CN107302496A - 一种基于带内控制的软件定义网络链路故障恢复方法 - Google Patents
一种基于带内控制的软件定义网络链路故障恢复方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明请求保护一种基于带内控制的软件定义网络链路故障恢复方法，属于通信网络技术领域。首先，SDN控制器使用LLDP协议来获取整个网络拓扑并生成控制网络，为控制网络上的链路计算备份路径并下发至相应组表。然后，一旦链路发生故障，交换机将故障信息发送至控制器，并触发交换机向控制器反馈网络的实时流量信息，控制器对网络拓扑和流量信息进行更新。最后，根据当前的网络拓扑和流量信息，计算出路径的资源消耗和链路的费用之和，以此选取最佳的恢复路径并下发流表至相应交换机，实现链路故障的恢复。该***在带内控制网络中，针对控制流采用备份路径进行恢复，对数据流采用自适应恢复，实现在故障恢复时链路资源的合理分配，提高网络整体性能。
Description
技术领域
本发明属于通信网络技术领域，涉及一种基于带内控制的软件定义网络链路故障恢复方法。
背景技术
受经济因素制约，大规模网络中普遍采用低成本的网络设备，从而存在链路失效、服务器失效和交换机失效等多种故障，据统计链路故障一年内的发生概率约为30％，是网络中较为普遍的现象。因此，保障网络可靠服务能力的失效恢复策略和容错机制已成为当前研究亟待解决的问题。SDN的故障管理在许多方面与传统网络的不同。在传统网络中，在链路故障时，分布式网络设备(例如路由器)根据改变的拓扑信息重建路由路径并更新路由表。然而，在SDN网络中，路由决策由集中式控制器做出。控制器检测拓扑变化，根据全网信息进行路径计算，并沿路由路径安装交换机的流表。SDN中的链路故障恢复机制主要有保护机制和恢复机制两种。
文献[Adrichem N L M V,Asten B J V,Kuipers F A.Fast Recovery inSoftware-Defined Networks[C]//Third European Workshop on Software DefinedNetworks.Budapest:IEEE Press,2014:61-66.]利用OpenFlow的组表提供的快速故障转移机制实现了SDN网络的故障恢复，该方法在计算工作路径时也会为每条流所经过的每个交换机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；文献[Adami D,Giordano S, Pagano M,et al.Class-based traffic recoverywith load balancing in software-defined networks[C]//GLOBECOMWorkshops.Austin:IEEE Press,2014:161-165.]利用了 OpenFlow的特点，以及时检测链路故障，并估计链路利用率，实现基于流量类别的故障恢复和负载均衡的SDN控制应用的设计。
通过对现有SDN中故障恢复的研究可以得出，目前针对SDN中链路故障问题的解决方案大多侧重采用本地恢复方式备份路径，但这种恢复方式没有充分利用SDN架构集中控制的特点，且没有考虑到故障恢复后全网流量的分布情况。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种均衡了带宽利用率较高链路上的流量的基于带内控制的软件定义网络链路故障恢复方法。本发明的技术方案如下：
一种基于带内控制的软件定义网络链路故障恢复方法，其包括以下步骤：
101、SDN控制器初始化网络拓扑，生成控制网络及其链路的备份路径；
102、当数据层链路发生故障，且该故障链路属于控制网络时，交换机使用快速故障切换组表切换转发路径，恢复控制流的传输，否则直接转到步骤103；
103、交换机将故障信息发送至控制器，并触发交换机向控制器反馈网络的实时状态信息，根据当前的网络拓扑和时延权重计算出源目的节点间的前K条最短路径；
104、根据实时流量信息，计算出步骤103的前K条最短路径的链路费用值之和以及路径的资源消耗率；
105、根据计算出的链路费用之和以及路径的资源消耗率设置目标函数，最终选取最佳的恢复路径并下发流表项。
进一步的，所述步骤101中SDN控制器利用LLDP协议掌握全局拓扑信息，采用Dijkstra算法计算出以SDN控制器为根结点的最短路径树，并下发流表项到相应交换机，同时为控制网络上的链路计算备份路径，并下发组表项到对应交换机。
进一步的，所述步骤102链路故障的检测是在交换机中加入BFD协议，通
过在节点之间周期性的发送检测报文来检测链路状态。
进一步的，所述步骤103根据当前的网络拓扑和时延权重计算出源目的节点间的前K条最短路径具体包括：首先计算出故障链路上游节点s到目的节点t 的最短路径，并求出该路径的时延权值；然后，依次去掉最短路径上的链路后求得次短路径和时延权值；最后，对上述路径的时延权值进行排序，得到前K 条最短路径作为备选路径。
进一步的，所述步骤104的定义链路费用函数和路径消耗率，链路费用函数由链路利用率进行度量，即
其中，链路利用率链路负载loadi,j(t)通过控制器实时监测交换机各端口和链路流量信息获得，φe(t)表示网络中链路利用率越高，则链路费用越高；
路径(s,t)的资源消耗率为即：
其中，Zp(s,t)表示路径(s,t)的效率，为节点s到路径(s,t)上其他节点的距离倒数之和的平均值，p表示路径上节点的数量，ds,k表示节点s到节点k的距离，用跳数来表示。
进一步的，所述步骤105定义目标函数为P，表示如下：
其中，在计算恢复路径时可通过调节系数α来决定恢复路径的费用和资源消耗率的权重，α的取值区间为[0,1]。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明提供的链路故障恢复方法，首先，初始化网络拓扑，生成控制网络及其链路的备份路径；然后，一旦链路发生故障，交换机将故障信息发送至控制器，并触发交换机向控制器反馈网络的实时流量信息，控制器对网络拓扑和流量信息进行更新；最后，根据当前的网络拓扑和流量信息，计算出链路的费用之和以及路径的资源消耗，以此选取最佳的恢复路径，控制器下发相关的流表项到对应交换机中，实现链路故障的恢复。
本发明在带内控制网络中，针对控制流采用备份路径进行恢复，对数据流采用自适应恢复，实现在故障恢复时链路资源的合理分配，提高网络整体性能。具体创新体现在步骤103、104和105对数据流的恢复路径计算上。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例流程示意图；
图2为根据本发明实施例提供的自定义网络拓扑图；
图3为本发明的整体架构；
图4为三种组合的平均带宽利用率情况；
图5为对比三种算法对自定义网络拓扑中链路负载变化情况。
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、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
本实施例选择Mininet仿真平台来进行***的功能测试，采用基于Python 编程语言的Ryu控制器来实现本发明设计的各功能模块，扩展了OpenvSwitch 的功能用于链路故障的检测。
本发明的技术方案如图1所示：
第一步，控制器利用LLDP协议掌握全局拓扑信息，采用Dijkstra算法计算出以控制器为根结点的最短路径树，并下发流表项到对应交换机。同时为控制网络上的链路计算备份路径，并下发组表项到对应交换机。
第二步，在交换机中加入BFD协议，通过在节点之间周期性的发送检测报文来检测链路状态。当链路故障发生，若故障链路属于控制网络，将影响控制流的传输，需要交换机使用fast failover组表切换转发路径，恢复控制流的传输。
第三步，首先计算出故障链路上游节点s到目的节点t的最短路径，并求出该路径的时延权值；然后，依次去掉最短路径上的链路后求得次短路径和时延权值；最后，对上述路径的时延权值进行排序，得到前K条最短路径作为备选路径。在本实施例中，取K＝3，图2为本发明的仿真拓扑图
第四步，定义链路费用函数和路径消耗率，链路费用函数由链路利用率进行度量，即
其中，链路利用率链路负载loadi,j(t)通过控制器实时监测交换机各端口和链路流量信息获得。φe(t)表示网络中链路利用率越高，则链路费用越高，而对于过载的链路给予惩罚性的高费用，以便实现网络的负载均衡，避免网络拥塞的发生。
路径(s,t)的资源消耗率为即：
其中，Zp(s,t)表示路径(s,t)的效率，为节点s到路径(s,t)上其他节点的距离倒数之和的平均值。|p|表示路径上节点的数量，ds,k表示节点s到节点k的距离，用跳数来表示。
第五步，综合考虑了恢复路径当前链路的负载情况和可能消耗的网络资源，以保障在故障恢复时网络的整体性能，将可用路径的链路费用和与资源消耗率加权求和之后对路径进行评估，定义目标函数为P，表示如下：
其中，在计算恢复路径时可通过调节系数α来决定恢复路径的费用和资源消耗率的权重，α的取值区间为[0,1]。本实施例取α＝0.5。
图3表示本发明所提故障恢复***的整体架构，主要包括拓扑发现模块，用于初始化时获取整个网络拓扑；链路信息集模块用于获取交换机端口的实时状态消息，为计算恢复路径提供数据支持；链路故障检测模块，用于对链路故障进行及时检测，向控制器发送故障消息；路径计算模块，用于控制器在接收到链路故障消息后，根据获取到的实时网络状态对故障链路计算恢复路径。
图4将控制流和数据流与Protection和Restoration这两种故障恢复机制进行 组合测试。主要测试下面三种组合：控制流和数据流都采用Restoration机制 (C-rest，D-rest)；控制流采用Protection机制和数据流采用Restoration机制(C-prot， D-rest)；控制流和数据流都采用Protection机制(C-prot，D-prot)。在实验中，依 次增大h1的流量发送速率，从0.5Mbps到4.5Mbps测试9组数据，计算网络的 平均带宽利用率，实验结果如图4所示。流量发送速率为0.5到2Mbps时，虽 然(C-prot，D-rest)组合的平均带宽利用率小于(C-prot，D-prot)组合，但是差距较 小。随着流量发送速率的增大，(C-prot，D-rest)组合的平均带宽利用率优于 (C-prot，D-prot)组合，且差距逐渐增大。这是由于随着发送速率的增大，网络 会发生拥塞，再加上链路故障的发生，(C-prot，D-prot)组合会导致丢包数量急 剧上升，从而影响网络的平均链路利用率，而(C-prot，D-rest)组合能够根据链路 负载情况选择恢复路径，从而降低了网络拥塞的发生。(C-rest，D-rest)组合由于 需要较长的恢复时间，其平均链路利用率一直低于(C-prot，D-rest)组合。
图5是通过与目前常用的故障恢复方案(FRA)和考虑负载的故障恢复方案 (CNV)进行对比，验证本发明提出的CA-FC算法性能。图5中BL为故障发生前各链路的带宽利用率。由图5(a)可以看出，在主路径上的链路<S1,S3>(2号链路)故障后，本发明所提算法CA-FC选取与FRA相同的备份路径 (S1-S2-S5-S8)，CNV通过对流进行分类传输，很好的均衡了带宽利用率较高链路上的流量。图5(b)在备份链路<S2,S5>上注入大量额外数据流，模拟高负载情况。从图5(b)可以看出，2号链路发生故障后，FRA配置的备份路径(S1-S2-S5-S8) 上的4号链路利用率达到0.9，而其他链路的带宽利用率却不足0.1。CNV除了 4号链路的带宽利用率增加外，其他链路与图5(a)变化不大。本发明提出的算法 CA-FC，在4号链路高负载的情况下，根据实时网络状况选取的备份路径为 (S1-S4-S7-S8)。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
Claims (6)
1.一种基于带内控制的软件定义网络链路故障恢复方法，其特征在于，包括以下步骤：
101、SDN控制器初始化网络拓扑，生成控制网络及其链路的备份路径；
102、当数据层链路发生故障，且该故障链路属于控制网络时，交换机使用快速故障切换组表切换转发路径，恢复控制流的传输，否则直接转到步骤103；
103、交换机将故障信息发送至控制器，并触发交换机向控制器反馈网络的实时状态信息，根据当前的网络拓扑和时延权重计算出源目的节点间的前K条最短路径；
104、根据实时流量信息，计算出步骤103的前K条最短路径的链路费用值之和以及路径的资源消耗率；
105、根据计算出的链路费用之和以及路径的资源消耗率设置目标函数，最终选取最佳的恢复路径并下发流表项。
2.根据权利要求1所述的基于带内控制的软件定义网络链路故障恢复方法，其特征在于，所述步骤101中SDN控制器利用LLDP协议掌握全局拓扑信息，采用Dijkstra算法计算出以SDN控制器为根结点的最短路径树，并下发流表项到相应交换机，同时为控制网络上的链路计算备份路径，并下发组表项到对应交换机。
3.根据权利要求1所述的基于带内控制的软件定义网络链路故障恢复方法，其特征在于，所述步骤102链路故障的检测是在交换机中加入BFD协议，通过在节点之间周期性的发送检测报文来检测链路状态。
4.根据权利要求1所述的基于带内控制的软件定义网络链路故障恢复方法，其特征在于，所述步骤103根据当前的网络拓扑和时延权重计算出源目的节点间的前K条最短路径具体包括：首先计算出故障链路上游节点s到目的节点t的最短路径，并求出该路径的时延权值；然后，依次去掉最短路径上的链路后求得次短路径和时延权值；最后，对上述路径的时延权值进行排序，得到前K条最短路径作为备选路径。
5.根据权利要求1所述的基于带内控制的软件定义网络链路故障恢复方法，其特征在于，所述步骤104的定义链路费用函数和路径消耗率，链路费用函数由链路利用率进行度量，即
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其中，链路利用率链路负载loadi,j(t)通过控制器实时监测交换机各端口和链路流量信息获得，φe(t)表示网络中链路利用率越高，则链路费用越高；
路径(s,t)的资源消耗率为即：
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其中，Zp(s,t)表示路径(s,t)的效率，为节点s到路径(s,t)上其他节点的距离倒数之和的平均值，p表示路径上节点的数量，ds,k表示节点s到节点k的距离，用跳数来表示。
6.根据权利要求5所述的基于带内控制的软件定义网络链路故障恢复方法，其特征在于，所述步骤105定义目标函数为P，表示如下：
其中，在计算恢复路径时可通过调节系数α来决定恢复路径的费用和资源消耗率的权重，α的取值区间为[0,1]。
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