CN103346969A

CN103346969A - 基于OpenFlow实现动态组播生成树路径调整的方法

Info

Publication number: CN103346969A
Application number: CN201310280735XA
Authority: CN
Inventors: 葛敬国; 吴玉磊; 鄂跃鹏; 游军玲; 申罕骥; 李佟; 韩春静
Original assignee: Computer Network Information Center of CAS
Current assignee: Computer Network Information Center of CAS
Priority date: 2013-07-05
Filing date: 2013-07-05
Publication date: 2013-10-09

Abstract

本发明将利用OpenFlow技术解决组播服务中主机加入/离开组播组、组播生成树路径动态调整、以及分布式组播生成树策略等问题。OpenFlow技术将传统的完全由路由器/交换机控制的报文转发过程转化为由交换机（OpenFlow Switch）和控制器（Controller）来共同完成，从而实现转发逻辑和具体转发操作的分离。

Description

基于OpenFlow实现动态组播生成树路径调整的方法

技术领域

本发明专利申请涉及计算机网络领域，具体地涉及基于OpenFlow实现动态组播生成树路径调整的方法。

背景技术

在计算机网络通信中，组播是网络传输的重要服务之一。组播传输的优势是节省网络资源，降低组播生成树代价和优化组播传输网络是组播问题的重要研究方向。

组播算法多种多样，以静态组播生成树算法为主，比如DIjkstra、DDSP、Prim、Krustal等；动态组播生成树算法研究相对较少，如SBPT、GRD等。在实际网络中，组播组成员可以随时加入或者离开某个组播组。生成树算法根据传输路径跳数、网络负载状态等不同因素会生成不同的组播树。SBPT和GRD算法虽然能够针对组播组成员的加入/离开的动态变化而调整组播树，但是在组播源和组播组主机不变的情况下，组播树一旦建立很难进行路径的调整。这种情况下，若组播树中某个或多个传输路径的链路负载较大，组播树整体传输效率将降低。如何调整组播生成树路径成为组播网络传输优化的重要问题。

组播协议主要有两种：组播组成员关系协议（IGMP）和组播路由协议（常用独立组播协议PIM）。

IGMP协议是主机和路由器之间交换组播信息的手段，主要解决两个问题：一是主机如何通知路由器加入哪个组播组，二是路由器如何检测主机在哪个组播组中。IGMP协议实现组播组管理，通过IGMP报告和查询的方式来感知组播组中主机的加入或者离开的变化。具体规则如下：（a）当主机加入组播组时，就发送一个IGMP报文，将其加入的组播地址告诉所有组播路由器，组播路由器向组播组中其它路由器公告该报文。组播路由器周期性地向每个接口发送IGMP报文查询组播树上的主机状态。主机收到查询报文后并不立刻响应，而是延迟0~10秒的随机时间后才响应。这样一方面可以防止响应风暴；另一方面可以有机会收到别的主机的响应报文进而抑制自身响应报文的发送。主机通过发送IGMP报文来响应一个IGMP查询，对其加入的所有组播组均要发送IGMP报文。（b）当主机离开组播组时，主机不发送IGMP报告自行退出并对路由器的周期性查询停止响应。路由器若在查询间隔的3倍时间内仍未收到响应报文，将删除此组播主机。

稀疏模式（PIM-SM）的组播分发树能实现共享树（RPT）到最短路径树（SPT）的切换，切换条件为超过网络信息吞吐量阀值，但切换过程存在丢包期、切换过程逐级进行的加入和剪枝操作复杂、响应时间长、灵活性差。

动态优化的组播生成树算法（ACOP）利用蚁群信息素思想进行间接通信，能够实现组播树的动态优化。路径优化是一个查询、扩展、迭代、剪枝的过程，路径调整条件是组播源到每个目的节点进行查询，判断路径是否超过时延。该方法在路径调整操作时是采用被动响应组播源查询和逐级逆向剪枝的方式。

IGMP协议作为主机和路由器之间交换组播信息的规则在组播传输中必不可少。而IGMP在进行组播组主机管理时，不可避免地出现查询延时、报告延时等问题。组播组中主机改变时响应时间慢、请求操作繁琐、灵活性差。此外，生成树的算法仅仅是在主机加入或者离开组播组时调整组播树，在组播源和组播主机不变的情况下，组播树一旦生成，传输路径很难改变。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提出了一种基于OpenFlow实现组播生成树路径动态调整的方法。

一种基于OpenFlow实现动态组播生成树路径调整的方法，其特征在于包括如下步骤：

组播控制器通过链路发现获取整个网络的拓扑信息，并通过维护组播生成树进行组播传输；

组播源发送目的地址为IP组播地址的组播数据包，并将此IP组播地址映射到组播组主机；

当组播组内的主机数量发生变动时，主机向相连接的具有OpenFlow功能的组播交换机发送组播组报文，所述组播交换机将此报文转发到控制器，所述组播控制器根据当前网络拓扑中组播生成树的状态计算出新的组播生成树，管理组播组数据包的转发规则。

本发明的动态调整组播生成树有以下优点：1）可以满足网络拓扑中必须经过某些交换机节点的要求；2）可以根据网络负载变化优化组播传输效率。传统的IGMP协议实现的组播路由算法，在主机加入和离开时采取对路由器的逐级修改转发规则，尤其是主机离开消息需要从主机到组播源的传输路径上逐级判断能否被剪枝。采用OpenFlow技术实现组播，主机的加入和离开组播组消息直接由连接的具有OpenFlow功能的组播交换机发送给控制器，控制器对组播组成员进行更新、对交换机直接进行流表项的增加或者删除。传统的剪枝操作逐级向上进行，在时间上为串行的；OpenFlow实现的组播生成树在剪枝操作是并行的，降低组播组成员变化时组播生成树变化的响应时间。

附图说明

图1： OpenFlow网络网状拓扑模型

图2：分布式的OpenFlow网络模型

图3：分布式组播生成树初始建树过程

图4：路径调整后的最终分布式组播生成树

图5a：主机H43加入组播组时组播树的生成

图5b：主机H42加入组播组时组播树的生成

图5c：主机H41加入组播组时组播树的生成

图6：OpenFlow网络网状拓扑结构

图7：原始的组播生成树

图8：动态调整组播生成树-先增加路径

图9：剪枝后的新组播生成树

具体实施方式

OpenFlow由斯坦福大学的Clean State项目组于2007年提出，是实现软件定义网络的核心技术。简单地说，OpenFlow是一个新的交换机设计方案以及与之配套的通信协议，使得网络研究者或者开发者能够访问网络交换机/路由器的数据转发平面。它的核心思想是将交换机的路由控制逻辑与数据转发功能分离开来，使得传统的由交换机/路由器控制的报文转发过程变成由OpenFlow控制器（OpenFlow Controller）和OpenFlow交换机（OpenFlow Switch）共同完成。通过控制与转发的分离，OpenFlow技术使得复杂的流量管理成为可能。

本发明将利用OpenFlow技术解决组播服务中主机加入/离开组播组、组播生成树路径动态调整、以及分布式组播生成树等问题。OpenFlow技术将传统的完全由路由器/交换机控制的报文转发过程转化为由具有OpenFlow功能的组播交换机和组播控制器来共同完成，从而实现转发逻辑和具体转发操作的分离。

组播控制器通过链路发现获取整个网络的拓扑信息，包括交换机连接状态和连接端口信息，并通过维护组播生成树进行组播传输。针对组播组中主机的增加或删除的情况，控制器重新计算组播生成树，并根据新的组播生成树修改交换机的流表（Flow Table）信息。

组播源发送组播数据包的目的地址为IP组播地址，并将此IP组播地址映射到组播组主机。当主机申请加入组播组时，主机向相连接的组播交换机发送加入组播组报文，交换机将此报文转发到控制器，组播控制器根据当前网络拓扑中组播生成树的状态计算出新的组播生成树，管理组播组数据包的转发规则。

图1为典型的OpenFlow网络网状拓扑模型。其中（1）是组播控制器，（2）是组播交换机与组播控制器之间的连接，（3）是组播交换机，（4）是组播交换机与主机之间的连接，（5）是与组播交换机连接的主机，（6）是组播交换机之间的连接，（7）表示省略的交换机及其连接。网络中组播控制器对特定域内的具有OpenFlow功能的组播交换机进行集中控制，每台组播交换机均与控制器连接，为清晰起见，图1中仅标注了第一行交换机与控制器之间的连接。组播交换机以S _xy形式表示，其中xy为交换机编号；交换机连接的主机以H _xy形式表示，其中xy为主机编号。主机编号和交换机编号对应，即H₁₁与S ₁₁连接，每台交换机S _xy上都对应连接一个H _xy主机。为清晰起见，图1中没有全部画出。

组播控制器记录域内网络的全局信息，主要包括下列数据表，见表1。

表1 控制器记录的数据表

当主机申请加入组播组时，此主机向连接的组播交换机发送加入组播组消息（Join Group）；组播交换机根据转发规则将Join Group消息发至组播控制器，控制器更新对应的组播组成员列表，并根据全局交换机组播组传输信息计算主机和组播源之间的传输路径，将转发规则下发至传输路径上的相应组播交换机。主机加入组播组（JoinGroup）的伪码如算法1，其中G _id为组播组号、host为申请加入组播组的主机。

定义：假设存在集合A = {a, b, c}，集合B = {c, e, f}，则A + B = {a, b, c, e, f}，A – B = {a, b}，B – A = {e, f}。

当主机离开组播组时，主机向连接的组播交换机发送离开组播组报告（Prune Group）。组播交换机根据转发规则将Prune Group报告发送至组播控制器，控制器更新对应的组播组成员列表，根据该组播组的新的主机成员列表重新计算组播生成树，并删除与离开主机连接的交换机中的相应流表项。主机离开组播组（PruneGroup）伪码如算法2，其中G _id为组播组号、host为离开组播组的主机。

传统的IGMP协议实现的组播路由算法，在主机加入和离开时采取对路由器的逐级修改转发规则，尤其是主机离开消息需要从主机到组播源的传输路径上逐级判断能否被剪枝。采用OpenFlow技术实现组播，主机的加入和离开组播组消息直接由连接的组播交换机发送给控制器，组播控制器对组播组成员进行更新、对交换机直接进行流表项的增加或者删除。传统的剪枝操作逐级向上进行，在时间上为串行的；OpenFlow实现的组播生成树在剪枝操作是并行的，降低组播组成员变化时组播生成树变化的响应时间。

动态调整组播生成树有以下优点：1）可以满足网络拓扑中必须经过某些交换机节点的要求；2）可以根据网络负载变化优化组播传输效率。组播生成树路径调整算法（MSTAdjustment）伪码如算法3，其中G _id为组播组号、condition为组播生成树调整条件。

由上述算法可知，与PIM-SM中共享树（RPT）到最短路径树（SPT）切换相比，减少了逐层注册和剪枝的问题以及IGMP的响应延时问题。OpenFlow网络中能够高效智能地动态调整组播生成树，实现网络负载均衡，为网络的分布式部署提供有效的解决方案。OpenFlow实现组播生成树路径调整主要有以下优势：

1) 在组播组成员管理时使用组播控制器进行管理，没有采用传统的IGMP协议。避免了IGMP的周期查询、主机响应延时、路由IGMP报告问题。

2) 与PIM-SM中共享树（RPT）到最短路径树（SPT）切换相比，减少了逐层注册和剪枝的问题。方案能够高效地调整组播生成树路径，实现网络负载均衡，同时也为分布式组播树部署提供有效地解决方案。

3) 与ACOP动态优化组播树算法相比，ACOP算法的路径调整操作为被动查询响应和逐级迭代扩展方式，在处理组播生成树状态变化的时间上为串行的；OpenFlow实现的组播生成树路径调整在添加和剪枝操作时为主动报告，在处理组播生成树状态变化的时间上为并行的。

组播控制器既可以集中式部署，也可以分布式部署。分布式控制器不需要知道整个网络拓扑，自治域内的控制器根据域内网络拓扑智能计算和调节组播生成树，然后进行域间组播生成树的扩展。该实现方式优点明显，它不需要控制器存储整个网络的链路状态信息。分布式的生成树算法采用并行计算，从多条路径进行组播树比较，制定负载均衡策略，建树时间较短，算法扩展性好。

如图2所示，假设自治域A内组播树已经生成。当出现域间组播传输申请时，在域A、域B间选取最优传输路径(S _2n, S _2a)加入组播树。图2中，（1）为自治域A与自治域B的分界线，（2）是域A和与B之间的最优传输路径。此时在域A内，控制器满足S _2n交换机加入组播树的条件，组播生成树调整算法将对域A组播树进行调整；在域B内，将以S _2a交换机为组播源进行组播树计算；最终并行完成分布式的组播生成树。

设域A内组播生成树已经生成，随后组播出现域间传输申请，如图3，H _3b申请加入组播组，在域A、域B间选取最优传输路径(G _id, S _2n, S _2a)加入组播树（见图2）。图3中，（1）是组播源，（2）是已经加入组播树的交换机，（3）是加入组播组的主机，（4）是域B中要加入组播组的主机，（5）是域A和域B之间的最优传输路径，（6）是域B中可能的组播树。

此时A域内控制器满足S _2n交换机加入组播树的条件，组播生成树路径调整算法将对A域组播树进行调整；B域内将以S _2a交换机为组播源进行组播树计算。最终并行完成分布式的组播生成树，见图4。图4中，（1）是分布式的组播生成树中的交换机，（2）是从新生成的组播生成树中去掉的交换机。

图3和图4为组播出现域间主机申请加入组播组时，分布式组播生成树建树过程。

下面介绍传统的组播生成树生成过程，假设典型网络拓扑如图6，其中S _xy为组播交换机、H _xy为主机；每个S _xy上连接一个H _xy主机。

H ₁₁为组播源，当H ₄₃申请加入组播组时，组播树如图5a黑色粗边框、灰色填充的图形所示；当H ₄₂申请加入组播组时，组播树如图5b黑色粗边框、灰色填充的图形所示；当H ₄₁申请加入组播组时，组播树如图5c黑色粗边框、灰色填充的图形所示。此时组播组内主机成员为{H ₄₁ 、H ₄₂ 、H ₄₃ }，若组播源和组播组内成员没有改变，组播树很难调整。此时若(G _id, S ₃₁, S ₃₂), (G _id, S ₃₂, S ₃₃), (G _id, S ₃₂, S ₄₂), (G _id, S ₃₃, S ₄₃)路径网络负载较大，整体组播传输效率就会下降。

下面介绍组播生成树路径动态调整算法，组播组表Group: 此表记录组播组号与组播组成员的映射关系。

组播生成树节点表GTSwitch: 此表记录组播生成树中组播交换机节点。

组播生成树节点连接关系表GTMapSS: 此表记录组播组的组播生成树中交换机节点连接关系。其中groupID为组播组号，(switchID ₁, switchID ₂)为转发规则，即switchID ₁的流表中存在转发至switchID ₂的流表项。

网络拓扑关系表SSMap:此表记录网络拓扑中所有的交换机的连接关系。其中switchID ₁和 switchID ₂为两个交换机，port为switchID ₁到switchID ₂连接中switchID ₁的端口号

集合V是组播生成树中节点交换机集合；集合E是组播生成树中节点交换机连接路径集合。从上述数据表GTSwitch可知集合V，数据表GTMapSS可知集合E。

图6为典型的OpenFlow网络网状拓扑模型。网络中组播控制器对特定域内的组播交换机进行集中控制。其中S _xy代表组播交换机，其中xy为交换机编号；H _xy代表交换机连接主机，其中xy代表主机编号。主机编号和交换机编号对应，即H ₁₁连接在S ₁₁上，每台交换机S _xy上都对应连接一个H _xy主机。

在OpenFlow网络中，当控制器与交换机建立链接后，控制器通过链路发现（Discovery）得到网络中OpenFlow交换机拓扑信息。在拓扑如图6中，SSMap表项如下表2：

表2 SSMap表项数据

在OpenFlow网络中，假设仅存一个组播组GroupID = 1、组播地址为224.10.10.10、组播源为H ₁₁，组成员有{H ₄₁, H ₄₂, H ₄₃}；采用某种组播生成树算法得到如图7的组播树。图7中灰色边框、浅灰色填充的图形即为组播树。

A、原始的组播生成树

组播树交换机点集V _original = {S ₁₁, S ₂₁, S ₃₁, S ₃₂, S ₃₃, S ₄₁, S ₄₂, S ₄₃}

组播树交换机边E _original ={(1, S ₁₁, S ₂₁), (1, S ₂₁, S ₃₁), (1, S ₃₁, S ₃₂), (1, S ₃₂, S ₃₃), (1, S ₃₁, S ₄₁), (1, S ₃₂, S ₄₂), (1, S ₃₃, S ₄₃)}

此时GTMapSS数据表数据如表3所示。

表 3 当前数据表GTMapSS内容

B、组播控制器根据网络负载或者路由跳数重新计算组播树，控制器对组播树路径进行添加，此时组播树如图8所示。图8中黑色粗虚线边框、灰色填充的图形为新组播树，灰色边框、浅灰色填充的图形为原组播树中不在新组播树中的部分。

新组播树交换机点集V _new ={S ₁₁, S ₂₁, S ₃₁, S ₃₂, S ₃₃, S ₄₁, S ₄₂, S ₄₃}

新组播树路径边集E _new = {(1, S ₁₁, S ₂₁), (1, S ₂₁, S ₃₁), (1, S ₃₁, S ₄₁), (1, S ₄₁, S ₄₂), (1, S ₄₂, S ₄₃)}

E _Add = E _new – E _original = {(1, S ₄₁, S ₄₂), (1, S ₄₂, S ₄₃)}，此时组播控制器需要按照集合E _Add增加交换机流表项，即增加S ₄₁交换机流表项(1, S ₄₁, S ₄₂)，增加S ₄₂流表项(1, S ₄₂, S ₄₃)。此时，GTMapSS数据表数据如表4所示。

表 4 当前数据表GTMapSS内容

C、新的组播路径添加完成并开始传输时，对原组播树（见图7）多余路径进行剪枝。剪枝路径由下得出：

E _All = E _original+ E_new= {(1, S ₁₁, S ₂₁), (1, S ₂₁, S ₃₁), (1, S ₃₁, S ₄₁), (1, S ₄₁, S ₄₂), (1, S ₄₂, S ₄₃), (1, S ₃₁, S ₃₂), (1, S ₃₂, S ₃₃), (1, S ₃₂, S ₄₂), (1, S ₃₃, S ₄₃)}

E _Cut = {(1, S ₃₁, S ₃₂), (1,S ₃₂, S ₃₃), (1, S ₃₂, S ₄₂), (1, S ₃₃, S ₄₃)}

E _Remain ={(1, S ₁₁, S ₂₁), (1, S ₂₁, S ₃₁), (1, S ₃₁, S ₄₁), (1, S ₄₁, S ₄₂), (1, S ₄₂, S ₄₃)}

此时组播控制器按照E _Cut集合对交换机流表项进行删除。删除S₃₁流表项(1, S ₃₁, S ₃₂)，删除S₃₂流表项(1, S ₃₂, S ₃₃)、(1, S ₃₂, S ₄₂)，删除S₃₃流表项(1, S ₃₃, S ₄₃)。

此时GTMapSS数据表数据如表5，最终的组播生成树如图9所示。图9中黑色粗虚线边框、灰色填充的图形为最终的组播生成树。

表 5 当前数据表GTMapSS内容

本领域的技术人员可以理解：实现上述系统和方法实施例的全部或部分可以通过程序指令相关的硬件完成，也可以通过软件完成。以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种基于OpenFlow实现动态组播生成树路径调整的方法，其特征在于包括如下步骤：

OpenFlow控制器通过链路发现获取整个网络的拓扑信息，并通过维护组播生成树进行组播传输；

当组播组内的主机数量发生变动时，主机向相连接的OpenFlow交换机发送组播组报文，所述OpenFlow交换机将此报文转发到控制器，所述OpenFlow控制器根据当前网络拓扑中组播生成树的状态计算出新的组播生成树，管理组播组数据包的转发规则。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述整个网络的拓扑信息包括交换机连接状态和连接端口信息。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于当出现组播组中主机的加入或离开组播组的情况时，所述OpenFlow控制器重新计算组播生成树，并根据新的组播生成树修改所述OpenFlow交换机的流表信息。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于当主机申请加入组播组时，所述主机向连接的所述OpenFlow交换机发送加入组播组消息；所述OpenFlow交换机根据转发规则将加入组播消息发至所述OpenFlow控制器，所述OpenFlow控制器更新对应的组播组成员列表，并根据全局交换机组播组传输信息计算主机和组播源之间的传输路径，将转发规则下发至传输路径上的相应OpenFlow交换机。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于当主机离开组播组时，所述主机向连接的所述OpenFlow交换机发送离开组播组报告消息，所述OpenFlow交换机根据转发规则将离开组播组报告消息发送至所述OpenFlow控制器，所述OpenFlow控制器更新对应的组播组成员列表，根据该组播组的新的主机成员列表重新计算组播生成树，并删除与离开主机连接的交换机中的相应流表项。

6.根据权利要求1-5任一所述的方法，其特征在于所述OpenFlow控制器在网络中集中部署或者分布式部署。

7.根据权利要求6任一所述的方法，其特征在于所述OpenFlow控制器根据网络负载或者路由跳数重新计算组播树。

8.根据权利要求1-5任一所述的方法，其特征在于所述OpenFlow控制器记录域内网络的全局信息，包括组播组号与组播组成员的关系、组播生成树中交换机节点、组播生成树中交换机节点连接关系，以及网络拓扑中所有交换机的连接关系。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于全局信息以数据表的形式保存。