CN109768924B - 一种面向多流共存的sdn网络多链路故障恢复方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向多流共存的SDN网络多链路故障恢复方法及***，其中的方法包括：当监测到SDN网络中发生链路故障时，获取所有故障链路的起点、终点及所有中断数据流的原路径和带宽需求，更新网络拓扑并计算当前正常链路的可用带宽；基于当前网络拓扑和可用带宽，为中断数据流计算重路由路径；根据重路由路径生成流表项，并安装到相应的交换机，完成中断数据流的重路由。本发明适用于SDN网络中有多条链路故障且每条故障链路上有多条数据流经过的场景，以最小化控制器与交换机的通信成本为目标，通过分解原优化问题为多个可并行执行的子问题，实现故障的快速恢复，减少流表项的安装费用，缩短服务中断时间,保证数据流的连贯性，提高SDN网络的性能。

Description

一种面向多流共存的SDN网络多链路故障恢复方法及***

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种面向多流共存的SDN网络多链路故障恢复方法及***。

背景技术

SDN(软件定义网络，Software Defined Network)是一种新型的网络架构模型，它的主要特性是控制功能与转发功能分离，将传统网络设备中的控制功能解耦，形成一个集中式的控制平面。SDN网络具有实时获取网络拓扑并监测网络状态的特征，可对网络路由进行复杂而精细的控制。

链路故障是网络中经常遇到的问题，一年内的发生概率为30％。在传统网络中当链路发生故障时，由路由器根据正常的网络拓扑重建路由路径并更新路由表，而在SDN网络中故障恢复策略由控制器做出，当前SDN网络的故障恢复存在两种方法：备份机制和恢复机制。

备份机制，既由网络管理员指定哪些链路是易发生故障的链路，当网络中有新流到达且流路由经过故障链路时，由控制器为该流计算两条路径：一条工作路径，一条备份路径，然后将这两条路径对应的流表安装在相应的交换机上。当链路发生故障工作路径失效时，交换机迅速启动安装在其上的备份路径流规则，这种方法省去了控制器和交换机的信息交互，能实现故障的快速恢复，但是需要在交换机上存储备用的流表项，会带来较多的交换机存储资源开销。

恢复机制，既当控制器监测到某条链路发生故障时，由控制器为故障链路重新计算一条替代路径，然后生成替代路径的流规则并安装在相应的交换机上，将流重路由到替代路径上，这个过程会涉及到控制器和交换机的信息交互，相比备份机制来说，会产生更多的恢复时间。但是，即使对于已有备份路径的网络中，大量数据流的备份路径可能发生冲突，备份路径也可能发生故障，因此，及时快速地将网络恢复到正常状态是一个非常重要的问题。

目前针对SDN网络链路故障恢复的解决方案大多是针对单条链路故障的场景，方法为追溯到故障链路的起点和终点选择这两点之间的最短路径或者是选出这两点之间的所有路径再从中选择优化路径；关于多条链路故障的研究也仅限于只有一条数据流中断的场景。目前已有的方法仅适用于小型网络或者简单的单链路故障，尚未见到考虑多条链路故障且存在多条中断数据流的场景，这种现状距离真实的网络环境相差较远，无法实现多流共存时多条链路故障的快速恢复。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种面向多流共存的SDN网络多链路故障恢复方法及***。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种面向多流共存的SDN网络多链路故障恢复方法，包括：

步骤1、当监测到SDN网络发生链路故障时，获取所有故障链路的起点和终点及所有中断数据流的原路径和带宽需求，更新网络拓扑并计算当前正常链路的可用带宽；

步骤2、基于当前所述网络拓扑和所述可用带宽，为所述中断数据流计算重路由路径，其中，所述计算的过程以安装流表项的数量最少为目标函数，将所述中断数据流的原路径的源点和目的点分别作为所述重路由路径的起点和终点，以所述重路由路径的起点只有流出流量、终点只有进入流量、中间节点满足流量守恒为等式约束条件、以所述重路由路径的带宽需求小于所述当前正常链路的可用带宽为不等式约束条件；

步骤3、根据所述重路由路径生成流表项，并将所述流表项安装到相应的交换机，完成所述中断数据流的重路由。

为实现上述发明目的，本发明还提供一种面向多流共存的SDN网络多链路故障恢复***，包括：

获取模块，用于当监测到SDN网络发生链路故障时，获取所有故障链路的起点和终点及所有中断数据流的原路径和重路由路径的带宽需求，更新网络拓扑并计算当前正常链路的可用带宽；

生成模块，用于基于当前所述网络拓扑和所述可用带宽，为所述中断数据流计算重路由路径，其中，所述计算的过程以安装流表项的数量最少为目标函数，将所述中断数据流的原路径的源点和目的点分别作为所述重路由路径的起点和终点，以所述重路由路径的起点只有流出流量、终点只有进入流量、中间节点满足流量守恒为等式约束条件、以所述重路由路径的带宽需求小于所述当前正常链路的可用带宽为不等式约束条件；

安装模块，用于根据所述重路由路径生成流表项，并将所述流表项安装到相应的交换机，完成所述中断数据流的重路由。

本发明的有益效果是：以最小化控制器与交换机之间的通信成本，即安装流表项的数量最少为优化目标，通过求解规划问题生成受影响流的重路由路径，能够大大减少流表项的安装费用，缩短服务中断时间,保证数据流的连贯性，提高SDN网络的性能，其中，规划问题以所有流的恢复路径流量需求小于当前可用带宽为约束条件，避免了恢复后的路径仍然存在链路拥塞。本发明适用于SDN网络中多条链路发生故障，且每条故障链路上都有多条数据流经过的场景，更接近于真实的SDN网络环境，本发明提出的算法能够分布式执行，具有较高的效率，能在控制器上快速部署和实施，具有良好的通用性和现实意义。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种面向多流共存的SDN网络多链路故障恢复方法的流程图；

图2为SDN网络架构图；

图3为本发明实施例提供的一种面向多流共存的SDN网络多链路故障恢复方法中步骤S2的具体流程图；

图4为本发明实施例提供一种面向多流共存的SDN网络多链路故障恢复***的架构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

图1为本发明实施例提供的一种面向多流共存的SDN网络多链路故障恢复方法的流程图，如图1所示，该方法包括：

S1、当监测到SDN网络发生链路故障时，获取所有故障链路的起点和终点及所有中断数据流的原路径和带宽需求，更新网络拓扑并计算当前正常链路的可用带宽；

具体的，如图2所示为SDN网络架构图，包括底层设备和控制器两部分。底层设备需要支持Openflow协议，当交换机收到数据包时，若交换机中没有流表或者没有流表匹配项，则会将数据包通过packet_in消息发送给控制器处理，控制做出相应的决策后再下发流表到交换机，完成数据流的路由，控制器是本架构的核心，南向接口通过Openflow协议与交换机进行交互。

基于上述架构，SDN控制器获取网络拓扑，按照配置好的路由算法转发到达网络的数据流，并周期性监测网络状态；一旦发生链路故障，控制器获取故障链路及受影响的流信息，包括源点、目的点、发送速率及原路由路径，更新网络拓扑并计算当前链路的可用带宽。

其中，SDN控制器利用LLDP协议获取全局网络拓扑信息，同时监测交换机端口状态，当交换机的端口状态由up变为down时，提示交换机端口故障，则与之相连的链路也发生故障。同时定期发送LLDP分组的packet-out消息并根据反馈回来的packet-in消息监测交换机的状态。

利用如下方法计算当前可用带宽：控制器时间周期T发送FlowStatsReq消息询问交换机端口计数器中字节数.然后,根据一个周期内端口计数器字节数的变化计算出t时刻此链路的已用带宽B(t).

那么可用带宽就等于AB(t)＝AWB-B(t)，其中AWB表示链路的固定总带宽。

S2、基于当前所述网络拓扑和所述可用带宽，为所述中断数据流计算重路由路径，其中，所述计算的过程以安装流表项的数量最少为目标函数，将所述中断数据流的原路径的源点和目的点分别作为所述重路由路径的起点和终点，以所述重路由路径的起点只有流出流量、终点只有进入流量、中间节点满足流量守恒为等式约束条件、以所述重路由路径的带宽需求小于所述当前正常链路的可用带宽为不等式约束条件；

该步骤可按照以下推导步骤进行转化：

1)对本发明所要解决的多流共存的SDN网络多链路故障的快速恢复问题进行建模，以最小化控制器和交换机之间的通信成本为目标函数，即安装流表项的数量最少，以重路由路径的流量守恒为等式约束条件、以重路由路径的带宽需求小于当前SDN网络的可用带宽和原路径为不等式约束条件，可构成0-1非线性规划问题；

具体的，假定SDN网络的网络拓扑表示为G＝(V,E)，其中V表示网络中的节点集合，E表示网络中的链路集合；用(i,j)代表网络中的一条链路，其中，i为链路的起点，j为链路的终点，每条链路(i,j)的当前可用带宽为AB_ij，设发生故障的链路集合为L，E\L表示在网络拓扑中删除掉故障链路后得到的链路集合，作为更新后的网络拓扑，所有故障链路上中断数据流f的集合为F，中断数据流f的数量为m，流f∈F的带宽需求为R^f，流f的源点和目的点分别为(s_f,d_f)；令

表示流f∈F的原路径是否经过链路(i,j)，其中

表示流f的原路径经过链路(i,j)，

表示流f的原路径不经过链路(i,j)；令

表示流f∈F的重路由路径是否经过链路(i,j)，其中

表示流f的重路由路径经过链路(i,j)，

表示流f的重路由路径不经过链路(i,j)；

构建的数学模型如下：

其中，(1)为等式约束条件，(2)为不等式约束条件。

上述模型中，优化目标表示控制器和交换机之间的通信成本，因为SDN网络故障恢复过程中最主要的成本就是流表的删除和添加给控制器和交换机带来的通信开销，控制器通过给相应交换机下发一条流表完成一条链路的删除或者添加，因此所有流的原路径到恢复路径的变化，也就是说不重复链路数量之和，表示所有需要删除或者添加的流表项数量。

约束(1)表示将流f的源点和目的点作为寻找恢复路径的起点和终点，对于流f的恢复路径来说，在起点只有流出流量，终点只有进入流量，中间节点满足流量守恒。约束(2)表示所有流f∈F的恢复路径在每条链路上的占用资源都必须小于当前链路的可用带宽，避免恢复路径引起网络拥塞。

2)利用问题变量的0-1特性结合绝对值函数的性质，将上述0-1非线性规划问题等价转换为不含绝对值函数的0-1线性规划模型。

具体步骤如下：

3)应用拉格朗日松弛法将多流之间占用带宽的耦合约束松弛到目标函数中进行解耦，将原问题分解为多个子问题，每个子问题都为一个0-1线性规划问题，代表单条流路径上有多条链路故障的快速恢复问题。

松弛原模型中的约束(2)，定义拉格朗日乘子为ω_ij，可得如下的拉格朗日松弛函数：

分解G(y,ω)，对每条流f可得子问题为：

s.t. (1),(3)

其中ω_ij可以理解为链路(i,j)上的拥塞度量，用来描述链路(i,j)上带宽资源的占用情况，采用次梯度算法，ω_ij可用下式进行更新：

(7)式中k为迭代次数，

和

分别表示第k+1次和第k次迭代的拉格朗日乘子的值，

表示G(y,ω)在

点的次梯度，α_k表示沿次梯度方向第k次迭代时的步长因子，α_k的选择须满足条件：α_k≥0,

和

三个条件，本实施办法令

对上述子问题(6)来说，

是已知变量，因此，问题(6)等价于如下优化问题(8)：

s.t. (1),(3)

4)根据子问题的约束条件，构造全新的网络拓扑和链路权重，采用经典最短路径算法求解子问题。

对上述模型(8)，可以用求最短路径的经典算法-Dijkstra算法求解。构造一个新的网路拓扑，令E'＝E\L，E表示原网络拓扑，L表示故障链路集合，E'表示在原网络拓扑中删除掉故障链路后得到的链路集合。那么，模型(8)就等价于当网络拓扑为E'，链路权重为

时，源点s_f到目的点d_f的最短路径问题。

5)计算收敛条件，若迭代已收敛，则得到最终结果；否则更新拉格朗日乘子，并且跳转至步骤3)；收敛条件是指所有流的重路由路径中不存在拥塞链路。在本实施例中，即为判断是否满足

综合步骤1)至5)的推导过程，步骤S2可按照以下步骤执行：

S2.1、将所述目标函数及所述不等式约束条件进行转换，得到转换后的目标函数H：

其中，

拉格朗日乘子ω_ij的初始值为0，转换后的目标函数H及所述等式约束条件等价于链路权重等于

的最短路径问题；

采用最短路径算法并行求解转换后的目标函数H，得到每一条中断数据流f的最短路径；

S2.2、判断所有中断数据流f的最短路径是否满足条件

若满足则将所述最短路径作为所述中断数据流f的重路由路径，否则进入下一步；

S2.3、采用次梯度算法更新ω_ij，返回步骤S2.1。

上述步骤S2的具体流程图如图3所示。

S3、根据所述重路由路径生成流表项，并将所述流表项安装到相应的交换机，完成所述中断数据流的重路由。

本发明实施例提供一种面向多流共存的SDN网络多链路故障恢复方法，以最小化控制器与交换机之间的通信成本，即安装流表项的数量最少为优化目标，通过求解规划问题生成受影响流的重路由路径，能够大大减少流表项的安装费用，缩短服务中断时间,保证数据流的连贯性，提高SDN网络的性能，其中，规划问题以所有流的恢复路径流量需求小于当前可用带宽为约束条件，避免了恢复后的路径仍然存在链路拥塞。本发明适用于SDN网络中多条链路发生故障，且每条故障链路上都有多条数据流经过的场景，更接近于真实的SDN网络环境，本发明提出的算法能够分布式执行，具有较高的效率，能在控制器上快速部署和实施，具有良好的通用性和现实意义。

本发明实施例提供一种面向多流共存的SDN网络多链路故障恢复***，如图4所示，该***包括：

获取模块，用于当监测到SDN网络发生链路故障时，获取所有故障链路的起点和终点及所有中断数据流的源点、目的点和重路由路径的带宽需求，更新网络拓扑并计算当前正常链路的可用带宽；

生成模块，用于基于当前所述网络拓扑和所述可用带宽，为所述中断数据流计算重路由路径，其中，所述计算的过程以安装流表项的数量最少为目标函数，将中断数据流的源点和目的点分别作为所述重路由路径的起点和终点，以所述重路由路径的起点只有流出流量、终点只有进入流量、中间节点满足流量守恒为等式约束条件、以所述重路由路径的带宽需求小于所述当前正常链路的可用带宽为不等式约束条件；

安装模块，用于根据所述重路由路径生成流表项，并将所述流表项安装到相应的交换机，完成所述中断数据流的重路由。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种面向多流共存的SDN网络多链路故障恢复方法，其特征在于，包括：

步骤1、当监测到SDN网络发生链路故障时，获取所有故障链路的起点和终点及所有中断数据流的原路径和带宽需求，更新网络拓扑并计算当前正常链路的可用带宽；

步骤2、基于当前所述网络拓扑和所述可用带宽，为所述中断数据流计算重路由路径，其中，所述计算的过程以安装流表项的数量最少为目标函数，将所述中断数据流的原路径的源点和目的点分别作为所述重路由路径的起点和终点，以所述重路由路径的起点只有流出流量、终点只有进入流量、中间节点满足流量守恒为等式约束条件、以所述重路由路径的带宽需求小于所述当前正常链路的可用带宽为不等式约束条件；

步骤3、根据所述重路由路径生成流表项，并将所述流表项安装到相应的交换机，完成所述中断数据流的重路由；

所述更新网络拓扑的步骤包括：将在网络拓扑中删除掉故障链路后得到的链路集合，作为更新后的网络拓扑；

所述SDN网络的网络拓扑表示为G＝(V,E)，其中V表示网络中的节点集合，E表示网络中的链路集合；用(i,j)代表网络中的一条链路，其中，i为链路的起点，j为链路的终点；

所述目标函数为：

其中，L为发生故障的链路集合，E\L表示在网络拓扑中删除掉故障链路后得到的链路集合，F为所有故障链路上中断数据流f的集合，

表示流f∈F的原路径是否经过链路(i,j)，其中

表示流f的原路径经过链路(i,j)，

表示流f的原路径不经过链路(i,j)；令

表示流f∈F的重路由路径是否经过链路(i,j)，其中

表示流f的重路由路径经过链路(i,j)，

表示流f的重路由路径不经过链路(i,j)；

所述等式约束条件为：

其中，(s_f,d_f)分别为流f的源点和目的点；

所述不等式约束条件为：

其中，AB_ij为每条链路(i,j)的当前可用带宽，R^f为流f∈F的带宽需求。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：

步骤2.1、将所述目标函数及所述不等式约束条件进行转换，得到转换后的目标函数H：

其中，

拉格朗日乘子ω_ij的初始值为0，转换后的目标函数H及所述等式约束条件等价于链路权重等于

的最短路径问题；

采用最短路径算法并行求解转换后的目标函数H，得到每一条中断数据流f的最短路径；

步骤2.2、判断所有中断数据流f的最短路径是否满足条件

若满足则将所述最短路径作为所述中断数据流f的重路由路径，否则进入下一步；

步骤2.3、采用次梯度算法更新ω_ij，返回步骤2.1。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤2.3具体包括：采用下式进行更新ω_ij：

其中，k为迭代次数，

和

分别表示第k+1次和第k次迭代的拉格朗日乘子的值，α_k表示沿次梯度方向第k次迭代时的步长因子，α_k满足以下三个条件：

α_k≥0,

和

4.一种面向多流共存的SDN网络多链路故障恢复***，其特征在于，包括：

获取模块，用于当监测到SDN网络发生链路故障时，获取所有故障链路的起点和终点及所有中断数据流的原路径和重路由路径的带宽需求，更新网络拓扑并计算当前正常链路的可用带宽；

生成模块，用于基于当前所述网络拓扑和所述可用带宽，为所述中断数据流计算重路由路径，其中，所述计算的过程以安装流表项的数量最少为目标函数，将所述中断数据流的原路径的源点和目的点分别作为所述重路由路径的起点和终点，以所述重路由路径的起点只有流出流量、终点只有进入流量、中间节点满足流量守恒为等式约束条件、以所述重路由路径的带宽需求小于所述当前正常链路的可用带宽为不等式约束条件；

安装模块，用于根据所述重路由路径生成流表项，并将所述流表项安装到相应的交换机，完成所述中断数据流的重路由；

所述获取模块，具体用于将在网络拓扑中删除掉故障链路后得到的链路集合，作为更新后的网络拓扑；

所述SDN网络的网络拓扑表示为G＝(V,E)，其中V表示网络中的节点集合，E表示网络中的链路集合；用(i,j)代表网络中的一条链路，其中，i为链路的起点，j为链路的终点；

所述目标函数为：

其中，L为发生故障的链路集合，E\L表示在网络拓扑中删除掉故障链路后得到的链路集合，F为所有故障链路上中断数据流f的集合，

表示流f∈F的原路径是否经过链路(i,j)，其中

表示流f的原路径经过链路(i,j)，

表示流f的原路径不经过链路(i,j)；令

表示流f∈F的重路由路径是否经过链路(i,j)，其中

表示流f的重路由路径经过链路(i,j)，

表示流f的重路由路径不经过链路(i,j)；

所述等式约束条件为：

其中，(s_f,d_f)分别为流f的源点和目的点；

所述不等式约束条件为：

其中，AB_ij为每条链路(i,j)的当前可用带宽，R^f为流f∈F的带宽需求。

5.根据权利要求4所述的***，其特征在于，所述生成模块具体包括：

求解单元，用于将所述目标函数及所述不等式约束条件进行转换，得到转换后的目标函数H：

其中，

拉格朗日乘子ω_ij的初始值为0，转换后的目标函数H及所述等式约束条件等价于链路权重等于

的最短路径问题；

采用最短路径算法并行求解转换后的目标函数H，得到每一条中断数据流f的最短路径；

判断单元，用于判断所有中断数据流f的最短路径是否满足条件

若满足则将所述最短路径作为所述中断数据流f的重路由路径；

更新单元，用于当所述判断单元判断所有中断数据流f的最短路径不满足条件

时，采用次梯度算法更新ω_ij。

6.根据权利要求5所述的***，其特征在于，所述更新单元具体用于：采用下式进行更新ω_ij：

其中，k为迭代次数，

和

分别表示第k+1次和第k次迭代的拉格朗日乘子的值，α_k表示沿次梯度方向第k次迭代时的步长因子，α_k满足以下三个条件：

α_k≥0,

和

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