CN104734907B - 一种主动测量OpenFlow网络端到端路径性能的方法及其所采用的*** - Google Patents
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Abstract
一种主动测量OpenFlow网络端到端路径性能的方法及其所采用的***,针对目前无法测量OpenFlow网络端到端路径性能的问题,提出了一种OpenFlow主动测量协议OFMP和以控制器为中心的高效测量方法与***。该测量方法与***能够为调试SDN控制程序、定量分析SDN体系结构与机制及评估网络行为提供技术手段和实用工具。在设备时钟同步情况下,***发送一个分组就可以高效测量特定流的路由、单向时延、往返时延、逐段单向时延、控制平面与数据平面之间时延和丢包率等端到端性能参数。此外,该测量***在设备时钟不同步或具有非OFMP使能设备的情况下也能测量部分重要性能指标,并具有处理OFMP协议的开销小等特点。
Description
技术领域
本发明属于网络通信领域,具体地说是提出一种主动测量OpenFlow网络端到端路径性能的方法与***。
背景技术
目前,软件定义网络(Software Defined Networking,SDN)的网络体系结构为强化网络功能、缩短网络创新周期和解决因特网难题提供了一条新的技术途径。尽管基于OpenFlow的SDN已经在数据中心、网络管理、网络安全等领域得到了应用,验证了SDN体系结构的可行性和可用性,但由于SDN架构更为复杂,并且缺乏调试SDN控制程序、定量分析SDN体系结构与机制及评估网络行为的技术手段,这些严重地阻碍了SDN的科学发展。
网络测量是理解网络行为的基本手段和定量评估网络性能的重要方法。伴随着因特网技术的发展,发展了包括主动测量和被动测量两种模式的网络测量技术。而目前SDN中的OpenFlow规范仅提供了从控制器实时获取流信息的接口,这在一定程度上提供了一种集中式的被动测量方式。被动测量有其局限性,难以测量诸如两点之间连通性以及连通性能等多种参数并且实现技术复杂。IP网络的经验告诉我们,网络端到端路径性能是网络中最重要的指标之一,而获取性能参数的主要手段是主动测量。主动测量通过向路径源端发送测量报文(序列),然后观察分析测量报文(probe)在网络传输过程中产生的变化,从而推测出网络状态和相关性能参数。这种主动注入并跟踪分组真实路由的测量方式更能反映问题真实情况。然而,SDN目前缺乏实用的主动测量机制和方法。
对比IP网络中的主动测量机制,不难发现在SDN中发展高效易用的主动测量机制存在着很大困难。首先是可行性,IP网络中任何两点之间都默认存在着端到端路径,这使测量端到端性能成为可能,而在SDN(以下以OpenFlow 网络为例)中两点之间的路径可能并不存在,即便存在,分组也要遵从控制器下发给交换机的流转发规则。其次是易用性,IP网络具有支持网络测量的协议如网际控制报文协议(Internet control messages protocol,ICMP),这使主动测量易于进行,而在SDN中并不存在这样一种协议。第三是高效性,IP结点协议栈内置支持主动测量功能,这使测量任务能够高效完成,而SDN结点却不能提供这种支持。实现高效易用的SDN主动测量机制必须要面对和解决这些问题。
发明内容
本发明针对目前在OpenFlow网络中无法有效进行端到端路径性能测量的问题,提出一种主动测量OpenFlow网络端到端路径性能的方法及其所采用的***。
本发明的技术方案是:
一种主动测量OpenFlow网络端到端路径性能的方法,在OpenFlow规范的基础上,它包括下列步骤:
A.用户发送网络端到端路径性能的测量指令至OFMP使能控制器,OFMP使能控制器接到用户发送的网络端到端路径性能的测量指令后,解析测量指令获取测量指标和测量路径,构造OFMP测量报文并在测量报文中写入OFMP使能控制器的本地测量信息,按照测量路径向其中的首跳OFMP使能交换机发送该测量报文(首跳和最后一跳交换机均为OFMP使能交换机),所述的OFMP测量报文包括测量路径和测量路径中各OFMP使能交换机的本地测量信息;
B.首跳OFMP使能交换机接收到来自OFMP使能控制器的OFMP测量报文,在测量报文中写入本地测量信息,按照测量路径向下一跳交换机发送,如果该交换机是OFMP使能交换机,则在测量报文中写入该OFMP使能交换机的本地测量信息,然后向下一跳交换机发送该测量报文;如果该交换机不是OFMP使能交换机,则再向其下一跳交换机发送该测量报文;依次遍历测量路径中的所有交换机完成OFMP测量报文的转发,最后一跳OFMP使能交 换机在OFMP测量报文写入本地测量信息后将其返回OFMP使能控制器;
C.OFMP使能控制器根据测量指标的要求,对OFMP测量报文中的各使能交换机的本地测量信息序列进行处理,得到端到端路径性能参数,并向用户显示这些性能参数。
本发明的步骤A中:OFMP使能控制器是指能够理解OpenFlow测量协议OFMP,并执行相应功能的OpenFlow控制器;OFMP交换机是指能够理解OpenFlow测量协议OFMP,并执行相应功能的OpenFlow交换机。
本发明的步骤A中:测量路径是指在OpenFlow网络中测量报文从OFMP使能控制器发出、由测量指标要求而设定的交换机序列直至返回OFMP使能控制器的路径,该路径中交换机序列的部分与被测流的路径一致。
本发明的步骤A中:测量指标是指端到端路径的性能测度,包括路由即测量分组所经过的路径结点序列、往返时延、单向时延、丢包率、交换机逐跳时延和控制平面与数据平面间的时延中的一个或多个。
本发明的步骤A中:OFMP是OFMP使能交换机与OFMP使能控制器或OFMP使能交换机之间通信的协议,OFMP的报文格式包括基本字段:Version字段用于表示OFMP版本号,Flag字段中包括多种测量方式(如单次测量或多次测量,单向测量或往返测量)的标识位,Identification字段和Sequence Number字段用于标识不同的主动测量过程和相同主动测量过程中的不同报文,Path Pointer字段表示***路径测量记录的当前位置的指针,Measurement Start字段和Measurement End字段用于标识测量路径的起点和终点交换机的Dpid值,Path Record字段用于存放本结点标识Dpid或主机的MAC和测量报文到达本设备的时刻。
本发明的本地测量信息包括本地设备的标识符和本地时钟时间,所述的本地设备的标识符为Dpid或MAC地址。
本发明的步骤B中,首跳OFMP使能交换机以PACKET OUT方式接收到来自OFMP使能控制器的OFMP测量报文,最后一跳交换机,则以PACKET IN方式向OFMP使能控制器返回该测量报文。
一种主动测量OpenFlow网络端到端路径性能的方法所采用的***,其特征在于,在OpenFlow规范的基础上,OpenFlow主动测量***包括一台OFMP 使能控制器和至少两台OFMP使能交换机,***测量端到端路径时,路径的首跳和最后一跳交换机均为OFMP使能交换机。
在***中,OFMP使能控制器和所有OFMP使能探测设备的时钟均能够采用如网络时间协议(NTP)或卫星授时等方法进行时钟同步。若***时钟同步,能够测量4、定义的所有性能指标;若但***时钟不同步,也能够测量往返时延和丢包率等部分性能指标;
穿越非OFMP使能交换机的功能。对于存在非OFMP使能交换机(如OpenFlow交换机)的***,本测量***仍能够测量端到端路径的单向时延/丢包率、双向时延/丢包率等性能指标。
本发明的有益效果:
本发明首次提出了一种以集中式架构测量OpenFlow网络端到端路径性能的方法和***,解决了目前无法测量端到端路径性能的难题。
本发明还具有以下优点:(1)在设备时钟同步并且无需更改流的转发策略情况下,控制器发送一个测量报文就能高效地得到指定流的路由、单向时延、往返时延、逐段单向时延和丢包率等端到端性能参数;(2)在设备时钟不同步情况下,能够测量指定流的部分重要端到端性能参数;(3)能够跨越非OFMP使能结点进行测量;(4)处理OFMP的开销小;(5)能够测量控制平面与数据平面之间的时延。
附图说明
图1为主动测量***的结构示意图。
图2为OFMP报文处理流程图。
图3为路径结点全OFMP使能时单向累积时延的平均值的实验结果示意图。
具体实施方式
下边结合附图和具体实施方式对本发明作进一步地说明。
首先给出本发明所需要的环境,图1给出了***的试验环境。其中包括OpenFlow使能交换机5台、PICA公司的P3290普通交换机1台、POX使能 控制器1台和Linux端主机2台以及Spirent流量发生器1台。5台OpenFlow使能交换机S1、S2、S3、S5和S6均为运行openflow-1.0.0软件的Linux PC。这些PC采用i5-3470CPU,主频为3.2GHz,内存为4GB,具有4端口千兆以太网,它们的Dpid值分别设为1、2、3、5、6,交换机S4的Dpid设为4。其中交换机S1、S2、S3、S5和S6和控制器都运行了OFM守护进程,是OFMP使能结点,交换机S4则是非OFMP使能的。控制器采用了pox-carp版本,与交换机之间使用带内方式互连。控制子网为10.0.0.0/24,而数据平面的OpenFlow子网IP地址为192.168.1.0/24。此外,所有交换机均可运行NTP协议,它们与控制器能够进行毫秒级的时钟同步。
图3给出了本发明实施例的流程图,该流程开始于步骤S101,然后在步骤S102中,用户发送测量指令,OFMP使能控制器解析测量路径和指标,构造测量报文并写入测量信息,发送测量报文;在步骤S103中,首跳OFMP使能交换机解析出测量报文,写入测量信息;在步骤S104中,判断是测量控制平面和数据平面间的时延,如果是,到步骤S111中向OFMP控制器发测量报文,否则转步骤S105,向下一跳交换机发送测量报文;然后到步骤S106,判断是否是OFMP交换机,如果是转步骤S107,判断是否该OFMP交换机是路径最后一跳;如果是,转步骤S111,否则转步骤S108,判断是否是往返测量且该OFMP交换机是路径中点;如果是,转步骤S109,按原路径相反方向发测量报文,然后转步骤S105,否则直接转步骤S105。在步骤S111,转步骤S112,OFMP控制器处理测量报文并显示测量信息,最后至S113,处理流程结束。
实施例
本实施例给出了对如图1所示网络环境进行端到端路径进行主动测量的工作过程如下:首先用Spirent Avalanche流量发生器在S1到S6之间产生TCP背景流,并由控制器为背景流建立流表,使其路由为S1-S2-S3-S5-S6(即图1 中的路径1)。交换机与控制器之间使用NTP协议进行时钟同步,然后,控制器调用测量应用程序测量该路径的端到端性能,用PACKET-OUT发起测量,测量的起点为S1,终点为S6。当采用双向测量模式时,测量报文到达S6后按原路径返回到S1,由S1用PACKET-IN向控制器返回具有控制器和各交换机时间戳的测量报文,控制器处理这些结点标识和时间戳,得到测量结果。图3给出了沿路由逐跳单向时延的平均值(100次测量的平均值)。
试验结果表明,利用***发送的主动测量报文上所获取的Dpid和时间戳序列,我们得到了逐跳时延和端到端单向时延等性能参数。其中,交换机结点每跳时延均大于0.1ms。图3显示随着背景流量的增大,交换机处理的流分组数据增多,逐跳时延和端到端单向时延也随之增大,这符合网络实际的情况。逐跳平均时延和方差计算如表1所示。
表1
从图3和表1的测量数据可知,当背景流量从10 Mbps逐步增大到600Mbps时,网络每跳时延都在逐步加大,这是由于网络分组排队时延的增加而导致的。在100次测量下,逐跳时延的方差较小,这表明***的测量结果比较稳定。对于网络交换机来说,由于测量报文和背景流的流标识一致,故转发行为也是一致的,因此测量报文携带的Dpid和时间戳序列能够真实反映网络当前被测端到端路径的性能参数。
两端为OFMP使能结点而路由中间有部分非OFMP使能交换机(即普通 OpenFlow交换机),其他条件同于前面的试验。具体而言,控制器建立的路由为:S1-S2-S4-S5-S6(图1中的路径2)。其中商用OpenFlow交换机S4运行OpenvSwitch1.9.2,OpenFlow协议版本为1.0,它不支持OFMP,而其他结点均为OFMP使能。这时控制器发起双向测量,起点为S1,终点为S6,S6收到测量报文后沿该路径反方向传输,最后由S1向控制器返回测量报文。分析表明,该测量报文具有控制器、S1、S2、S5和S6写入的结点标识和时间戳序列,但没有S4的任何信息。
表2试验1和试验3中测量结果对比
表2对比了试验1和试验3中测量报文携带的结点序列以及路径往返时延。可以看出,尽管路径1和路径2有所不同,但两者的往返时延平均值基本相同。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (7)
1.一种主动测量OpenFlow网络端到端路径性能的方法,其特征在于,在OpenFlow规范的基础上,它包括下列步骤:
A.用户发送网络端到端路径性能的测量指令至OFMP使能控制器,OFMP使能控制器接到用户发送的网络端到端路径性能的测量指令后,解析测量指令获取测量指标和测量路径,构造OFMP测量报文并在测量报文中写入OFMP使能控制器的本地测量信息,按照测量路径向其中的首跳OFMP使能交换机发送该测量报文,所述的OFMP测量报文包括测量路径和测量路径中各OFMP使能交换机的本地测量信息;其中,首跳和最后一跳交换机均为OFMP使能交换机;
B.首跳OFMP使能交换机接收到来自OFMP使能控制器的OFMP测量报文,在测量报文中写入本地测量信息,按照测量路径向下一跳交换机发送,如果该交换机是OFMP使能交换机,则在测量报文中写入该OFMP使能交换机的本地测量信息,然后向下一跳交换机发送该测量报文;如果该交换机不是OFMP使能交换机,则再向其下一跳交换机发送该测量报文;依次遍历测量路径中的所有交换机完成OFMP测量报文的转发,最后一跳OFMP使能交换机在OFMP测量报文写入本地测量信息后将其返回OFMP使能控制器;
C.OFMP使能控制器根据测量指标的要求,对OFMP测量报文中的各使能交换机的本地测量信息序列进行处理,得到端到端路径性能参数,并向用户显示这些性能参数;
步骤A中:OFMP是OFMP使能交换机与OFMP使能控制器或OFMP使能交换机之间通信的协议,OFMP的报文格式包括基本字段:Version字段用于表示OFMP版本号,Flag字段中包括多种测量方式的标识位,Identification字段和Sequence Number字段用于标识不同的主动测量过程和相同主动测量过程中的不同报文,Path Pointer字段表示***路径测量记录的当前位置的指针,Measurement Start字段和Measurement End字段用于标识测量路径的起点和终点交换机的Dpid值,Path Record字段用于存放本结点标识Dpid或主机的MAC和测量报文到达本设备的时刻。
2.根据权利要求1所述的主动测量OpenFlow网络端到端路径性能的方法,其特征在于,步骤A中:OFMP使能控制器是指能够理解OpenFlow测量协议OFMP,并执行相应功能的OpenFlow控制器;OFMP交换机是指能够理解OpenFlow测量协议OFMP,并执行相应功能的OpenFlow交换机。
3.根据权利要求1所述的主动测量OpenFlow网络端到端路径性能的方法,其特征在于,步骤A中:测量路径是指在OpenFlow网络中测量报文从OFMP使能控制器发出、由测量指标要求而设定的交换机序列直至返回OFMP使能控制器的路径,该路径中交换机序列的部分与被测流的路径一致。
4.根据权利要求1所述的主动测量OpenFlow网络端到端路径性能的方法,其特征在于,步骤A中:测量指标是指端到端路径的性能测度,包括路由即测量分组所经过的路径结点序列、往返时延、单向时延、丢包率、交换机逐跳时延和控制平面与数据平面间的时延中的一个或多个。
5.根据权利要求1所述的主动测量OpenFlow网络端到端路径性能的方法,其特征在于,本地测量信息包括本地设备的标识符和本地时钟时间,所述的本地设备的标识符为Dpid或MAC地址。
6.根据权利要求1所述的主动测量OpenFlow网络端到端路径性能的方法,其特征在于,步骤B中,首跳OFMP使能交换机以PACKET OUT方式接收到来自OFMP使能控制器的OFMP测量报文,最后一跳交换机,则以PACKET IN方式向OFMP使能控制器返回该测量报文。
7.一种如权利要求1所述的主动测量OpenFlow网络端到端路径性能的方法所采用的***,其特征在于,在OpenFlow规范的基础上,OpenFlow主动测量***包括一台OFMP使能控制器和至少两台OFMP使能交换机,***测量端到端路径时,路径的首跳和最后一跳交换机均为OFMP使能交换机。
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