CN103888313A - 一种预测流表项的最优超时时间的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预测流表项的最优超时时间的方法，该方法运行于基于OpenFlow的软件定义网络体系结构中，该方法首先通过预测数据流的吞吐量和衡量OpenFlow交换机流表的资源使用数据，然后根据这些数据通过一种优化工作流算法来预测流表项的最优超时时间。该方法通过不断优化流表项的超时时间，提升不同服务的性能，并且在网络中出现突发流时，该方法能够有效地缓和突发流，使得交换机转发可用，从而降低突发流的丢失率，提高交换机对数据包的转发处理能力。本发明通过预测流表项的最优超时时间，有效地提高了SDN中数据转发的稳定性和可用性。

Description

一种预测流表项的最优超时时间的方法

技术领域

本发明涉及软件定义网络技术领域，尤其涉及一种预测流表项的最优超时时间的方法。

背景技术

软件定义网络（SDN）分离传统网络中一体式的控制面和数据面，增强了网络管控的灵活性。控制面的SDN控制器通过控制信道管理数据面的交换机，交换机按照控制器所配置的流表中定义的转发规则来处理数据流。然而，SDN网络架构中一个不容忽视的问题是：交换机和控制器之间存在性能瓶颈，当软件定义网络应用于广域网时，将面临突发流的问题，大量的流将导致交换机流表表项数量超过上限，控制流拥塞，从而影响转发性能。针对这个问题，我们提出了一种优化工作流算法来预测流表项的最优超时时间，优化交换机的流表，很好地提高了交换机的可用性，控制交换机的流表表项数量避免其使用超过上限，大大降低了突发流导致的数据丢失。

在SDN的这种分离式网络架构下实现这种方法是比较复杂的，因为这一方法是基于交换机资源情况的，而且控制器与交换机的控制信道的带宽是有限的。本发明实时地通过标准的OpenFlow协议感知流的间歇性和吞吐量特性，优化配置来自网络业务的流表项的超时时间设置。根据当前流表的资源使用情况，以及控制信道带宽来避免资源过载从而改进业务流的可用性。

本发明涉及使用以下SDN中已有的概念、技术或工具：

SDN控制器是根据OpenFlow协议设计的控制软件，用于管理数据流、配置网络设备、制定流表（Flow Table）、承担网络业务与网络设备间的通讯。

SDN中的交换机服从OpenFlow协议，称OpenFlow交换机（OFS）。OFS由SDN控制器管控，其流表由SDN控制器制定和修改。

OpenFlow协议版本为1.0及以上均可，其支持的安全通道实现OFS和SDN控制器之间的通信（详细内容参见https://www.opennetworking.org/）。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种预测流表项的最优超时时间的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种预测流表项的最优超时时间的方法，包括如下步骤：

1）构建初始网络；软件定义网络（SDN）由OpenFlow交换机（OFS）和一个SDN控制器构成，所有OFS组成一个域，由SDN控制器控制；

2）当OFS接收到一个进入流时，OFS查询流表失配后，向SDN控制器发送一条查询请求，SDN控制器接收该查询请求，由网络业务进行分析处理，产生FLOW_MOD消息，记作f_b；

3）查询SDN控制器维护的OFS流表项更新记录，若查找到f_b，说明该流表项被频繁使用，则将f_b的超时时间设置为2s，执行步骤5）；否则，说明该流表项首次使用，则SDN控制器增加该条记录，并设置f_b的OFPFF_SEND_FLOW_REM标志，要求OFS删除该条流表项时，向SDN控制器返回一条删除消息，用于SDN控制器统计OFS的吞吐量；

4）若OFS的流表项使用率达到其可用率的上限，说明此时已无法向OFS中增加新的流表项，则将f_b的超时时间设置为1s，以确保OFS的可用性，执行步骤5）；否则，f_b的最优超时时间

可根据OFS的使用率和数据流的吞吐量来计算，计算公式为：

$k_{i,b}^{t+1}=1+1/(1-{\mathrm{\β}}_i)+1/{\mathrm{\λ}}_{i,b}^{t+1}$

其中，β_i为OFS的使用率，

为OFS的数据流吞吐量；

5）将计算出的f_b的最优超时时间通过OpenFlow协议栈发送给OFS。

本发明的有益效果是，本发明通过预测流表项的超时时间来设置流表项的生存期，根据网络中流的分布特征和流表的资源使用情况，最优化流表项的超时时间，有效地提高了交换机的可用性。

同时，由于流表项超时时间的合理化，降低了SDN控制器与交换机的通信，大大缓解了控制信道带宽有限的问题。并且在网络中出现突发流时，该方法能够有效地缓和突发流，降低数据包的丢失，提高交换机对数据包的转发处理能力，增强了网络的稳定性和可用性。

附图说明

图1是一种预测流表项最优超时时间的方法的流程图；

图2是一种预测流表项最优超时时间的方法的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

实施例1

如图1所示，本发明一种预测流表项最优超时时间的方法,包括如下步骤：

步骤1：构建SDN网络。如图2所示，由SDN控制器（软件定义网络控制器）和三个OpenFlow交换机构建SDN网络，三个OpenFlow交换机分别命名为OFSa、OFSb和OFSi，OFSa、OFSb和OFSi组成一个域，由SDN控制器控制。

步骤2：当OFSi接收到OFSa转发来的一个进入流时，OFSi查询流表失配后，向SDN控制器发送一条查询请求，SDN控制器接收该查询请求，由网络业务进行分析处理，产生FLOW_MOD消息，记作f_b。

步骤3：查询SDN控制器维护的OFSi流表项更新记录，若查找到f_b，说明该流表项被频繁使用，则将f_b的超时时间设置为默认值（本发明中定义为2s），执行步骤5；否则，说明该流表项首次使用，则SDN控制器增加该条记录，并设置f_b的OFPFF_SEND_FLOW_REM标志，要求OFSi删除该条流表项时，向SDN控制器返回一条删除消息，用于SDN控制器统计OFSi的吞吐量。

步骤4：若OFSi的流表项使用率达到其可用率的上限，说明此时已无法向OFSi中增加新的流表项，则将f_b的超时时间设置为1s，以确保OFSi的可用性，执行步骤5；否则，f_b的最优超时时间

可根据OFSi的使用率和数据流的吞吐量来计算，计算公式为：

$k_{i,b}^{t+1}=1+1/(1-{\mathrm{\β}}_i)+1/{\mathrm{\λ}}_{i,b}^{t+1}$

其中，β_i为OFSi的使用率，

为OFSi的数据流吞吐量；

步骤5：将计算出的f_b的最优超时时间通过OpenFlow协议栈发送给OFSi。

本发明通过采用预测流表项最优超时时间的方法，经过严密的实验验证，流表项的活跃率相对原始模式降低了26.4%，控制信道的控制流吞吐量降低相比原先降低了25.8%，当网络中出现突发流时，通过本方法对超时时间的优化，交换机转发处理的可用性有了极大的提高。同时，由于控制信道的吞吐量降低，有效地缓解了交换机和控制器之间存在的性能瓶颈，从而降低了突发流情形下的丢包率。本发明通过设置最优流表项超时时间，使得网络在出现不稳定的情况下，控制器也能有效的对大量数据流进行处理，缓和网络动荡，增强了网络的稳定性和可用性。

Claims (1)

1.一种预测流表项的最优超时时间的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）构建初始网络；软件定义网络由OpenFlow交换机和一个软件定义网络控制器构成，所有OpenFlow交换机组成一个域，由软件定义网络控制器控制；

2）当OpenFlow交换机接收到一个进入流时，OpenFlow交换机查询流表失配后，向软件定义网络控制器发送一条查询请求，软件定义网络控制器接收该查询请求，由网络业务进行分析处理，产生FLOW_MOD消息，记作f_b；

3）查询软件定义网络控制器维护的OpenFlow交换机流表项更新记录，若查找到f_b，说明该流表项被频繁使用，则将f_b的超时时间设置为2s，执行步骤5）；否则，说明该流表项首次使用，则软件定义网络控制器增加该条记录，并设置f_b的OFPFF_SEND_FLOW_REM标志，要求OpenFlow交换机删除该条流表项时，向软件定义网络控制器返回一条删除消息，用于软件定义网络控制器统计OpenFlow交换机的吞吐量；

4）若OpenFlow交换机的流表项使用率达到其可用率的上限，说明此时已无法向OpenFlow交换机中增加新的流表项，则将f_b的超时时间设置为1s，以确保OpenFlow交换机的可用性，执行步骤5）；否则，f_b的最优超时时间

可根据OpenFlow交换机的使用率和数据流的吞吐量来计算，计算公式为：

$k_{i,b}^{t+1}=1+1/(1-{\mathrm{\β}}_i)+1/{\mathrm{\λ}}_{i,b}^{t+1}$

其中，β_i为OpenFlow交换机的使用率，为OpenFlow交换机的数据流吞吐量；

5）将计算出的f_b的最优超时时间通过OpenFlow协议栈发送给OpenFlow交换机。

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