收到的；以及表格控制部，其将由会话管理部提取出的第1通信装置的识别信息、及基于资源信息的转发动作信息相关联地登记于表格。
9.发明的效果
10.本发明涉及的控制器取得在由无线网络及有线网络构成的异种网络的通信系统中，能够进行确保了服务品质的通信这样的效果。
附图说明
11.图1是表示本实施方式涉及的通信系统的结构例的图。
12.图2是表示本实施方式涉及的控制器的结构例的图。
13.图3是表示本实施方式涉及的开放流交换机的结构例的图。
14.图4是表示本实施方式涉及的通信系统与无线终端之间建立通信的处理的时序图。
15.图5是表示本实施方式涉及的控制器所具有的流承载变换表和开放流交换机所具有的流表之间的关联的图。
16.图6是表示本实施方式涉及的控制器的动作的流程图。
17.图7是表示本实施方式涉及的开放流交换机的动作的流程图。
18.图8是表示本实施方式涉及的5g核心的动作的流程图。
19.图9是表示通过处理器及存储器实现本实施方式涉及的控制器所具有的处理电路的情况下的处理电路的结构例的图。
20.图10是表示通过专用的硬件构成本实施方式涉及的控制器所具有的处理电路的情况下的处理电路的例子的图。
具体实施方式
21.下面，基于附图对本发明的实施方式涉及的控制器、通信装置、通信系统、控制电路、存储介质及通信方法进行详细的说明。此外，本发明并不限于该实施方式。在本实施方式中设想3gpp(3rd generation partnership project)中的第5代移动通信系统而进行说明，但也能够应用于第4代移动通信系统。另外，在本实施方式中层表示由osi参照模型规定的层。
22.实施方式
23.图1是表示本实施方式涉及的通信系统50的结构例的图。通信系统50是在工厂2中无线网络30由本地5g、有线网络10由ethernet(注册商标)构成的异种网络的通信系统。工厂2与数据网络(datanetwork)1连接。数据网络1为工厂2外部的网络，是向互联网连接的网络。工厂2内部的网络即通信系统50由有线网络10、有线网络20、及无线网络30这3个网络构成。此外，在本实施方式中，具体地，以将通信系统50设置于工厂2的情况为例进行说明，但通信系统50的设置场所并不限于工厂2。另外，在通信系统50中，有线网络10及无线网络30的数量并不限于1个。
24.有线网络10是工厂2内部的本地网络。有线网络10具有数据网络11、开放流交换机13。数据网络11是工厂2内部的本地数据网络。开放流交换机13在包含有线网络10及无线网络30的通信系统50中是有线网络10所具有的通信装置。开放流交换机13将无线网络30和数据网络1连接，对无线网络30和数据网络1之间的通信进行控制。后面会对开放流交换机13的详细的结构及动作进行叙述。在之后的说明中，有时将开放流交换机13称为第1通信装置或简称为通信装置。
25.有线网络20是在工厂2的内部，对各本地网络进行管理的本地网络。有线网络20具有通信集线器25、控制器29。通信集线器25将控制器29和无线网络30连接，对控制器29和无线网络30之间的通信进行控制。控制器29对工厂2内部的网络即通信系统50中的通信进行控制。具体而言，控制器29在包含有线网络10及无线网络30的通信系统50中，对由有线网络10及无线网络30各自所具有的开放流交换机实现的通信数据的转发进行控制。后面会对控制器29的详细的结构及动作进行叙述。
26.无线网络30是工厂2内部的本地网络。无线网络30具有天线31、32、开放流交换机33、摄像机37、5g核心39。天线31、32使用无线信号36与无线终端34连接，将从无线终端34接收到的无线信号36向开放流交换机33输出。在图1的例子中示出天线31使用无线信号36与无线终端34连接的例子。开放流交换机33在包含有线网络10及无线网络30的通信系统50中是无线网络30所具有的通信装置。开放流交换机33与天线31、32、摄像机37、及5g核心39连接。开放流交换机33进行将经由天线31或天线32从无线终端34取得的无线信号36、及从摄像机37取得的影像数据向5g核心39转发的控制。后面会对开放流交换机33的详细的结构及动作进行叙述。在之后的说明中，有时将开放流交换机33称为第1通信装置或简称为通信装置。另外，有时将5g核心39称为第2通信装置。
27.在无线网络30中，摄像机37对工厂2的内部进行拍摄，将通过拍摄得到的影像数据向开放流交换机33输出。5g核心39将路由协议不同的网络连接起来。5g核心39承担本地5g中的c-平面(c-plane)功能，并且承担开放流交换机13、33之间的u-平面(u-plane)功能。c-平面功能是建立装置间的会话等的功能。u-平面功能为将经由天线31或天线32从无线终端34取得的无线信号36、及从摄像机37取得的影像数据转发的功能。
28.接下来，对控制器29的结构及动作进行说明。图2是表示本实施方式涉及的控制器29的结构例的图。控制器29具有表格控制部102、会话管理部103、muxdemux 104、phy 105、流承载变换表110。
29.phy 105与通信集线器25连接，与5g核心39之间进行控制数据的收发。
30.从控制器29来看，muxdemux 104对发送方向及接收方向的控制数据的转发进行处理。具体而言，muxdemux 104在发送时将控制数据从会话管理部103向phy 105转发，在接收时将控制数据从phy 105向会话管理部103转发。将muxdemux 104及phy 105统称为通信部109。这样，muxdemux 104及phy 105即通信部109从5g核心39对控制数据进行接收，将由表格控制部102得到的转发动作信息经由5g核心39发送至开放流交换机13、33。
31.会话管理部103从接收到的控制数据提取识别信息。具体而言，会话管理部103在接收到无线网络30的控制数据的情况下，作为识别信息，提取gtp-u帧头内的qfi(qos flow id)。这样，在本实施方式中，作为无线网络30所具有的开放流交换机33的识别信息，使用由gtp-u实现的数据转发中使用的帧的帧头所包含的与服务品质相关的qfi。另外，会话管理部103在接收到有线网络10的控制数据的情况下，作为识别信息，提取mac(media access control)地址、vlan-id(virtual local area network-identifier)、ip(internet protocol)地址、协议编号、l4端口编号等。
32.另外，会话管理部103从接收到的控制数据提取由5g核心39分配给无线终端34的资源信息。会话管理部103将提取出的识别信息及资源信息向表格控制部102输出。这样，会话管理部103从控制数据提取开放流交换机13、33的识别信息、及由5g核心39分配给与无线
网络30的开放流交换机33连接的无线终端34的资源信息，该控制数据是从与开放流交换机13、33连接的5g核心39接收到的。此外，在本实施方式中记载有会话管理部103单独对无线网络30及有线网络10的控制数据进行接收，但也可以对将各个信息汇总后的控制数据进行接收。
33.表格控制部102从会话管理部103取得识别信息及资源信息，使用资源信息生成表示开放流交换机13、33中的通信数据的转发动作的内容的转发动作信息。转发动作信息是表示开放流交换机13、33中的通信数据的转发动作的信息。例如，表格控制部102使用qfi及资源信息生成转发动作信息。表格控制部102向流承载变换表110进行识别信息及转发动作信息的登记、删除、变更等。表格控制部102将由会话管理部103提取出的开放流交换机13、33的识别信息、及基于资源信息的转发动作信息相关联地登记于流承载变换表110。
34.流承载变换表110是将开放流交换机13、33的识别信息、表示开放流交换机13、33中的通信数据的转发处理的内容的转发动作信息相关联地登记的表格。有时将流承载变换表110简称为表格。后面会对具体的流承载变换表110的例子进行叙述。
35.接着，对开放流交换机13、33的结构及动作进行说明。图3是表示本实施方式涉及的开放流交换机13、33的结构例的图。开放流交换机13、33具有表格控制部202、muxdemux 204、phy 205、解析部206、动作部207、计数器208、流表210。
36.开放流交换机13的phy 205与属于无线网络30的5g核心39、属于有线网络10的数据网络11、及数据网络1连接，进行以有线方式实现的数据通信。在之后的说明中，将以有线方式实现的数据通信称为数据通信(ip/l4)，将以有线方式实现的数据通信(ip/l4)中使用的通信数据称为通信数据(ip/l4)。在数据通信(ip/l4)及通信数据(ip/l4)中，ip表示ip地址，l4表示l4端口编号。
37.开放流交换机33的phy 205与属于无线网络30的天线31、32、摄像机37、及5g核心39连接，进行以无线方式实现的数据通信。在之后的说明中，将以无线方式实现的数据通信称为数据通信(gtp-u)，将以无线方式实现的数据通信(gtp-u)中使用的通信数据称为通信数据(gtp-u)。在数据通信(gtp-u)及通信数据(gtp-u)中，gtp-u为数据通信(gtp-u)中使用的协议。
38.从开放流交换机13、33来看，muxdemux 204对发送方向及接收方向的通信数据的转发进行处理。具体而言，开放流交换机13的muxdemux 204在发送时将通信数据(ip/l4)从动作部207向phy 205转发，在接收时将通信数据(ip/l4)从phy 205向解析部206转发。相同地，开放流交换机33的muxdemux 204在发送时将通信数据(gtp-u)从动作部207向phy 205转发，在接收时将通信数据(gtp-u)从phy 205向解析部206转发。将muxdemux 204及phy 205统称为通信部209。
39.解析部206从接收到的通信数据提取识别信息。具体而言，开放流交换机13的解析部206在接收到通信数据(ip/l4)的情况下，从通信数据(ip/l4)提取ip/l4信息作为识别信息。开放流交换机33的解析部206在接收到通信数据(gtp-u)的情况下，从通信数据(gtp-u)提取qfi作为识别信息。解析部206将提取出的识别信息向表格控制部202输出。此外，在本实施方式中，将通信数据(ip/l4)的识别信息设为ip地址及l4端口编号，但这是一个例子，并不限于此。关于识别信息，例如，也可以是协议编号、mac地址等，ip版本也可以是ipv4、ipv6。
40.表格控制部202从解析部206取得识别信息，基于识别信息执行对流表210进行检索的处理。这样，表格控制部202基于通信数据所包含的识别信息对流表210进行检索，取得与识别信息相应的转发动作信息。表格控制部202从流表210取得动作部207的转发动作信息，将转发动作信息作为检索结果向解析部206输出。转发动作信息是在对通信数据(ip/l4)或通信数据(gtp-u)进行转发的情况下示出转发目标、最大频带、最小频带等，在不对通信数据(ip/l4)或通信数据(gtp-u)进行转发的情况下示出废弃处理的信息。
41.流表210是将开放流交换机13、33的识别信息、表示开放流交换机13、33中的通信数据的转发处理的内容的转发动作信息相关联地登记的表格。有时将流表210简称为表格。后面会对具体的流表210的例子进行叙述。
42.开放流交换机13的解析部206将通信数据(ip/l4)、从表格控制部202取得的转发动作信息向动作部207及计数器208输出。开放流交换机33的解析部206将通信数据(gtp-u)、从表格控制部202取得的转发动作信息向动作部207及计数器208输出。
43.开放流交换机13的计数器208基于各个统计属性、例如接收时间、帧长、ip地址、l4端口编号等，对从解析部206取得的通信数据(ip/l4)进行识别而进行计数处理。开放流交换机33的计数器208基于各个统计属性、例如接收时间、帧长、qfi等，对从解析部206取得的通信数据(gtp-u)进行识别而进行计数处理。计数器208向动作部207通知进行计数处理而得到的计数信息。
44.动作部207按照从解析部206取得的通信数据(ip/l4)或通信数据(gtp-u)、及转发动作信息，进行通信数据的转发处理。动作部207在转发动作信息为转发处理的情况下，与从计数器208取得的计数信息协作。如果超过最大频带，则动作部207废弃相应的通信数据(ip/l4)或通信数据(gtp-u)，如果在最大频带内，则动作部207决定作为发送目标的phy 205，将相应的通信数据(ip/l4)或通信数据(gtp-u)向muxdemux 204转发。
45.图4是表示本实施方式涉及的通信系统50与无线终端34之间建立通信的处理的时序图。如图4所示，首先，无线终端34对5g核心39进行会话建立请求(步骤s101)。
46.如果从无线终端34取得了会话建立请求，则5g核心39在承载建立处理中进行建立无线终端34和5g核心39之间的数据通信(无线)、及数据通信(gtp-u)的处理(步骤s109、s110)。具体而言，5g核心39向控制器29通知承载登记开始(ip/l4信息、qfi)(步骤s102)。此时，5g核心39也向控制器29通知分配给无线终端34的资源信息。
47.控制器29如果取得了承载登记开始(ip/l4信息、qfi)，则基于资源信息决定转发动作信息，向开放流交换机33发送流登记(流id、qfi)(步骤s103)，向开放流交换机13发送流登记(流id、ip/l4信息)(步骤s104)。流id是表示转发动作信息的信息。控制器29在基于承载登记开始(ip/l4信息、qfi)而新登记转发动作信息的情况下，将具体的转发动作信息与流id一起包含于流登记而向开放流交换机13、33发送。
48.开放流交换机33使用从控制器29取得的流登记(流id、qfi)而向流表210进行表格登记。如果表格登记完成，则开放流交换机33向控制器29发送流登记完成(步骤s105)。
49.开放流交换机13使用从控制器29取得的流登记(流id、ip/l4信息)而向流表210进行表格登记。如果表格登记完成，则开放流交换机13向控制器29发送流登记完成(步骤s106)。
50.控制器29为了通知向开放流交换机13、33的流登记已完成，向5g核心39发送会话
信息通知(步骤s107)。
51.5g核心39如果从控制器29接收到会话信息通知，则向无线终端34发送会话信息通知(步骤s108)。
52.无线终端34通过从5g核心39接收到会话信息通知，从而能够对数据通信(无线)已建立(步骤s109)、及数据通信(gtp-u)已建立(步骤s110)、乃至数据通信(ip/l4)已建立(步骤s111)进行识别。
53.图5是表示本实施方式涉及的控制器29所具有的流承载变换表110和开放流交换机13、33所具有的流表210之间的关联的图。控制器29通过流承载变换表110，对开放流交换机13、33的流表210的表列值(entry)内容进行管理。在控制器29的流承载变换表110中，针对开放流交换机13、33将识别信息及转发动作信息相关联地登记。控制器29对开放流交换机13发送转发动作信息和表示与无线网络30的识别信息(在图5的例子中，无线#1)相应的流承载变换表110的表列值的流id。另外，控制器29对开放流交换机33发送转发动作信息和表示与有线网络10的识别信息(在图5的例子中，有线#1)相应的流承载变换表110的表列值的流id。
54.接着，对通信系统50内的各装置的动作进行说明。如图1所示，在无线网络30中，存在连接有天线31、32及摄像机37的开放流交换机33、与天线31通过无线信号36的通信而连接的无线终端34。
55.无线终端34与处于有线网络10的数据网络11内的服务器或处于数据网络1的服务器连接，为了接收所提供的服务而与天线31之间进行经由无线信号36的无线通信。无线终端34在无线通信时经由天线31及开放流交换机33与5g核心39连接。无线终端34通过5g核心39进行承载建立处理，决定相对于无线终端34的频带、延迟等各资源而建立承载，能够进行数据通信。另一方面，在无线网络30中，摄像机37经由开放流交换机33，经由5g核心39及开放流交换机13，向处于有线网络10的数据网络11内的监视服务器发送影像数据。
56.这里，在现有的开放流交换机中，由于只能够识别至tcp、udp这样的第4层的协议，因此无法对无线终端34的数据(第5层gtp-u帧头内qfi)进行识别。现有的开放流交换机由于难以确保无线终端34的资源，因此在转发无线终端34的数据时，有可能产生与摄像机37的影像数据的冲突。另外，现有的开放流交换机由于无线终端34和5g核心39之间的数据通信的资源信息无法协作，因此在预留的资源中产生浪费，有可能在有线网络10中损害网络频带的效率性。
57.相对于此，在本实施方式中，通信系统50通过使无线网络30及有线网络10的识别信息和资源信息协作，从而在本地网络中预留一致的网络资源，实现网络的高效化。在本实施方式中，如图4所示，在无线终端34与5g核心39的承载建立处理中，控制器29介入。另外，存在于无线网络30的开放流交换机33将开放流规格扩展，具有对处于第5层的gtp-u帧头内的qfi进行识别的功能。
58.控制器29对无线网络30的开放流交换机33的流表210、及有线网络10的开放流交换机13的流表210进行管理。控制器29在无线终端34的无线通信中基于由5g核心39分配的频带、延迟等资源信息，将无线网络30及有线网络10中的识别信息、预留的资源信息的成对信息登记于流承载变换表110。如图5所示，控制器29基于流承载变换表110对开放流交换机13、33的流表210登记流表列值。
59.使用流程图对控制器29的动作进行说明。图6是表示本实施方式涉及的控制器29的动作的流程图。控制器29如果从5g核心39接收到控制数据(步骤s201)，则提取识别信息及资源信息(步骤s202)。控制器29将识别信息登记于流承载变换表110(步骤s203)。控制器29在没有登记与识别信息对应的转发动作信息的情况下，基于资源信息将转发动作信息也登记于流承载变换表110。控制器29决定开放流交换机13、33的转发动作信息，向开放流交换机33发送流登记(流id、qfi)，向开放流交换机13发送流登记(流id、ip/l4信息)(步骤s204)。
60.使用流程图对开放流交换机13、33的动作进行说明。由于开放流交换机13、33的动作相同，因此以开放流交换机33为例进行说明。图7是表示本实施方式涉及的开放流交换机33的动作的流程图。开放流交换机33如果从控制器29接收到流登记(流id、qfi)(步骤s301)，则将流登记(流id、qfi)的信息登记于流表210(步骤s302)。开放流交换机33如果接收到通信数据(gtp-u)(步骤s303)，则按照流表210进行转发动作(步骤s304)。此外，在转发动作中包含将通信数据(gtp-u)废弃的情况。
61.使用流程图对5g核心39的动作进行说明。图8是表示本实施方式涉及的5g核心39的动作的流程图。5g核心39如果从无线终端34接收到会话建立请求(步骤s401)，则向控制器29发送承载登记开始(ip/l4信息、qfi)(步骤s402)。5g核心39如果从控制器29接收到会话信息通知(步骤s403)，则向无线终端34发送会话信息通知(步骤s404)。
62.接下来，对控制器29的硬件结构进行说明。在控制器29中，muxdemux 104及phy 105为通信接口。流承载变换表110为存储器。表格控制部102及会话管理部103由处理电路实现。处理电路可以是执行在存储器中储存的程序的处理器及存储器，也可以是专用的硬件。处理电路也称为控制电路。
63.图9是表示通过处理器及存储器实现本实施方式涉及的控制器29所具有的处理电路的情况下的处理电路90的结构例的图。图9所示的处理电路90为控制电路，具有处理器91及存储器92。在处理电路90由处理器91及存储器92构成的情况下，处理电路90的各功能由软件、固件、或软件和固件的组合实现。软件或固件被记述为程序，储存于存储器92。在处理电路90中，通过由处理器91读出而执行在存储器92存储的程序，从而实现各功能。即，处理电路90具有存储器92，该存储器92用于对从结果来看使控制器29的处理得以执行的程序进行储存。该程序也可以说是用于使控制器29执行由处理电路90实现的各功能的程序。该程序可以由存储有程序的存储介质提供，也可以由通信介质等其它手段提供。
64.上述程序也可以说是使控制器29执行如下步骤的程序：第1步骤，会话管理部103从控制数据提取开放流交换机13、33的识别信息、及由5g核心39分配给与无线网络30的开放流交换机33连接的无线终端34的资源信息，该控制数据是从与开放流交换机13、33连接的5g核心39接收到的；以及第2步骤，表格控制部102将由会话管理部103提取出的开放流交换机13、33的识别信息、及基于资源信息的转发动作信息相关联地登记于流承载变换表110。
65.这里，处理器91例如为cpu(central processing unit)、处理装置、运算装置、微处理器、微型计算机、或dsp(digital signal processor)等。另外，存储器92例如是ram(random access memory)、rom(read only memory)、闪存、eprom(erasable programmable rom)、eeprom(注册商标)(electrically eprom)等非易失性或易失性半导体存储器、磁盘、
软盘、光盘、高密度盘、迷你盘、或dvd(digital versatile disc)等。
66.图10是表示通过专用的硬件构成本实施方式涉及的控制器29所具有的处理电路的情况下的处理电路93的例子的图。图10所示的处理电路93例如是单一电路、复合电路、被程序化后的处理器、被并行程序化后的处理器、asic(application specific integrated circuit)、fpga(field programmable gate array)、或它们的组合。关于处理电路，也可以由专用的硬件实现一部分，由软件或固件实现一部分。这样，处理电路能够通过专用的硬件、软件、固件、或它们的组合而实现上述各功能。
67.对控制器29的硬件结构进行了说明，但开放流交换机13、33的硬件结构也相同。在开放流交换机13、33中，muxdemux 204及phy 205为通信接口。流表210为存储器。表格控制部202、解析部206、动作部207、及计数器208由处理电路实现。处理电路可以是执行在存储器中储存的程序的处理器及存储器，也可以是专用的硬件。
68.在开放流交换机13、33中，上述程序也可以说是使开放流交换机13、33执行如下步骤的程序：第1步骤，表格控制部202基于通信数据所包含的识别信息对流表210进行检索，取得与识别信息相应的转发动作信息；以及第2步骤，动作部207按照转发动作信息进行通信数据的转发处理。
69.如上所述，根据本实施方式，在通信系统50中，控制器29使用在无线网络30及有线网络10中能够对qos进行识别的帧内的识别信息，对将识别能力扩展后的开放流交换机13、33进行控制。由此，通信系统50在进行跨过无线网络30及有线网络10等不同的网络的通信的情况下，也能够灵活地进行端到端的qos的保证。通信系统50能够在路由协议不同的网络之间实现一致的qos控制。
70.以上实施方式所示的结构表示的是一个例子，可以与其它的公知技术进行组合，也可以将实施方式彼此组合，在不脱离主旨的范围内，也可以省略、变更结构的一部分。
71.标号的说明
72.1、11数据网络，2工厂，10、20有线网络，13、33开放流交换机，25通信集线器，29控制器，30无线网络，31、32天线，34无线终端，36无线信号，37摄像机，39 5g核心，50通信系统，102、202表格控制部，103会话管理部，104、204muxdemux，105、205phy，109、209通信部，110流承载变换表，206解析部，207动作部，208计数器，210流表。