CN106301952A - 一种sdn数据平面链路备份方法及装置 - Google Patents

一种sdn数据平面链路备份方法及装置 Download PDF

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CN106301952A
CN106301952A CN201610829034.0A CN201610829034A CN106301952A CN 106301952 A CN106301952 A CN 106301952A CN 201610829034 A CN201610829034 A CN 201610829034A CN 106301952 A CN106301952 A CN 106301952A
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王颖
李文璟
张淑娟
吴虹洁
钟庆洪
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Beijing University of Posts and Telecommunications
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L41/00—Arrangements for maintenance, administration or management of data switching networks, e.g. of packet switching networks
    • H04L41/06—Management of faults, events, alarms or notifications
    • H04L41/0654—Management of faults, events, alarms or notifications using network fault recovery
    • H04L41/0663—Performing the actions predefined by failover planning, e.g. switching to standby network elements

Abstract

本发明实施例公开了一种SDN数据平面链路备份方法及装置，所述方法包括：获取SDN中每条链路上的数据流的数量，根据所述数据流的数量确定所述每条链路的重要性；根据所述每条链路的重要性将所述SDN中的链路分别存储到至少两个不同的重要性等级集合中；对所述重要性等级集合中重要性等级不同的链路采用不同的备份路径选取策略，所述不同的备份路径选取策略的备份路径数量不同；根据所述备份路径选取策略生成所述备份路径的流表项，并向所述SDN中的交换机下发所述备份路径的流表项。应用本发明实施例，在故障恢复过程中，能够有效减少备份路径所消耗的存储资源，提高网络的可靠性。

Description

一种SDN数据平面链路备份方法及装置
技术领域
本发明涉及网络技术领域，尤其涉及一种SDN数据平面链路备份方法及装置。
背景技术
软件定义网络(Software Defined Networking，SDN)是一种将控制功能与数据转发功能分离的新型网络架构，SDN的控制功能由集中式的控制器执行，并通过应用程序接口实现数据平面和控制平面的通信。控制平面可以使网络配置更加智能和简便，而数据平面只负责管理流表和其中存储的由控制器下发的流表项。
很显然，数据平面是SDN正常运行的关键，而数据平面的故障恢复是目前急需解决的问题。数据平面存在的故障主要包括交换机节点故障和连接链路故障，目前数据平面的故障恢复方法主要为反应式恢复和主动式恢复。反应式恢复不提前配置恢复路径，而是在故障发生时通知控制器，由控制器重新计算备份路径后再下发流表项给受影响的交换机；主动式恢复需要控制器提前计算备份路径并提前在相关交换机中存储备份路径的流表项，在故障发生时交换机不需要请求控制器另外建立新路径，而是直接将数据流切换到备份路径，过程中无需控制器的参与。
由于在整个SDN故障恢复的过程中，主要关注的因素是恢复时延和丢包率，所以，现有技术为了满足故障恢复的时延丢包率的要求，都采用了主动式恢复策略，但该策略需要提前在相关的交换机中存储备份路径的流表项，而目前交换机中用于存储流表项的TCAM(Ternary Content Addressable Memories，三态内容寻址存储器)不仅昂贵，而且存储空间有限、能量消耗较大。另外，随着网络通信量的增加，流表项也会增多，当需要存储的流表项超过TCAM的存储空间时，就会删除暂时不用的流表项，这会进一步增加时延，降低网络的通信质量。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种SDN数据平面链路备份方法及装置，在故障恢复过程中，能够有效减少备份路径存储资源的消耗，从而提高网络的可靠性。
为达到上述目的，本发明实施例公开了一种SDN数据平面链路备份方法，所述方法包括：
获取所述SDN中每条链路上的数据流的数量，根据所述数据流的数量确定所述每条链路的重要性；
根据所述每条链路的重要性将所述SDN中的链路分别存储到至少两个不同的重要性等级集合中；
对所述重要性等级集合中重要性等级不同的链路采用不同的备份路径选取策略，所述不同的备份路径选取策略的备份路径数量不同；
根据所述备份路径选取策略生成所述备份路径的流表项，并向所述SDN中的交换机下发所述备份路径的流表项。
优选的，所述方法还包括：
获取所述SDN中每条链路上的带宽利用率；
所述根据所述数据流的数量确定所述每条链路的重要性，包括：
根据所述数据流的数量和所述带宽利用率确定所述每条链路的重要性。
优选的，所述根据所述每条链路的重要性将所述SDN中的链路分别存储到至少两个不同的重要性等级集合中，包括：
根据公式：
FNU(l)＝1-e[-FN(l)]
IMPL(l)＝[2(αFNU(l)+(1-α)BUR(l))]
确定所述每条链路的重要性等级IMPL(l)，其中，FN(l)表示链路l上经过的数据流的数量，FNU(l)表示链路l上经过的数据流的数量的标准化值，BUR(l)表示链路l的带宽利用率，IMPL(l)表示链路l的重要性等级，α表示调节系数，且α∈[0，1]；
根据所述每条链路的重要性等级IMPL(l)，将所述SDN中的链路l分别存储到至少两个不同的重要性等级集合中。
优选的，所述根据所述每条链路的重要性将所述SDN中的链路分别存储到至少两个不同的重要性等级集合中，包括：
将所述SDN中的链路分别存储到三个不同的重要性等级集合中。
优选的，所述对所述重要性等级集合中重要性等级不同的链路采用不同的备份路径选取策略，包括：
对重要性等级最高集合中的链路采用双路径策略计算备份路径，所述双路径策略的备份路径包括两条备份路径；
对重要性等级第二高集合中的链路采用单路径策略计算备份路径，所述单路径策略的备份路径包括一条备份路径；
对重要性等级最低集合中的链路采用反应式策略计算备份路径，所述反应式策略在所述链路出现故障时实时计算备份路径。
优选的，所述根据所述备份路径选取策略生成所述备份路径的流表项，并向所述SDN中的交换机下发所述备份路径的流表项，包括：
根据所述双路径策略生成两条备份路径的流表项，并向所述交换机下发所述流表项；
根据所述单路径策略生成一条备份路径的流表项，并向所述交换机下发所述流表项。
本发明实施例还公开了一种SDN数据平面链路备份装置，所述装置包括：
第一获取模块，用于获取SDN中每条链路上的数据流的数量，根据所述数据流的数量确定所述每条链路的重要性；
存储模块，用于根据所述每条链路的重要性将所述SDN中的链路分别存储到至少两个不同的重要性等级集合中；
处理模块，用于对所述重要性等级集合中重要性等级不同的链路采用不同的备份路径选取策略，所述不同的备份路径选取策略的备份路径数量不同；
发送模块，用于根据所述备份路径选取策略生成所述备份路径的流表项，并向所述SDN中的交换机下发所述备份路径的流表项。
优选的，所述装置还包括：第二获取模块，用于获取所述SDN中每条链路上的带宽利用率；根据所述数据流的数量和所述带宽利用率确定所述每条链路的重要性。
优选的，所述存储模块还用于：
根据公式：
FNU(l)＝1-e[-FN(l)]
IMPL(l)＝[2(αFNU(l)+(1-α)BUR(l))]
确定所述每条链路的重要性等级IMPL(l)，其中，FN(l)表示链路l上经过的数据流的数量，FNU(l)表示链路l上经过的数据流的数量的标准化值，BUR(l)表示链路l的带宽利用率，IMPL(l)表示链路l的重要性等级，α表示调节系数，且α∈[0，1]；
根据所述每条链路的重要性等级IMPL(l)，将所述SDN中的链路l分别存储到至少两个不同的重要性等级集合中。
优选的，所述存储模块还用于：将所述SDN中的链路分别存储到三个不同的重要性等级集合中。
由上述的技术方案可见，本发明实施例通过对SDN中每条链路的重要性进行划分，差异化的为不同重要性等级的链路采取不同的备份路径选取策略，减少了用于备份路径的流表项，节省了交换机中备份资源的消耗。当然，实施本发明的任一产品或方法必不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种SDN数据平面链路备份方法的基本流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种SDN网络架构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种SDN数据平面链路备份方法的具体流程示意图；
图4为本发明实施例(IML)与现有技术(DP)和(CR)用于故障恢复所需流表项的占比对比图；
图5为本发明实施例(IML)与现有技术(DP)和(CR)中三种不同等级的链路用于故障恢复所需的流表项分别占所有备份路径流表项的比重对比图；
图6为本发明实施例(IML)与现有技术(DP)和(CR)在不同交换机数量下故障恢复所需流表项的占比对比图；
图7为本发明实施例提出的一种用于故障恢复的流表项消耗对比图；
图8为本发明实施例(IML)在不同网络中用于链路备份所需流表项的比重对比图；
图9为本发明实施例提供的一种SDN数据平面链路备份装置结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例应用于SDN中，SDN是一种将控制功能与数据转发功能分离的新型网络架构，其中，数据平面SDN正常运行的关键，而链路故障是数据平面的主要故障之一，所以对链路进行备份也是非常必要的。基于此，本发明实施公开了一种SDN数据平面链路备份方法及装置，以下分别进行详细说明。
参见图1，图1为本发明实施例提供的一种SDN数据平面链路备份方法的基本流程示意图，包括如下步骤：
S101，获取SDN中每条链路上的数据流的数量，根据数据流的数量确定每条链路的重要性。
通常，SDN表示为一个加权无向图G＝(N，L)，其中G表示整个网络，N表示所有节点的集合，L表示所有链路的集合，需要说明的是，本发明实施例中所说的网络都指的SDN。
这里，根据SDN中每条链路上的数据流的数量来确定每条链路的重要性，链路上所经过的数据流的数量越多，则该链路的重要性等级越高。
具体的，根据数据流的数量确定每条链路的重要性，参见图2，图2为本发明实施例提供的一种SDN网络架构示意图，图2表示了10个主机在具有8个交换机和14条链路的SDN网络中通信的过程，其中，10个主机分别是图2中所示的H1、H2、H3、H4、H5、H6、H7、H8、H9和H10，8个交换机分别是图2中所示的S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7和S8，14条链路分别指的是每一个节点交换机到另一个相邻节点交换机之间的物理线路。图2中的虚线表示主机之间的通信路径，共示出了5条通信路径，分别是：H1-S1-S2-S5-S8-H2，H3-S1-S2-S5-S6-H4，H5-S2-S5-S8-H6，H7-S2-S5-S7-H8，H9-S3-S5-S4-H10。从图2中可以看出，链路<S2，S5>有四条数据流通过，链路<S5，S8>和<S1，S2>两条数据流通过，链路<S3，S5>，<S4，S5>，<S5，S6>，<S5，S7>有一条数据流通过，剩下的链路都没有数据流通过，当有数据流经过的链路发生故障，那么经过该故障链路的所有数据流都会受到影响，所以链路上经过的数据流越多，链路发生故障时导致受影响的数据流就越多，链路的重要性等级也就越高。例如在图2中，由于图2中的链路<S2，S5>所经过的数据流最多，因此该链路当前的重要性等级应该最高。需要说明的是，这里通信路径不是唯一确定的，仅仅是本发明实施例列出的一种可能的路径。
S102，根据每条链路的重要性将SDN中的链路分别存储到至少两个不同的重要性等级集合中。
具体的，首先，通过SDN中每条链路上的数据流的数量来确定每条链路的重要性；其次，根据实际所需将每条链路的重要性划分为至少两个不同的重要性等级；最后，将至少两个不同的重要性等级的链路分别存储到不同的重要性等级集合中。这里，由于现有技术的方法中不需要对链路进行重要性等级的划分，而是对所有的链路都提前计算好相关的备份路径，这样会导致备份资源的浪费。本发明的方法将每条链路的重要性划分为不同的重要性等级，并存储到不同的重要性等级集合中，主要目的是通过给不同的重要性等级的链路采用不同的方法，即下文描述的不同备份路径选取策略，来解决链路故障时在满足时延的同时进行故障恢复。
S103，对重要性等级集合中重要性等级不同的链路采用不同的备份路径选取策略，不同的备份路径选取策略的备份路径数量不同。
这里，对重要性等级集合中重要性等级不同的链路采用至少两种不同的备份路径选取策略，包括：
根据公式：
FNU(l)＝1-e[-FN(l)]
IMPL(l)＝[2(αFNU(l)+(1-α)BUR(l))]
确定每条链路的重要性等级IMPL(l)，其中，FN(l)表示链路l上经过的数据流的数量，FNU(l)表示链路l上经过的数据流的数量的标准化值，BUR(l)表示链路l的带宽利用率，IMPL(l)表示链路l的重要性等级，α表示调节系数，且α∈[0，1]；
根据每条链路的重要性等级IMPL(l)将SDN中的链路划分为至少两种不同的重要性等级，分别存储到至少两个不同的重要性等级集合中，不同的重要性等级集合中链路采用不同的备份路径选取策略，这里不同的备份路径选取策略的个数是由链路的重要性等级的不同划分来决定的。
例如，将每条链路的重要性等级IMPL(l)划分为两个不同的重要性等级：高等重要性等级和低等重要性等级，其中，高等重要性等级和低等重要性等级是根据预重要性值来划分的，将高等重要性等级和低等重要性等级的链路，分别存储到高等重要性等级集合和低等重要性等级集合中。
对重要性等级集合中重要性等级不同的链路采用不同备份路径选取策略，包括：
对高等重要性等级集合中的链路采用第一备份路径选取策略，该策略是控制器在故障发生之前计算备份路径，这种备份路径选取策略的备份路径的数量至少为一条；
对低等重要性等级集合中的链路采用第二备份路径选取策略，该策略是在故障发生时交换机通知控制器计算备份路径。
例如，本发明的实施例中，对重要性等级集合中重要性等级不同的链路采用三种备份路径选取策略，包括：
对重要性等级最高集合中的链路采用双路径策略计算备份路径，该双路径策略的备份路径包括两条备份路径；
对重要性等级第二高集合中的链路采用单路径策略计算备份路径，该单路径策略的备份路径包括一条备份路径；
对重要性等级最低集合中的链路采用反应式策略计算备份路径，该反应式策略在链路出现故障时实时计算备份路径。
这里根据实际情况来划分重要性等级，从而确定备份路径的数量，采用不同的备份路径选取策略，对于满足所有备份路径选取策略条件的，均属于本发明实施例的保护范围，在此不一一举例。
可见，不同的备份路径选取策略是根据备份路径数量的不同来选取的。这里利用链路的重要性等级将SDN中的链路分类，差异化的为不同等级的链路采取不同的故障恢复策略，在确保对时延和通信质量要求较高的数据流在SDN中对故障无感知的情况下，尽可能的减少用于备份路径的流表项，节省了交换机中备份资源的消耗。
S104，根据备份路径选取策略生成备份路径的流表项，并向SDN中的交换机下发备份路径的流表项。
具体的，在不同的备份路径选取策略中，对控制器在故障发生之前计算好的备份路径，控制器直接将备份路径的流表项下发给相关的交换机；对控制器在故障发生时计算的备份路径，先在链路故障时由交换机向控制器发送包含故障通知信息的数据包，然后控制器再去动态的计算备份路径，并下发给交换机所计算好的备份路径的流表项，这样就不会提前占用交换机的资源，从而减少备份路径的流表项的存储。
由此可见，通过SDN数据平面链路备份方法，先确定链路的重要性，根据不同重要性将链路划分为不同的重要性等级，再对不同重要性等级的链路采用不同的备份路径选取策略，最后向交换机下发备份路径的流表项，通过该方法能够有效的对故障恢复消耗较多存储资源的问题进行求解，节省了交换机中备份资源的消耗，并且在保证故障恢复时满足大部分通信业务的时延要求，从而提高了网络的可靠性。在本发明实施例中，一种SDN数据平面链路备份方法还包括：
获取SDN中每条链路上的带宽利用率；
根据数据流的数量确定每条链路的重要性，包括：
根据数据流的数量和带宽利用率确定每条链路的重要性。
根据公式：
FNU(l)＝1-e[-FN(l)]
IMPL(l)＝[2(αFNU(l)+(1-α)BUR(l))]
确定每条链路的重要性等级IMPL(l)，其中，FN(l)表示链路l上经过的数据流的数量，FNU(l)表示链路l上经过的数据流的数量的标准化值，BUR(l)表示链路l的带宽利用率，IMPL(l)表示链路l的重要性等级，α表示调节系数，且α∈[0，1]。
继续参见图2，在图2中除了示出各主机之间的通信路径外，还示出了5条通信路径所经过的所有链路的带宽利用率BUR，链路<S1，S2>上的带宽利用率BUR＝40％，链路<S1，S2>上的带宽利用率BUR＝40％，链路<S2，S3>上的带宽利用率BUR＝20％，链路<S3，S5>上的带宽利用率BUR＝50％，链路<S4，S5>上的带宽利用率BUR＝30％，链路<S15，S7>上的带宽利用率BUR＝30％，链路<S5，S8>上的带宽利用率BUR＝60％，由于每条链路的带宽利用率不同，则如果仅仅通过数据流的数量来判断链路的重要性，对于不同带宽利用率的链路来说，并不能保证所有的数据流有较好的故障恢复效果，所以这里根据数据流的数量和带宽利用率确定每条链路的重要性，确保SDN中对时延和通信质量要求较高的数据流有较好的故障恢复效果。通过确定每条链路的重要性等级IMPL(l)，再根据每条链路的重要性将SDN中的链路分别存储到至少两个不同的重要性等级集合中，包括：
根据每条链路的重要性等级IMPL(l)将SDN中的链路l分别存储到至少两个不同的重要性等级集合中。
这里，由于FN(l)与IMPL(l)之间的关系不仅仅是线性的，而且随着链路上所经过的数据流的数量的增加，链路的重要性等级将不会有太多的波动因此将FN(l)转换为与本发明研究情景更加相近的FNU(l)，即将FN(l)标准化。在最终确定链路的重要性等级时，通过设置不同的α来调节FNU(l)和BUR(l)在实际SDN中的权重。由于α∈[0，1]，所以，根据公式可以得到链路l的重要性等级IMPL(l)的范围，即IMPL(l)∈[0，2]。这里，两个确定链路重要性等级的参数和具体的计算方法，可以对链路重要性等级进行有效评估，确保SDN中对时延和通信质量要求较高的数据流有较好的故障恢复效果。
根据重要性等级IMPL(l)的范围将链路l的重要性等级分为至少两个等级，并将其进行标准化，这里，重要性等级的划分是根据实际所需来将重要性等级IMPL(l)的范围进行划分。
在本发明实施例的一种可能实施方式中，根据每条链路的重要性将SDN中的链路分别存储到至少两个不同的重要性等级集合中，包括：
将SDN中的链路分别存储到三个不同的重要性等级集合中。
这里，根据重要性等级IMPL(l)的范围将链路l的重要性等级分为三个等级，例如将[0，0.6]设为等级0，[0.7，1.3]设为等级1，[1.4，2]设为等级2。这里对重要性等级范围的划分，仅仅是本发明实施例的一种划分方法，对于满足所有重要性等级范围内的划分条件的，均属于本发明实施例的保护范围，在此不一一举例。具体的，将SDN中重要性等级属于等级2的链路l存储到集合HIL(g)中，即HIL(g)＝{l|l∈L，IMPL(l)＝2}，其中，HIL(g)表示SDN中所有重要性等级最高的链路组成的集合，L表示SDN中所有链路的集合，IMPL(l)表示链路l的重要性等级。
将SDN中重要性等级属于等级1的链路l存储到集合MIL(g)中，即MIL(g)＝{l|l∈L，IMPL(l)＝1}，其中，MIL(g)表示SDN中所有重要性等级第二高的链路组成的集合，L表示SDN中所有链路的集合，IMPL(l)表示链路l的重要性等级。
将SDN中重要性等级属于等级0的链路l存储到集合LIL(g)中，即LIL(g)＝{l|l∈L，IMPL(l)＝0}，其中，LIL(g)表示SDN中所有重要性等级最低的链路组成的集合，L表示SDN中所有链路的集合，IMPL(l)表示链路l的重要性等级。
通过上述将SDN中重要性不同的链路存储到不同的重要性等级集合中后，再对重要性等级集合中重要性等级不同的链路采用不同的备份路径选取策略，包括：
对重要性等级最高集合中的链路采用双路径策略计算备份路径，双路径策略的备份路径包括两条备份路径，这里的重要性等级最高集合中的链路为重要性等级属于等级2的链路；
对重要性等级第二高集合中的链路采用单路径策略计算备份路径，单路径策略的备份路径包括一条备份路径，这里的重要性等级第二高集合中的链路为重要性等级属于等级1的链路；
对重要性等级最低集合中的链路采用反应式策略计算备份路径，反应式策略在链路出现故障时实时计算备份路径，这里的重要性等级最低集合中的链路为重要性等级属于等级0的链路。
具体的，对于SDN中属于集合HIL(g)的每条链路，为链路采用双路径策略计算备份路径，在链路发生故障之前，双路径策略计算两条备份路径，包括：第一条备份路径和第二条备份路径，第一条备份路径是链路的一个端点到下一个端点的备份，第二条备份路径是链路一个端点到除了下一个端点外，在工作路径上有备份路径的端点的备份，且第一条备份路径的优先级比第二条备份路径的优先级高，并将两条备份路径存储到相关的交换机中，该策略能够保证，当链路发生故障时，无需控制器的参与可直接将故障链路上的数据流切换到第一条备份路径上，当且仅当第一条备份路径不可用时，也无需控制器的参与可直接将故障链路上的数据流切换到第二条备份路径上，这样可以在满足时延要求的同时恢复故障链路，其中，HIL(g)表示重要性等级最高的链路组成的集合。
对于SDN中属于集合MIL(g)的每条链路，为链路采用单路径策略计算备份路径，在链路发生故障之前，单路径策略计算一条备份路径，该备份路径是从该链路的一个端点到下一个端点的备份，这里，由于链路的备份路径都是提前计算好的，并将备份路径的流表项保存到相关的交换机中，当检测到链路故障时，交换机将要经过故障链路的数据流都切换到备份路径上即可，该过程无需控制器的参与，因该策略能够保证，当链路发生故障时，可以在满足时延要求的同时恢复链路故障，若该策略无效，则触发反应式策略，其中，MIL(g)表示重要性等级最高的链路组成的集合。
对于SDN中属于集合LIL(g)的每条链路，为链路采用反应式策略计算备份路径，反应式策略在链路出现故障时实时计算备份路径。由于通过属于集合LIL(g)的每条链路的数据流很少，且对时延和丢包率的要求不高，所以该反应式策略不会提前向相关的交换机分配备份路径的流表项，而是在故障发生时直接通知控制器，再由控制器动态的分配备份路径，其中，LIL(g)表示重要性等级最低的链路组成的集合。
需要说明的是，本发明实施例所提出的三种备份策略并不是唯一确定的备份路径选取策略，例如还可以为HIL(g)分配三条或者三条以上的备份路径，或者还可以为MIL(g)分配两条或者两条以上的备份路径。对于满足所有备份路径选取策略条件的，均属于本发明实施例的保护范围，在此不一一举例。
根据备份路径选取策略生成备份路径的流表项，并向SDN中的交换机下发备份路径的流表项，包括：
根据双路径策略生成两条备份路径的流表项，并向SDN中的相关交换机下发流表项，这里根据双路径策略生成两条备份路径包括第一条备份路径和第二条备份路径，第一条备份路径是链路的一个端点到下一个端点的备份，第二条备份路径是链路一个端点到除了下一个端点外，在工作路径上有备份路径的端点的备份，且第一条备份路径的优先级比第二条备份路径的优先级高，并将这两条备份路径的流表项存储到相关的交换机中，这里由于双路径策略都是针对链路重要性等级比较高的链路计算备份路径，而链路的重要性等级越高，链路发生故障时对其经过的所有数据流的影响就越大，因此，根据双路径策略生成两条备份路径的流表项，以保证故障的同时满足大部分通信业务的时延要求，从而提高网络的可靠性。
根据单路径策略生成一条备份路径的流表项，并向SDN中的相关交换机下发流表项，这里根据单路径策略生成一条从该链路的一个端点到下一个端点的备份路径，并将该备份路径的流表项存储到相关的交换机中，这样可以保证在链路故障时，无需控制器的参与，直接将故障链路的数据流切换到备份路径上即可，在满足时延要求的同时恢复故障链路。
参见图3，图3为本发明实施例提供的一种基SDN数据平面链路备份方法的具体流程示意图，具体步骤如下：
S301：获取SDN中每条链路上所经过的数据流的数量，并进行标准化处理。
其中，SDN可以表示为一个加权无向图G＝(N，L)，其中N表示所有节点的集合，L表示所有链路的集合。这里由于链路上所经过的数据流的数量与链路的重要性等级之间的关系不仅仅是线性的，而且随着链路上所经过的数据流的数量的增加，链路的重要性等级将不会有太多的波动，因此将链路上所经过的数据流的数量进行标准化处理。
S302：计算每条链路l的重要性等级，并分别存储到集合HIL(g)、MIL(g)和LIL(g)中。
具体的，通过计算每条链路l的重要性等级，将SDN中重要性等级属于等级2的链路l存储到集合HIL(g)中，即HIL(g)＝{l|l∈L，IMPL(l)＝2}，其中，HIL(g)表示SDN中所有重要性等级最高的链路组成的集合，L表示SDN中所有链路的集合，IMPL(l)表示链路l的重要性等级；
将SDN中重要性等级属于等级1的链路l存储到集合MIL(g)中，即MIL(g)＝｛l|l∈L，IMPL(l)＝1}，其中，MIL(g)表示SDN中所有重要性等级中等的链路组成的集合，L表示SDN中所有链路的集合，IMPL(l)表示链路l的重要性等级；
将SDN中重要性等级属于等级0的链路l存储到集合LIL(g)中，即LIL(g)＝{l|l∈L，IMPL(l)＝0}，其中，LIL(g)表示SDN中所有重要性等级最低的链路组成的集合，L表示SDN中所有链路的集合，IMPL(l)表示链路l的重要性等级。
S303：对于SDN中的每条链路l，判断其是否属于集合HIL(g)。
这里，通过对于SDN中的每条链路l，判断其重要性等级IMPL(l)是否为等级2，如果其重要性等级IMPL(l)是等级2，则该链路属于集合HIL(g)，如果否，则该链路不属于集合HIL(g)。
S304：如果满足，为链路l采用双路径策略计算备份路径。
这里，对于SDN中的每条链路l属于集合HIL(g)的，为链路l采用双路径策略计算备份路径，根据双路径备份策略为链路l计算两条备份路径，一条是该链路的一个端点到下一个端点的备份，另一条是该链路一个端点到除了下一个端点外，在工作路径上有备份路径的端点的备份，且第一条备份路径的优先级较高，通过控制器将这两条备份路径的流表项存储到相关的交换机中，其中，HIL(g)表示重要性等级最高的链路组成的集合。
S305：对于SDN中的每条链路l，判断其是否属于集合MIL(g)。
这里，通过对于SDN中的每条链路l，判断其重要性等级IMPL(l)是否为等级1，如果其重要性等级IMPL(l)是等级1，则该链路属于集合MIL(g)，如果否，则该链路不属于集合MIL(g)。
S306：为链路l采用单路径策略计算备份路径。
这里，对于SDN中的每条链路l属于集合MIL(g)的，为链路l采用单路径策略计算备份路径，根据单路径备份策略为链路l计算一条从该链路的一个端点到下一个端点的备份路径，通过控制器将这条备份路径的流表项保存到相关交换机中，保证了故障恢复时延的要求，其中，MIL(g)表示重要性等级第二高的链路组成的集合。
S307：对剩下的链路采用反应式策略计算备份路径。
这里，对于SDN中的每条链路l属于集合LIL(g)，为链路l采用反应式策略计算备份路径，即不提前占用交换机的资源，而是在链路故障时交换机向控制器发送包含故障通知信息的数据包，控制器就会接收到故障通知，然后再去动态的计算备份路径，并下发给交换机所计算好的备份路径的流表项，这样有效的节省了交换机中备份路径的资源，其中，LIL(g)表示重要性等级最低的链路组成的集合。
S308：控制器向相关的交换机下发备份路径的流表项。
这里，在双路径策略和单路径策略中，控制器在故障发生之前向相关的交换机中下发备份路径的流表项，在反应式策略中，控制器不会提前向相关的交换机下发备份路径的流表项，而是在链路故障发生时通知控制器，由控制器动态的计算备份路径，并向相关的交换机下发备份路径的流表项。
具体的，在整个流程图中，根据计算得到的每条链路的重要性等级将SDN中的链路分类，具体的算法如下：
其中，G表示整个软件定义网络(SDN)，其中N表示所有节点的集合，L表示所有链路的集合，IMPL(l)表示链路l的重要性等级，HIL(g)表示SDN中所有重要性等级最高的链路组成的集合，MIL(g)表示SDN中所有重要性等级中等的链路组成的集合，LIL(g)表示SDN中所有重要性等级最低的链路组成的集合。这里，用尽可能少的流表项实现数据平面的链路故障恢复，同时减少了冗余流表项的下发和存储空间的占用，保证了SDN的可靠性。
在本发明实施例的一种可能的实现方式中，使用德国骨干网络拓扑进行仿真实验，将本发明的方法(IML)与现有技术的方法(DP)和(CR)进行比较，将SDN中的交换机分为两组，分别是边界交换机和核心交换机，边界交换机上连接了主机，负责源主机到目的主机之间的通信，核心交换机无主机相连，仅负责转发数据流。其中，IML(Important Level，重要性等级)指的划分链路重要性等级，再根据不同重要性等级的链路采用不同的备份路径选取策略的方法；DP(Detour planning，状态转换)指的是交换机中添加了状态转换模块的故障恢复方法，该方法能够根据交换机的状态动态地实现数据流的转发；CR(Crankback，回溯方法)指的是软件定义网络中快速故障恢复方法中的回溯方法，该方法是提前计算工作路径和备份路径，且为每条数据流所经过的每个交换机都计算到终端节点的恢复路径，若故障发生后，没有可用的路径，则数据包会通过回溯路由的方法向上一级节点转发，在链路故障恢复后，组表会把数据流重新分配到原始的工作路径上。
假设每条链路的故障概率相同，最大带宽为1024M，在试验中，统计用于备份路径的流表项总数(Nb)和用于工作路径的流表项总数(Nw)，并用于备份路径的流表项数占总的流表项数量的比值(Nb/(Nb+Nw))进行比较，即故障恢复所需流表项的占比，这里需要说明的是，在本发明实施例的实验中，所有相关的图中的坐标上用于表示备份路径的流表项数占总的流表项数量的比值(Nb/(Nb+Nw))，都用流表项占比表示。
本发明实施例中的实验先将边界交换机的占比设置包括：20％、40％、60％和80％，比较各方法用于故障恢复所需流表项占比。
参见图4，图4为本发明实施例(IML)与现有技术(DP和CR)用于故障恢复所需流表项占比对比图。图4中的横坐标代表边界交换机的占比，纵坐标流表项占比代表用于备份路径的流表项总数占总的流表项数量的比值，即(Nb/(Nb+Nw))。
由图4可知，本发明实施例(IML)方法中用于备份路径的流表项总数占总的流表项数量的比值(Nb/(Nb+Nw))最小，且随着边界交换机的占比的增大，用于备份路径的流表项数占总的流表项数的比值(Nb/(Nb+Nw))减小。
本发明实施例中的实验还统计了三种不同等级的链路用于故障恢复所需要的流表项分别占所有备份路径流表项的比重，其中三种不同等级的链路指的是本发明实施例中所描述的三种不同重要性等级的链路：重要性等级最高的链路、重要性等级第二高的链路和重要性等级最低的链路。
参见图5，图5为本发明实施例(IML)与现有技术(DP和CR)中三种不同等级的链路用于故障恢复所需的流表项分别占所有备份路径流表项的比重对比图。
由图5可知，对于重要性等级最低的链路，本发明实施例(IML)方法中用于故障恢复所需的流表项占比为零，即重要性等级最低的链路不占用备份资源；对于重要性等级第二高的链路，本发明实施例(IML)方法中用于故障恢复所需的流表项占比最高；对于重要性等级最高的链路，本发明实施例(IML)方法中用于故障恢复所需的流表项占比最低。
本发明实施例中的实验然后利用拓扑生成器随机生成网络的节点数包括：10、30、50、70、90、110、130、150、170和190，比较各方法故障恢复所需流表项的占比，这里的节点数10、30、50、70、90、110、130、150、170和190也就是交换机的数量。
参见图6，图6为本发明实施例(IML)与现有技术(DP和CR)在不同交换机数量故障恢复所需流表项占比对比图。
由图6可知，随着交换机数量的增多，本发明实施例(IML)方法中用于故障恢复所需流表项占比呈下降趋势，而现有技术(DP和CR)方法中用于故障恢复所需流表项占比基本保持不变，另外，在交换机的数量相同的情况下，本发明实施例(IML)方法中用于故障恢复所需流表项占比最小。
本发明实施例中的实验随后设置α值分别包括：0.2、0.4、0.6和0.8，比较本发明所提出的方法用于故障恢复所需流表项的消耗。
这里根据公式：
FNU(l)＝1-e[-FN(l)]
IMPL(l)＝[2(αFNU(l)+(1-α)BUR(l))]
确定每条链路的重要性等级IMPL(l)，其中，FN(l)表示链路l上经过的数据流的数量，FNU(l)表示链路l上经过的数据流的数量的标准化值，BUR(l)表示链路l的带宽利用率IMPL(l)表示链路l的重要性等级，α表示调节系数，且α∈[0，1]。
通过α来调节FNU(l)和BUR(l)在实际SDN中的权重，从而确定链路的重要等级。
参见图7，图7为本发明实施例提出的一种用于故障恢复的流表项消耗对比图。
由图7可知，随着交换机的数量的增多，对不同的α值在用于备份路径的流表项数占总的流表项数的比值(Nb/(Nb+Nw))都会逐渐减小，且当α值越小时，在交换机的数量相同的情况下，用于备份路径的流表项数占总的流表项数的比值(Nb/(Nb+Nw))越高，从而链路的重要性等级也就越高。
本发明实施例中的实验最后将SDN的连通度分别设置包括：40％、60％和80％，观察本发明方法在不同网络中用于链路故障恢复所需流表项的比重。
参见图8，图8为本发明实施例(IML)在不同连通度下用于链路故障恢复所需流表项的比重对比图。
由图8可知，在交换机的数量相同的情况下，SDN的连通度越高，用于链路故障恢复所需流表项的比重越小，另外，不同连通度的SDN随着交换机的数量的增多，用于链路故障恢复所需流表项的比重都会减小，且不同连通度的网络随着交换机的数量的变化，其用于链路故障恢复所需流表项的比重也都呈稳定变化，由此可见，本发明实施例(IML)方法在不同规模不同连通度的网络中都具有稳定有效的效果。
参见图9，图9为本发明实施例提供的一种SDN数据平面链路备份装置结构示意图，包括如下步骤：
第一获取模块901，用于获取SDN中每条链路上的数据流的数量，根据数据流的数量确定每条链路的重要性；
存储模块902，用于根据每条链路的重要性将SDN中的链路分别存储到至少两个不同的重要性等级集合中；
处理模块903，用于对重要性等级集合中重要性等级不同的链路采用不同的备份路径选取策略，不同的备份路径选取策略的备份路径数量不同；
发送模块904，用于根据备份路径选取策略生成备份路径的流表项，并向SDN中的交换机下发备份路径的流表项。
本发明实施例提供的一种SDN数据平面链路备份装置还包括：第二获取模块，用于获取SDN中每条链路上的带宽利用率；根据数据流的数量和带宽利用率确定每条链路的重要性。
进一步的，存储模块902还用于：
根据公式：
FNU(l)＝1-e[-FN(l)]
IMPL(l)＝[2(αFNU(l)+(1-α)BUR(l))]
确定每条链路的重要性等级IMPL(l)，其中，FN(l)表示链路l上经过的数据流的数量，FNU(l)表示链路l上经过的数据流的数量的标准化值，BUR(l)表示链路l的带宽利用率，IMPL(l)表示链路l的重要性等级，α表示调节系数，且α∈[0，1]；
根据每条链路的重要性等级IMPL(l)，将SDN中的链路l分别存储到至少两个不同的重要性等级集合中。
进一步的，存储模块902还用于：将SDN中的链路分别存储到三个不同的重要性等级集合中。
由此可见，通过SDN数据平面链路备份装置，先确定链路的重要性，根据不同重要性将链路划分为不同的重要性等级，再对不同重要性等级的链路采用不同的备份路径选取策略，最后向交换机下发备份路径的流表项，通过该方法能够有效的对故障恢复消耗较多存储资源的问题进行求解，节省了交换机中备份资源的消耗，并且在保证故障恢复时满足大部分通信业务的时延要求，从而提高了网络的可靠性。
需要说明的是，本发明实施例的装置是应用上述一种SDN数据平面链路备份方法的装置，则上述的一种SDN数据平面链路备份方法的所有实施例均适用于该装置，且均能达到相同或相似的有益效果。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种SDN数据平面链路备份方法，其特征在于，所述方法包括：
获取所述SDN中每条链路上的数据流的数量，根据所述数据流的数量确定所述每条链路的重要性；
根据所述每条链路的重要性将所述SDN中的链路分别存储到至少两个不同的重要性等级集合中；
对所述重要性等级集合中重要性等级不同的链路采用不同的备份路径选取策略，所述不同的备份路径选取策略的备份路径数量不同；
根据所述备份路径选取策略生成所述备份路径的流表项，并向所述SDN中的交换机下发所述备份路径的流表项。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
获取所述SDN中每条链路上的带宽利用率；
所述根据所述数据流的数量确定所述每条链路的重要性，包括：
根据所述数据流的数量和所述带宽利用率确定所述每条链路的重要性。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述每条链路的重要性将所述SDN中的链路分别存储到至少两个不同的重要性等级集合中，包括：
根据公式：
FNU(l)＝1-e[-FN(l)]
IMPL(l)＝[2(αFNU(l)+(1-α)BUR(l))]
确定所述每条链路的重要性等级IMPL(l)，其中，FN(l)表示链路l上经过的数据流的数量，FNU(l)表示链路l上经过的数据流的数量的标准化值，BUR(l)表示链路l的带宽利用率，IMPL(l)表示链路l的重要性等级，α表示调节系数，且α∈[0，1]；
根据所述每条链路的重要性等级IMPL(l)，将所述SDN中的链路l分别存储到至少两个不同的重要性等级集合中。
4.根据权利要求1～3任一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述每条链路的重要性将所述SDN中的链路分别存储到至少两个不同的重要性等级集合中，包括：
将所述SDN中的链路分别存储到三个不同的重要性等级集合中。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对所述重要性等级集合中重要性等级不同的链路采用不同的备份路径选取策略，包括：
对重要性等级最高集合中的链路采用双路径策略计算备份路径，所述双路径策略的备份路径包括两条备份路径；
对重要性等级第二高集合中的链路采用单路径策略计算备份路径，所述单路径策略的备份路径包括一条备份路径；
对重要性等级最低集合中的链路采用反应式策略计算备份路径，所述反应式策略在所述链路出现故障时实时计算备份路径。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述备份路径选取策略生成所述备份路径的流表项，并向所述SDN中的交换机下发所述备份路径的流表项，包括：
根据所述双路径策略生成两条备份路径的流表项，并向所述交换机下发所述流表项；
根据所述单路径策略生成一条备份路径的流表项，并向所述交换机下发所述流表项。
7.一种SDN数据平面链路备份装置，其特征在于，所述装置包括：
第一获取模块，用于获取SDN中每条链路上的数据流的数量，根据所述数据流的数量确定所述每条链路的重要性；
存储模块，用于根据所述每条链路的重要性将所述SDN中的链路分别存储到至少两个不同的重要性等级集合中；
处理模块，用于对所述重要性等级集合中重要性等级不同的链路采用不同的备份路径选取策略，所述不同的备份路径选取策略的备份路径数量不同；
发送模块，用于根据所述备份路径选取策略生成所述备份路径的流表项，并向所述SDN中的交换机下发所述备份路径的流表项。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：第二获取模块，用于获取所述SDN中每条链路上的带宽利用率；根据所述数据流的数量和所述带宽利用率确定所述每条链路的重要性。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述存储模块还用于：
根据公式：
FNU(l)＝1-e[-FN(l)]
IMPL(l)＝[2(αFNU(l)+(1-α)BUR(l))]
确定所述每条链路的重要性等级IMPL(l)，其中，FN(l)表示链路l上经过的数据流的数量，FNU(l)表示链路l上经过的数据流的数量的标准化值，BUR(l)表示链路l的带宽利用率，IMPL(l)表示链路l的重要性等级，α表示调节系数，且α∈[0，1]；
根据所述每条链路的重要性等级IMPL(l)，将所述SDN中的链路l分别存储到至少两个不同的重要性等级集合中。
10.根据权利要求7～9任一项所述的装置，其特征在于，所述存储模块还用于：将所述SDN中的链路分别存储到三个不同的重要性等级集合中。
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