CN117201407B - 一种应用感知的IPv6网络快速拥塞检测与避免方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用感知的IPv6网络快速拥塞检测与避免方法，包括以下步骤：1、将应用的应用信息携带在应用流中传递进入网络；2、为满足SLA要求的应用建立一条正选路径和备选路径；3、应用流按照正选路径转发；4、正选路径上的端点节点检查拥塞情况；5、端点节点根据应用流的情况筛选出SLA服务等级最低的应用流记为流Fi；6、通知流Fi的SRv6源节点启动备份路径作为正选路径，原正选路径作为备选路径；7、记录从源节点到本端点节点的延迟信息；8、将最后一个数据包转发给源节点，源节点收集延迟信息以方便建立转发路径。本发明在网络拥塞时，调整低优先级流量的转发路径，保证高优先级的流量以低延迟到达。

Description

一种应用感知的IPv6网络快速拥塞检测与避免方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种应用感知的IPv6网络快速拥塞检测与避免方法。

背景技术

网络应用对服务质量的要求如网络带宽、时延、抖动和分组丢失率等的要求不尽相同，甚至相差极大。如交互式多媒体服务等应用对网络延迟提出了极高的要求，而文本类等应用的需求却容易满足。然而，当前的网络与应用是解耦的，网络无法细粒度感知应用需求，当网络遇到拥塞情况时，传统的网络拥塞控制方法，仅仅从尽力服务和流量调度公平性出发，而不是根据不同应用需求进行流量调度，导致流量调度虽然满足了公平性要求而忽略了应用需求，从而导致网络整体服务质量（QoS，Quality of Service）水平下降。

发明内容

针对现有技术当网络遇到拥塞情况时难以为应用提供相应的服务质量SLA保障的问题，本发明提供一种应用感知的IPv6网络快速拥塞检测与避免方法，包括以下步骤：

步骤1、获取应用流携带的应用信息，并根据所述应用信息确定所述应用流对应的SLA；

步骤2、所述应用流进入网络时，根据所述SLA的要求，控制器为所述应用流建立一条正选SRv6路径时，同时在源节点建立另一条满足SLA要求的备选SRv6路径；

步骤3、所述应用流按照正选SRv6路径转发，若当前转发的所是所述应用流的最后一个数据包，则转到步骤7；

步骤4、正选SRv6路径上的Endpoint节点检查设备情况以及报文队列情况，若检查到正选SRv6路径上的Endpoint节点发生拥塞或者流量异常，则跳转到转步骤5，否则跳转到步骤3；

步骤5、正选SRv6路径上的Endpoint节点根据所述应用流的情况，对所经过的所述应用流根据SLA服务等级进行排序，筛选出SLA服务等级最低的应用流记为流Fi；

步骤6、通知流Fi 的SRv6 源节点启动备份SRv6路径作为正选SRv6路径，原正选SRv6路径作为备选SRv6路径，跳转到步骤3；

步骤7、记录从源节点到本Endpoint节点的延迟信息；

步骤8、将最后一个数据包转发给源节点，源节点收集延迟信息以方便建立转发路径。

具体的，所述应用信息包含用户名、应用类型、时延、宽带及Color值。

具体的，所述根据所述应用信息确定所述应用流对应的SLA，具体为，根据所述应用信息确定所述应用流对应的Color值。

具体的，步骤2中所述满足SLA要求具体为，根据所述应用流的应用信息从应用SLA数据库中进行查询，若所述应用流的应用信息存在于SLA数据库中，则判定应用满足SLA要求，否则不满足。

具体的，所述应用SLA数据库根据签订的SLA建立，该数据库存储了用户名、应用类型、SLA服务质量与Color值之间的映射关系，应用的SLA服务质量要求优先级与Color值大小成反比，满足Color值越小，则应用的SLA服务质量要求越高，Color越大，应用的SLA服务质量要求越低。

具体的，步骤2中所述源节点建立另一条满足SLA要求的备选SRv6路径时采用TI-LFA算法。

具体的，步骤5具体为，Endpoint节点对所经过的所述应用流的应用信息中的Color值的大小进行排序，得到一个Color值由低到高或由高到低的应用流序列，取Color值最大的应用流记为流Fi。

本发明公开了一种应用感知的IPv6网络快速拥塞检测与避免方法，包括以下步骤：步骤1、获取应用流携带的应用信息，并根据所述应用信息确定所述应用流对应的SLA；步骤2、所述应用流进入网络时，根据所述SLA的要求，控制器为所述应用流建立一条正选SRv6路径时，同时在源节点建立另一条满足SLA要求的备选SRv6路径；步骤3、所述应用流按照正选SRv6路径转发，若当前转发的所是所述应用流的最后一个数据包，则转到步骤7；步骤4、正选SRv6路径上的Endpoint节点检查设备情况以及报文队列情况，若检查到正选SRv6路径上的Endpoint节点发生拥塞或者流量异常，则跳转到转步骤5，否则跳转到步骤3；步骤5、正选SRv6路径上的Endpoint节点根据所述应用流的情况，对所经过的所述应用流根据SLA服务等级进行排序，筛选出SLA服务等级最低的应用流记为流Fi；步骤6、 通知流Fi 的SRv6 源节点启动备份SRv6路径作为正选SRv6路径，原正选SRv6路径作为备选SRv6路径，跳转到步骤3；步骤7、 记录从源节点到本Endpoint节点的延迟信息；步骤8、 将最后一个数据包转发给源节点，源节点收集延迟信息以方便建立转发路径。本发明将不同优先级的流量在空域和时域上分开，提高链路利用率，遇到网络拥塞，调整低优先级流量的转发路径，优先保证高优先级的流量以低延迟到达。

进一步的，本发明设计了网络层感知应用类型，并以SRv6（Segment Routing forIPv6，SRv6）实现路由，每个Srv6路径上的Endpoint节点间隔一段时间将报文的成功转发后的传输延迟回填到段路由报文中，以利于SRv6源节点建立正选转发和备选转发路径；在SRv6建立源目转发路径时，针对特定的应用类型建立备选路径，当SRv6原路径出现无法满足传输服务质量时，发生拥塞的节点快速通知SRv6的源节点将流量切换至备选转发路径，达到避免网络拥塞的目的。

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是根据本发明实施例提供的一种应用感知的IPv6网络快速拥塞检测与避免方法流程图；

图2是根据本发明实施例提供的Endpoint拥塞检测示意图；

图3是根据本发明实施例提供的拥塞发生时网络流量快速调节示意图；

图4是根据本发明实施例提供的网络拥塞路径切换示意图；

图5是根据本发明实施例提供的SRv6 SRH格式示意图；

图6是根据本发明实施例提供的APN6应用信息格式示意图。

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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下对本申请涉及的一些术语进行解释。

(1)SLA

SLA是服务等级协议（Service Level Agreement），是指提供服务的企业与客户之间就服务的品质、水准、性能等方面所达成的双方共同认可的协议或契约，是通信服务中的基础服务，通俗讲，就是服务商在提供的服务中确定要达到一个怎么样的等级的协议。但并不是每个产品都有SLA。并且在不同的产品中要求的参数也不完全相同。

(2)QoS

QoS（Quality of Service）是SLA中需要满足的关键参数，具体可以量化为带宽、时延、抖动、分组丢失率和吞吐量等性能指标。反映了端到端或边缘到边缘的整体性能和网络在保证信息传输和满足业务要求方面的能力。

(3)网络拥塞

网络传输的数据太多会导致延迟和丢失，降低传输性能，这种情况称为网络拥塞。网络拥塞将导致网络QoS下降，网络层和传输层共同承担处理拥塞的责任。常用的网络层拥塞控制方法有：准入控制、流量调节、负载脱落等。

准入控制就在流量入口检查新增流量是否会带来网络拥塞，如果是，则不允许新增流量进入网络；流量调节则是在拥塞发生后，通过多种手段通知源主机降低发送速率；负载脱落则是直接将数据包丢弃。

(4)显式拥塞控制

显式拥塞控制是一种流量调节的拥塞控制方法，当发现产生了拥塞时，网络设备在它转发的任何数据包打上标记（称为ECN，Explicit Congestion Notification，显式拥塞通知）发出信号，表明它发生了拥塞。数据接收方注意到拥塞发生，在它发送应答包时顺便告知发送方，发送方可以降低发送速率来缓解拥塞。因为拥塞发生时不是将信息直接发给发送方，因此ECN的方式响应周期较长。

(5)SR（Segment Routing）

Segment Routing（简称SR）是一种分段路由技术，由源节点来为应用报文指定路径，并将路径转换成一个有序的Segment列表封装到报文头中，路径的中间节点只需要根据报文头中指定的路径进行转发。Segment Routing能够使网络更加简化，并具有良好的可扩展能力。

(6)SRv6

SRv6是互联网协议第6版段路由 (internet protocol version 6 for segmentrouting)，SRv6是基于源路由(segment routing，SR)理念而设计的在网络上转发数据包的一种方法。SRv6Segment是IPv6地址形式，通常也可以称为SRv6 SID (SegmentIdentifier)。SRv6 SID有很多类型，不同类型的SRv6 SID代表不同的功能。例如，End SID表示Endpoint SID，用于标识网络中的某个目的节点(node)。End.X SID表示三层交叉连接的Endpoint SID，用于标识网络中的某条链路。

(7)SRv6节点角色

在SRv6网络中存在三种类型的节点角色，包括源节点、中转节点、EndPoint节点（端点节点）。

源节点：生成SRv6报文的源节点，源节点将数据包引导到SRv6 Segment List中，如果SRv6 Segment List只包含单个SID，并且无须在SRv6报文中添加信息或TLV，则SRv6报文的目的地址字段设置为该SID，可以不封装SRH。源节点可以是生成IPv6报文且支持SRv6的主机，也可以是SRv6域的边缘设备。

中转节点：在SRv6报文转发路径上不参与SRv6处理的IPv6节点，即中转节点只执行普通的IPv6报文转发。当节点收到SRv6报文以后，会解析报文的IPv6 DA（DestinationAddress，目的地址）字段。如果IPv6目的地址既不是本地配置的SRv6 SID，也不是本地接口地址，则节点将SRv6报文当作普通的IPv6报文，按照最长匹配原则查找IPv6路由表，进行处理和转发，不处理SRH，此时该节点就是中转节点。中转节点可以是普通的IPv6节点，也可以是支持SRv6的节点。

端点节点：在SRv6报文转发过程中，节点接收的报文的IPv6目的地址是本地配置的SID，则该节点被称为端点节点。该节点需要处理SRv6 SID和SRH，SRH的格式如图5所示。

实施例一

参考图1，根据本实施例公开了一种应用感知的IPv6网络快速拥塞检测与避免方法，其包括以下步骤：

步骤1、获取应用流携带的应用信息，并根据所述应用信息确定所述应用流对应的SLA服务等级；

本实施例采用APN6的设计框架，利用IPv6数据报文自身的可编程空间，将应用的应用信息携带在应用流的IPv6数据报文中传递进入网络；

APN6应用信息格式如图6所示，具体的，所述应用信息包含用户名、应用类型、时延、宽带；

根据所述应用信息确定所述应用流对应的SLA，具体为，根据所述应用信息确定所述应用流对应的Color值；本实施例使用Color值来表示应用流的SLA服务等级。

具体的，应用的服务质量要求优先级与Color值大小成反比，满足Color值越小，则应用的服务质量要求越高，Color越大，应用的服务质量要求越低。

本实施例可以事先建立用户信息与Color值的对应关系，如使用数据库来存储所述用户信息与Color值的映射关系。

本实施可以从用户流中提取用户信息，并根据用户信息，从数据库中查找与所述用户信息对应的Color值。

本实施例的服务提供商可以与用户签订SLA服务承诺书后，签订SLA服务应用的Color值应该相对固定，Color值越小，应用的服务质量要求优先级越高。而且Color值同时也反映时延的需求，大致与时延成正比，也与用户级别、应用类型、服务质量承诺相关。

具体的，所述应用SLA数据库根据签订的SLA建立，该数据库存储了用户名、应用类型、服务质量与Color值之间的映射关系，其映射关系如表1所示：

服务提供商与用户签订服务承诺书，服务提供商可以根据不同的服务质量等级收取费用。

具体的在根据用户信息确定对应的Color值时，可以综合采用用户名、应用类型、时延、带宽等多种信息来确定对应的Color值。也可以根据其中的一种或多种的组合来确定对应的Color值。在一个实施方式中，如果仅能匹配到对应的用户名，则采用对应的用户名的Color值。用户名与Color值的对应关系，由用户与服务提供商签订，Color值越小，收费越高。

为降低本发明的实施复杂性，本实施例采用Color来区分不同应用流量的优先级，Color值越小，其优先级越高。Color值也可以采用SRv6 Policy中的Color值（SRv6 Policy的Color值为32位，只取其后16位），但必须满足Color值越小，其优先级越高的约定，流量调度时便于进行比较。

如图3所示，本实施例中起始端节点t1与目的节点t2之间有若干应用在运行，S1作为SRv6的源节点，对有服务质量需求的应用设有4个，分别为数据传输应用F1，视频交互应用F2，AI训练应用F3、Web浏览应用F4；

步骤2、所述应用流进入网络时，根据所述SLA的要求，控制器为所述应用流建立一条正选SRv6路径时，同时在源节点建立另一条满足SLA要求的备选SRv6路径；

具体的，所述满足SLA要求具体为，根据所述应用流的应用信息从应用SLA数据库中进行查询，若所述应用流的应用信息存在于SLA数据库中，则判定应用满足SLA要求，否则不满足；

具体的，所述应用SLA数据库根据签订的SLA建立，该数据库存储了用户名、应用类型、SLA服务质量与Color值之间的映射关系，应用的SLA服务质量要求优先级与Color值大小成反比，满足Color值越小，则应用的SLA服务质量要求越高，Color越大，应用的SLA服务质量要求越低。

具体的，源节点建立另一条满足SLA要求的备选SRv6路径时采用TI-LFA算法。

对需要满足SLA要求的应用，在创建SRv6路径时，在源节点同时建立另一条满足SLA要求的备选路径，备选路径可以采用TI-LFA算法建立。

备选路径节点与正选路径节点尽量不重叠，在不能满足全部不重叠的情况下，也可有部分节点重叠，重叠少的备选路径优先；

本实施例对应用SLA数据库采用何种数据库、如何建立数据库以及如何查询数据库不做限定，此为现有技术，此处不再赘述。

具体的，初始时，控制器计算t1到t2的路由策略，分别有路径1和路径2，F1和F2安排在路径1：S1->S4->S6->S7->t2上，F3和F4安排在路径2：S1->S3->S5->S7->t2上，为每条路径都建立一个备份路径，路径1及其备份路径如图4所示。

步骤3、所述应用流按照正选SRv6路径转发，若当前转发的所是所述应用流的最后一个数据包，则转到步骤7；

步骤4、正选SRv6路径上的Endpoint节点检查设备情况以及报文队列情况，若检查到正选SRv6路径上的Endpoint节点发生拥塞或者流量异常，则跳转到转步骤5，否则跳转到步骤3；

具体的，如图3所示，当Endpoint节点S6发生拥塞时，Endpoint节点S6发送拥塞通知报文给SRv6的源节点S1，告知Endpoint节点S6发生拥塞；

步骤5、正选SRv6路径上的Endpoint节点根据所述应用流的情况，对所经过的所述应用流根据SLA服务等级进行排序，筛选出SLA服务等级最低的应用流记为流Fi；

具体的，步骤5具体为，Endpoint节点对所经过的所述应用流的应用信息中的Color值的大小进行排序，得到一个Color值由低到高或由高到低的应用流序列，取Color值最大的应用流记为流Fi。

流量调度主要基于Color值，Color越小的应用流越先转发；若是出现相同的Color值，则时延越小优先级越高。SRV6报文中也可不携带应用的其它SLA信息，但必须携带Color信息。

步骤6、 通知流Fi 的SRv6 源节点启动备份SRv6路径作为正选SRv6路径，原正选SRv6路径作为备选SRv6路径，跳转到步骤3；

源节点S1收到拥塞消息后，从多条经过路径1的应用流中挑选1条服务质量要求最低的流，即Color值最大的流，在本实施例中为数据传输应用F1的Color值是200为SLA服务等级最低的流，于是将数据传输应用F1的转发路径调整到备份路径，达到缓解Endpoint结点S6的拥塞问题的目的。

步骤7、记录从源节点到本Endpoint节点的延迟信息；

步骤8、将最后一个数据包转发给源节点，源节点收集延迟信息以方便建立转发路径；

本实施例公开了一种应用感知的IPv6网络快速拥塞检测与避免方法，本方法首先SRv6路径上的Endpoint节点检查是否发生拥塞或流量异常，而不是由数据接收方进行拥塞或流量异常的检测，可以尽早发现网络拥塞并采取调度部分优先级低的流量，从而减少因随机丢弃报文带来的网络抖动和网络服务质量下降的几率。进一步的，本实施例的方法，在进行流量的切换时，会根据应用信息中的SLA服务等级，先将服务等级较低的应用流切换到备选SRv6路径中，没有全部进行流量的切换，可以保证主SRv6路径的数据正常转发，相对于显示拥塞控制方式进行流量的全部切换，可以更好地满足整体的QoS要求，因切换部分服务等级较低的应用流，此时主SRv6路径不再发生拥塞，可以满足对应的QoS要求，而切换过去的应用流，因客户要求的时延等较为宽松，对服务质量影响较小。本实施例一方面通过SRV6路径上Endpoint节点及时来检测拥塞，从而能够及时处理拥塞，另一方面根据应用流的SLA要求来确定切换的应用流，使得整体QoS提高。综上所述，本申请只针对少量优先级低的流量进行路径切换，不会引起流量的急剧变化；区分流量的应用类别以及服务质量等级，从而确定哪些流量可以进行路径切换，减少因流量调整对应用产生不利影响。

包括以下步骤：步骤1、获取应用流携带的应用信息，并根据所述应用信息确定所述应用流对应的SLA；步骤2、所述应用流进入网络时，根据所述SLA的要求，控制器为所述应用流建立一条正选SRv6路径时，同时在源节点建立另一条满足SLA要求的备选SRv6路径；步骤3、所述应用流按照正选SRv6路径转发，若当前转发的所是所述应用流的最后一个数据包，则转到步骤7；步骤4、正选SRv6路径上的Endpoint节点检查设备情况以及报文队列情况，若检查到正选SRv6路径上的Endpoint节点发生拥塞或者流量异常，则跳转到转步骤5，否则跳转到步骤3；步骤5、正选SRv6路径上的Endpoint节点根据所述应用流的情况，对所经过的所述应用流根据SLA服务等级进行排序，筛选出SLA服务等级最低的应用流记为流Fi；步骤6、通知流Fi的SRv6源节点启动备份SRv6路径作为正选SRv6路径，原正选SRv6路径作为备选SRv6路径，跳转到步骤3；步骤7、记录从源节点到本Endpoint节点的延迟信息；步骤8、将最后一个数据包转发给源节点，源节点收集延迟信息以方便建立转发路径。本发明将不同优先级的流量在空域和时域上分开，提高链路利用率，遇到网络拥塞，调整低优先级流量的转发路径，优先保证高优先级的流量以低延迟到达。

进一步的，本实施例设计了网络层感知应用类型，并以SRv6（Segment Routingfor IPv6，SRv6）实现路由，每个Srv6路径上的Endpoint节点间隔一段时间将报文的成功转发后的传输延迟回填到段路由报文中，以利于SRv6源节点建立正选转发和备选转发路径；在SRv6建立源目转发路径时，针对特定的应用类型建立备选路径，当SRv6原路径出现无法满足传输服务质量时，发生拥塞的节点快速通知SRv6的源节点将流量切换至备选转发路径，达到避免网络拥塞的目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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 (4)

1.一种应用感知的IPv6网络快速拥塞检测与避免方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、获取应用流携带的应用信息，并根据所述应用信息确定所述应用流对应的SLA；

步骤2、所述应用流进入网络时，根据所述SLA的要求，控制器为所述应用流建立一条正选SRv6路径时，同时在源节点建立另一条满足SLA要求的备选SRv6路径；

步骤3、所述应用流按照正选SRv6路径转发，若当前转发的是所述应用流的最后一个数据包，则转到步骤7；

步骤4、正选SRv6路径上的Endpoint节点检查设备情况以及报文队列情况，若检查到正选SRv6路径上的Endpoint节点发生拥塞或者流量异常，则跳转到转步骤5，否则跳转到步骤3；

步骤5、正选SRv6路径上的Endpoint节点根据所述应用流的情况，对所经过的所述应用流根据SLA服务等级进行排序，筛选出SLA服务等级最低的应用流记为流Fi；

步骤6、 通知流Fi 的SRv6 源节点启动备份SRv6路径作为正选SRv6路径，原正选SRv6路径作为备选SRv6路径，跳转到步骤3；

步骤7、 记录从源节点到本Endpoint节点的延迟信息；

步骤8、将最后一个数据包转发给源节点，源节点收集延迟信息以方便建立转发路径；

所述应用信息包含用户名、应用类型、时延、宽带及Color值；

根据所述应用信息确定所述应用流对应的SLA，具体为，根据所述应用信息确定所述应用流对应的Color值；

步骤2中所述满足SLA要求具体为，根据所述应用流的应用信息从应用SLA数据库中进行查询，若所述应用流的应用信息存在于SLA数据库中，则判定应用满足SLA要求，否则不满足。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述应用SLA数据库根据签订的SLA建立，该数据库存储了用户名、应用类型、SLA服务质量与Color值之间的映射关系，应用的SLA服务质量要求优先级与Color值大小成反比，满足Color值越小，则应用的SLA服务质量要求越高，Color越大，应用的SLA服务质量要求越低。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中所述源节点建立另一条满足SLA要求的备选SRv6路径时采用TI-LFA算法。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤5具体为，Endpoint节点对所经过的所述应用流的应用信息中的Color值的大小进行排序，得到一个Color值由低到高或由高到低的应用流序列，取Color值最大的应用流记为流Fi。