CN114710424B - 基于软件定义网络的主机侧数据包处理延时测量方法 - Google Patents

基于软件定义网络的主机侧数据包处理延时测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于软件定义网络的主机侧数据包处理延时测量方法，将包处理延时测量任务负载到架可编程交换机上，利用可编程交换机的高处理性能实现延时异常测量的全覆盖性和低负载性。通过协调主机端和可编程交换机共同完成整体的测量任务，以避免高速包处理速率下交换机内存溢出导致测量精度损失，最后由交换机根据计算出的处理延迟检测异常数据包，并报告给部署在控制层的分析器作进一步处理。通过结合可编程交换机的高处理性能和主机端的存储能力，实现延时异常测量的全覆盖性和低负载性，该方法简单，实现灵活，实用性强。

Description

基于软件定义网络的主机侧数据包处理延时测量方法
技术领域
本发明属于计算机软件，软件定义网络技术领域，尤其涉及一种基于软件定义网络的主机侧数据包处理延时测量方法。
背景技术
现代数据中心网络（DCNs）支持许多对延迟敏感的应用，如网上冲浪、支付服务和在线社交网络。这些应用在DCN终端主机之间产生TCP流。它们还对TCP流的端到端延迟发布严格的服务水平目标（SLO）。例如，一个SLO要求99%的流量在ms内完成。在这种情况下，偶尔出现毫秒的端到端延迟异常是不可接受的，因为它降低了用户体验，减少了收入。 因此，DCN管理员被强烈要求及时发现延迟异常，这样他们就可以快速排除故障以恢复SLO，从而最大限度地减少收入损失。研究表明，主机端延迟在TCP流的整体端到端延迟中占主导地位，它表示TCP数据包进入终端主机和终端主机返回相应响应之间的时间。因此，对主机侧的分析延迟被认为是DCN的一个基本构件。这种分析需要全面覆盖和低开销。对于全覆盖，分析应该测量所有数据包的延迟，以提供主机侧状态的完整视图。对于低开销，分析本身则不应产生影响主机侧性能的高CPU消耗。
现有的主机端延时分析解决方案在全覆盖与低开销之间存在着权衡取舍。基于***调用的解决方案在终端主机的用户空间运行。它们调用***调用，从驻扎在内核空间的网络栈中收集***日志和TCP连接信息。为了实现全面覆盖，他们必须频繁地调用***调用以获得实时统计数据，这样做不可避免地会产生高CPU消耗，并降低主机端性能；基于路径追踪的解决方案在终端主机的内核空间工作，利用内核空间网络堆栈的功能来***追踪点，在主机端处理过程中追踪每个数据包的路径。因此，他们能够实现延时分析的全覆盖。然而，使用大量的追踪点也会导致非同小可的CPU消耗。；基于抽样的解决方案通过数据包采样来减轻上述解决方案的开销。他们选择一些数据包作为采样率的样本并只测量样本的延时。虽然这些解决方案实现了低开销，但由于有选择地进行采样，采样本身就存在低覆盖率和低准确性的问题。这使得采样不适合大多数监测任务，包括主机侧延迟的分析。
发明内容
为了弥补现有技术的缺陷和不足，本发明提出一种基于软件定义网络的主机侧数据包处理延时测量方法，即一种将剖析操作卸载到可编程交换机，提供全覆盖和低开销的主机侧延迟分析的方法，用于有效解决处理延迟测量高开销或低覆盖率的问题的问题。
其将包处理延时测量任务负载到架可编程交换机上，利用可编程交换机的高处理性能实现延时异常测量的全覆盖性和低负载性。通过协调主机端和可编程交换机共同完成整体的测量任务，以避免高速包处理速率下交换机内存溢出导致测量精度损失，最后由交换机根据计算出的处理延迟检测异常数据包，并报告给部署在控制层的分析器作进一步处理。
包处理延时测量方法主要包括以下步骤：（1）部署在交换机上的处理程序识别并收集TCP请求数据包达到时间戳tin；（2）终端主机收到TCP请求并调用其网络堆栈进行处理。当请求到达堆栈的网络层时，代理程序拦截请求并从IP选项字段中提取tin，将请求交付给上层堆栈的同时存储tin在队列中；（3）代理程序从传输层收到与请求相对应的响应请求。删除在存储队列中的tin。在IP选项字段中记录tin，并将响应发送回可编程交换机；（4）当交换机收到请求时，处理程序从请求中提取tin，并记录当前的***时间tout，计算出宿主端请求的延迟，并向控制平面发送报告；本发明通过结合可编程交换机的高处理性能和主机端的存储能力，实现延时异常测量的全覆盖性和低负载性，该方法简单，实现灵活，实用性强。
本发明具体采用以下技术方案：
一种基于软件定义网络的主机侧数据包处理延时测量方法，其特征在于：将包处理延时测量任务负载架设在可编程交换机上,，利用可编程交换机的高处理性能实现延时异常测量的全覆盖性和低负载性；通过协调主机端和可编程交换机共同完成整体的测量任务，以避免高速包处理速率下交换机内存溢出导致测量精度损失；最后由交换机根据计算出的处理延迟检测异常数据包，报告给部署在控制层的分析器作进一步处理。
进一步地，为了解决延时分析问题，在主机侧和交换机侧分别部署处理程序和代理程序，各自针对整体测量任务不同部分提出数据包处理逻辑，其包处理延时测量方法具体包括以下步骤：
设外界发往主机侧TCP请求数据包后，主机侧向外界应答响应数据包：
步骤S1：部署在交换机上的处理程序识别并收集TCP请求数据包达到时间戳tin；
步骤S2：终端主机收到TCP请求并调用其网络堆栈进行处理；当请求到达堆栈的网络层时，所述代理程序拦截请求并从IP选项字段中提取tin，将请求交付给上层堆栈的同时存储tin在队列中；
步骤S3：所述代理程序从传输层收到与请求相对应的响应请求；删除在存储队列中的tin；在IP选项字段中记录tin，并将响应发送回可编程交换机；
步骤S4：当交换机收到请求时，处理程序从请求中提取tin，并记录当前的***时间tout，计算出宿主端请求的延迟，并向控制平面发送报告。
进一步地，将包处理延迟测量任务转化为以下六个局部子任务：(1)数据包的类型识别，(2)收集请求数据包到达时间戳tin，(3) 存储包处理期间Gbps量级时间戳信息，(4)收集响应数据包到达时间戳tout，(5)计算包处理延迟，(6)识别延迟异常包并向控制平面报告。
进一步地，在步骤S1中，所述处理程序执行识别数据包类型时忽略SYN和FIN数据包，以避免影响TCP连接的建立和终止；对于其他TCP数据包，检查该数据包的出***换机端口ρ，若其连接到DCN结构中的外部交换机，则该数据包也被忽略；否则，处理程序检查IP可选项字段修改情况以识别该数据包的类型，同时修改请求数据包的IP可选项字段，将时间戳信息存入后传递给终端主机，以避免高速转发环境下交换机内存溢出导致的测量精度损失。
进一步地，在步骤S2中，所述代理程序部署在网络层，拦截主机端网络堆栈中即将进入传输层解析的请求数据包，从被丢弃的IP可选项字段中提取时间戳tin并提供有效载荷数据供高层应用接收。
进一步地，在步骤S3中，所述代理程序在主机侧网络堆栈的网络层中创建一组队列Q，用于管理附加到流量请求的时间戳；当终端主机收到一个请求数据包，代理程序根据请求的五元组的散列结果键来定位队列Q[key]并存储时间戳tin；当收到来自传输层的响应时，代理程序利用请求包的TCP确认号和响应TCP序列号之间的等价关系在队列中定位并剔除时间戳tin。
进一步地，在步骤S4中，所述处理程序利用提取出的时间戳tin和包到达时间戳tout计算包处理延时t；并设定可配置的阈值θ，对于延迟t>θ，生成一份包含延迟t、数据包的五元组，连同接收数据包的入***换机端口的标识符延迟报告发送给分析器,用于在检测覆盖率和带宽开销之间进行权衡。
与现有技术相比，本发明及其优选方案结合可编程交换机的高处理性能和主机端的存储特性，协调主机端和可编程交换机共同完成整体的测量任务，实现包处理延时测量的全覆盖性和低负载性，可以有效避免交换机内存溢出和主机侧***调用时间消耗，有效解决了在包处理延时测量方面难以同时满足全覆盖性和低负载性的问题。
附图说明
图1为本发明实施例部署在交换机端的处理程序架构示意图；
图2为本发明实施例部署在主机端的代理程序程序架构示意图。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本说明书使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本实施例提出了基于软件定义网络的主机侧数据包处理延时测量方法。该方法将包处理延时测量任务解耦后选择性负载局部子任务到可编程交换机上，利用可编程交换机的高处理性能实现延时异常测量的全覆盖性和低负载性。通过协调主机端和可编程交换机共同完成整体的测量任务，以避免高速包处理速率下交换机内存溢出导致测量精度损失，最后由交换机根据计算出的处理延迟检测异常数据包，并报告给部署在控制层的分析器用以作进一步处理。特别的是，本实施例针对整体测量任务分别在交换机端和主机端部署处理程序和代理程序，运行不同的数据包处理逻辑,具体如下：
1.识别并收集TCP请求数据包信息：如图1所示，对于每个到达的TCP数据包，处理程序首先执行识别数据包类型的操作。具体来说，它忽略了SYN和FIN数据包，以避免影响TCP连接的建立和终止。对于任何其他TCP数据包，则检查该数据包的交换机出端口ρ。如果ρ连接到DCN结构中的外部交换机，处理程序也将忽略该数据包。否则，处理程序会检查数据包的IP可选项字段；如果IP选项是空的，那么该数据包还没有被代理程序处理过，因此它被识别为一个新的请求。否则，该数据包将被识别为一个由终端主机返回的响应包。特别的，对于识别出的请求包，处理程序将当前时间tin嵌入该数据包的IP可选项字段。
2.代理程序程序处理逻辑：当一个请求到达终端主机时，它将被传递到主机侧的网络堆栈。堆栈分析数据包头，并提供有效载荷数据供高层应用接收。
（1）如图2所示，当请求包进入传输层时，其IP头部将被默认丢弃。代理程序在网络层拦截请求，在IP头部被丢弃之前存储tin，保证其剖析操作的正常执行。代理程序创建了一组Q队列用于tin存储，每个队列都与一个由流量的五元组识别的特定流量相关，以此索引附加到请求包上的时间戳。特别的是，当存储一个请求的tin，它也在队列中存储该请求的确认号码。
（2）如图2所示，当从传输层传来一个数据包时，代理程序交换数据包的五元组的源字段和目的字段，并通过散列获得密钥。它使用数据包的序列号查询Q[key]中的相应位置。如果查找失败，即代理程序之前记录的确认号中没有该序列号，则该数据包是一个由终端主机发送的新请求，并且没有被处理程序分析过。因此，代理程序忽略了这个数据包。否则，它将定位后相应位置上的tin重新嵌入到数据包的IP可选项字段中，并传递回交换机。
数据包处理延时计算：如图1所示，当处理程序识别到终端主机传回的响应数据包后，处理程序会执行另外三个剖析操作。首先，它记录收到该响应包时的时间戳tout。其次，它从IP选项中检索出tin，计算出主机端处理延迟t = tout - tin，并重新设置IP选项。最后，有选择地将延迟数据报告给分析器，由分析器基于收到的数据进一步分析延迟的异常情况。
本实施例提供的以上程序设计方案可以代码化的形式存储在计算机可读取存储介质中，并以计算机程序的方式进行实现，并通过计算机硬件输入计算所需的基本参数信息，并输出计算结果。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（装置）、和计算机程序产品的流程图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图中的每一流程、以及流程图中的流程结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程图中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程中指定的功能的步骤。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的基于软件定义网络的主机侧数据包处理延时测量方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种基于软件定义网络的主机侧数据包处理延时测量方法，其特征在于：将包处理延时测量任务负载架设在可编程交换机上,通过协调主机端和可编程交换机共同完成整体的测量任务，最后由交换机根据计算出的处理延迟检测异常数据包，报告给部署在控制层的分析器作进一步处理；
在主机侧和交换机侧分别部署处理程序和代理程序，各自针对整体测量任务不同部分提出数据包处理逻辑，其包处理延时测量方法具体包括以下步骤：
设外界发往主机侧TCP请求数据包后，主机侧向外界应答响应数据包：
步骤S1：部署在交换机上的处理程序识别并收集TCP请求数据包达到时间戳tin；
步骤S2：终端主机收到TCP请求并调用其网络堆栈进行处理；当请求到达堆栈的网络层时，所述代理程序拦截请求并从IP选项字段中提取tin，将请求交付给上层堆栈的同时存储tin在队列中；
步骤S3：所述代理程序从传输层收到与请求相对应的响应请求；删除在存储队列中的tin；在IP选项字段中记录tin，并将响应发送回可编程交换机；
步骤S4：当交换机收到请求时，处理程序从请求中提取tin，并记录当前的***时间tout，计算出宿主端请求的延迟，并向控制平面发送报告；
在步骤S1中，所述处理程序执行识别数据包类型时忽略SYN和FIN数据包，以避免影响TCP连接的建立和终止；对于其他TCP数据包，检查该数据包的出***换机端口ρ，若其连接到DCN结构中的外部交换机，则该数据包也被忽略；否则，处理程序检查IP可选项字段修改情况以识别该数据包的类型，同时修改请求数据包的IP可选项字段，将时间戳信息存入后传递给终端主机，避免高速转发环境下交换机内存溢出导致的测量精度损失。
2.根据权利要求1所述的基于软件定义网络的主机侧数据包处理延时测量方法，其特征在于：将包处理延迟测量任务转化为以下六个局部子任务：(1)数据包的类型识别，(2)收集请求数据包到达时间戳tin，(3) 存储包处理期间Gbps量级时间戳信息，(4)收集响应数据包到达时间戳tout，(5)计算包处理延迟，(6)识别延迟异常包并向控制平面报告。
3.根据权利要求1所述的基于软件定义网络的主机侧数据包处理延时测量方法，其特征在于：在步骤S2中，所述代理程序部署在网络层，拦截主机端网络堆栈中即将进入传输层解析的请求数据包，从被丢弃的IP可选项字段中提取时间戳tin并提供有效载荷数据供高层应用接收。
4.根据权利要求1所述的基于软件定义网络的主机侧数据包处理延时测量方法，其特征在于：在步骤S3中，所述代理程序在主机侧网络堆栈的网络层中创建一组队列Q，用于管理附加到流量请求的时间戳；当终端主机收到一个请求数据包，代理程序根据请求的五元组的散列结果键来定位队列Q[key]并存储时间戳tin；当收到来自传输层的响应时，代理程序利用请求包的TCP确认号和响应TCP序列号之间的等价关系在队列中定位并剔除时间戳tin。
5.根据权利要求1所述的基于软件定义网络的主机侧数据包处理延时测量方法，其特征在于：在步骤S4中，所述处理程序利用提取出的时间戳tin和包到达时间戳tout计算包处理延时t；并设定可配置的阈值θ，对于延迟t>θ，生成一份包含延迟t、数据包的五元组，连同接收数据包的入***换机端口的标识符延迟报告发送给分析器,用于在检测覆盖率和带宽开销之间进行权衡。
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