CN104104718B - 一种基于软件定义网络的用户自主路由定制系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于软件定义网络的用户自主路由定制系统，包括网络拓扑信息探测模块、网络性能探测模块、网络资源整合模块、网络资源呈现模块、网络关键点提取模块、用户关键点选择模块、路由计算模块和用户交互界面模块；一种基于软件定义网络的用户自主路由定制方法，包括下列操作步骤：(1)用户登录系统，查看当前网络资源信息；(2)系统向用户推荐备选路由方案；(3)用户选择一种路由；(4)系统对物理网络实施策略定制和资源调度，实现用户主动对网络的个性化控制。本发明实现了用户自主选择个性化路由方案的目标。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于软件定义网络的用户自主路由定制系统和方法，属于因特网技术领域，特别是属于软件定义网络技术领域。
背景技术
因特网已经成为人们生活中不可或缺的一部分，网上丰富的资源和各式各样的应用极大的改变了人们的生活方式。这使得研究人员对新型网络架构的研究和服务的控制变得十分困难，影响了网络的扩展性，阻碍了网络新技术的发展。现代互联网在强大的压力下已经显现出安全性不高、网络控制复杂、数据转发效率低、网络地址短缺等急需解决的问题，而这一切问题的根源都可以归结为一互联网缺乏有效的可控性。
作为各种应用和服务的支撑，因特网现有的路由策略单一、僵化，造成网络资源利用效率低下且占用不均衡。目前的路由器等网络设备只基于通用策略进行数据包常规转发，无论何种类型的数据包都按照一种方式选路，忽视了不同应用场景和用户偏好对控制策略的多样化要求。而且当部分链路发生拥塞，造成路由策略不能满足用户对时延、带宽等网络性能要求时，网络传输既难以感知业务与用户，用户又往往因无法控制网络而不能解决传输中存在的问题，更不能针对用户实现对传输过程的个性化优化控制。
由于SDN(Software Defined Networking)对网络设备具有良好的可编程性和统一的集中控制特性，研究人员可以较容易地获取网络设备信息、控制网络设备、部署新型网络协议。在SDN网络中，控制平面与数据平面相互分离，支持用户定义自己的虚拟网络，定义个性化的网络规则和控制策略，网络服务提供者甚至能够为某一用户提供特有的网络服务，这都使得SDN网络为用户实现自主路由选择及网络流量的灵活控制提供了良好的平台。
如何利用SDN的开放定制和集中控制特性，解决因特网现有的路由策略单一、僵化不能针对用户提供个性化的路由定制的问题，成为目前因特网技术领域急需解决的一个技术难题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是发明一种基于软件定义网络的用户自主路由定制方法及其相关系统，解决网络传输难以感知业务，用户仅能被动使用网络的问题，从而实现用户主动参与网络控制、自主选择网络资源、定制个性化路由策略，最终实现提高用户业务体验，提供智能化、个性化服务的目标。
为了达到上述目的，本发明提出了一种基于软件定义网络的用户自主路由定制系统，所述系统包括如下功能模块：
网络拓扑信息探测模块：该模块负责网络拓扑信息的探测，所述的网络拓扑主要指的是交换机之间的相对逻辑位置的拓扑结构，即拓扑结构是逻辑上的，而并非物理上；所述的网络拓扑信息由SDN控制器负责探测并将结果报给应用程序；由于网络拓扑信息是动态变化的，SDN控制器每隔一段时间向所负责的交换机发送探测包，以确定该交换机的有效性；每个交换机都与SDN控制器直接相连，构成了所述的网络拓扑图的结点；对于结点间的链路信息，可以将SDN控制器看做根结点利用Doubletree算法进行探测；
当发生结点增加或失效时，在所述的网络拓扑图中添加或移除该结点及相连的边；当链路失效时，在所述的网络拓扑图中将对应边移除，以保证网络拓扑信息的正确性；
探测内容包括节点的状态与链路的状态，分别是“活动”、“挂起”、“停机”，其中“活动”状态是指节点或链路工作正常且有流量经过，“挂起”状态是指节点或链路处于空闲状态，即工作正常但无流量经过，“停机”状态是指节点或链路出现异常，不可达；根据以上信息，所述网络拓扑信息探测模块构造节点和链路的状态数据结构表，并将其提交给网络资源整合模块；
网络性能探测模块：该模块负责探测网络的性能，探测内容包括：节点的处理能力、节点的缓冲区容量及队列长度、队列优先调度原则及参数、链路的时延与带宽、网络所使用的协议等，根据以上信息，所述网络性能探测模块构造节点和链路的性能信息表，并将其提交给网络资源整合模块；
该模块探测网络的方式有主动探测方式和被动探测方式两种，所述的主动探测方式是指向网络中发送经过特殊组合的探测包，通过对探测包所受网络影响而发生特性变化的分析，得到网络状态和性能变化；被动探测方式是指在网络的测量点处部署数据采集器，收集流经该测量点的网络流量，周期性地轮询被动检测设备并采集信息，以判断网络性能和状态；
网络资源整合模块：该模块将所述的网络拓扑信息探测模块和所述的网络性能探测模块提供的信息进行整合，得到具有网络性能和网络拓扑结构的数据结构，包括描述节点和链路的数据结构表，以及描述网络整体的数据结构信息；
网络资源呈现模块：该模块将网络资源整合模块提供的网络图绘制出来，提交到用户交互界面上直观地呈现给用户，具体为：该模块根据所述网络资源整合模块所提供的数据结构信息，描绘出网络拓扑结构图，并将该拓扑结构图展现给用户；用户可以根据需要放大或缩小局部网络信息；根据用户需要，该模块可以呈现当前网络性能参数及物理参数；用户可以以触摸方式自由选择结点及链路，方便地与所述的用户自主路由定制系统进行信息交互生成路由信息；
所述的网络拓扑结构图是一个节点和链路都带有权重的复杂加权图，其中节点的权重反映了节点的当前处理能力，链路的权重是时延，或者是带宽，或者是时延和带宽的加权表达，该复杂加权图是用户定制路由的基础；
网络关键点提取模块：该模块会根据网络状态，提取出网络中的关键节点，具体为：该模块根据所述网络资源整合模块所提供的关于节点和链路的信息，提取网络中的关键节点；在定制路由时用户可根据所述网络资源整合模块所提供的关于节点和链路的信息，优先选择某些节点或尽量避免使用某些节点；
用户关键点选择模块：用户根据所述网络关键点提取模块提取出的网络关键点信息，并根据自己的具体需求，自由指定路由需要经过的节点，然后将选择的关键点提交到路由计算模块；通常情况下，用户所指定路由是满足当前用户需求的最优路径；该模块支持对用户自由指定路由进行评估打分，帮助用户评估和分析所自由指定路由的性能优劣，从而提高用户的路由体验；
路由计算模块：该模块提供可定制的路由计算功能，具体是：根据网络拓扑信息探测模块和网络性能探测模块所得到的信息，并依据不同的路由算法进行路由计算；分别设置链路权重为时延、带宽和丢包率，运行相关的路由F算法，得到时延最小路由、带宽最高路由和最小丢包路由；该模块可以向用户推荐以上所述的时延最小路径、带宽最高路径和传输最稳定路径这三种默认的最优路径方案；用户根据自己的具体需求选择其中一种；如果所述的三种推荐方案均不能满足用户的需求，则路由计算模块根据用户提供的关键节点，运行相应的路由算法重新计算路由，所得结果供用户选择；该模块将用户最终选定的方案提交到网络控制模块；
用户交互界面模块：该模块提供用户与所述的用户自主路由定制系统进行交互的接口，接口分为四类即：网络资源显示接口、定制关键点接口、路由路径选择接口和用户需求感知接口，这些接口都是双向的，即提供用户与系统交互传递参数的功能；
所述的网络资源显示接口的功能是：把系统经过整合探测到的网络信息周期性向用户显示，或用户主动提出需求，查询当前网络资源可否满足；
所述的定制关键点接口的功能是：判断系统推荐的关键节点是否满足用户的需求，以及向系统提供用户自己选中的关键点；
所述的路由路径选择接口的功能是：用户通过该接口选择系统推荐的最佳路由；
所述的用户需求感知接口的功能是：系统通过该接口感知用户需求，包括需求的类型、时间、地点、偏好度等，进行资源优化调度。
为了达到上述目的，本发明提出了一种基于软件定义网络的用户自主路由定制方法，其特征在于：所述方法包括下列操作步骤：
(1)用户通过用户交互界面登录自主路由定制系统，查看当前网络资源信息；所述的用户既包括基础网络管理员、业务网络管理员，还包括普通网络用户；
(2)所述的自主路由定制系统向用户推荐该网络专有的备选路由方案；所述的网络包括基础网络和虚拟网络，具体内容是：所述系统不仅向用户提供基础网络路由服务，还可以向用户提供用户定制虚拟路由服务，用户根据特定业务的需要进行虚拟路由的定制，所述的虚拟路由与物理网络的路由协议相互独立，可以采用不同的路由机制；所述系统提供RIP，OSPF，BGP，ECMP，IGMP等虚拟网络路由协议，负责虚拟网络中路由信息的交互，确保虚拟网络的可达性，为转发层提供转发依据；所述系统支持用户对现有协议的改进和自定义，支持用户对具体路由走向的自定义静态指定，即：将特定业务的数据包对应的流表项的下一跳，设置为与路由器直接相连的虚拟路由器实例；
(3)用户进行路由方案的预览，并根据自身需求选择一种路由方式，或者直接进行路由关键点选择及策略修改，重新进行路由计算；
(4)根据用户的选择，所述的自主路由定制系统对物理网络实施相应的策略定制和资源调度，实现用户主动对网络的个性化控制。
所述步骤(1)中所述的用户交互界面指的是所述的自主路由定制系统提供给用户的终端的操作界面，用户能通过操作界面简单快速地使用所述系统提供的功能，既包括用户注册入口、网络拓扑图界面、搜索窗口、附近网络资源和内容资源位置显示、网络之间互连的协议Internet Protocol定位等基础网络管理功能；还包括路由方案显示界面、定制关键点、应用程序编程接口API提供、第三方数据纠错等该自主路由定制方法特有的功能；所述的这些操作功能根据用户权限而有所不同，既包括基础网络管理员、企业网络管理员、还包括普通网络用户，并根据网络运营策略开放部分基础网络管理操作并开发新的策略定制功能给企业网络管理员或普通网络用户，来实现其面向流的定制化选路。
所述步骤(1)中查看当前网络资源信息的具体内容是：所述系统与软件定义网络中的控制器交互，获取整个网络的资源信息，包括网络拓扑图、网络状态、底层物理网络的链路故障、重路由事件、网络突发事件和网络层之上的业务层流量信息等实时信息；所述系统将所述的获取到的网络资源信息进行汇总，通过可视化控制界面向用户进行直观显示，将对整个网络的当前状况完全展示给用户，方便后续用户进行自定义选路以避开网络拥塞，不仅只是被动地使用网络；所述系统为应用提供基础性选路服务，可以为任何类型应用提供定制化网络策略接口，即便所述系统不运行时，其他应用依然会按照网络默认策略进行通信；
所述步骤(2)中所述的自主路由定制系统向用户推荐该网络专有的备选路由方案的具体内容是：所述的自主路由定制系统根据网络拓扑探测和性能探测所得到的信息，并定制个性化路由策略，依据不同的路由策略进行路由计算，支持单路径路由和多路径路由；所述的自主路由定制系统向用户推荐默认的三种类型的最优路径方案，即：时间最短路由、带宽最高路由和传输最稳定路由。
所述步骤(3)中系统支持根据用户需要进行关键点选择或者策略修改的具体内容是：用户使用系统提供的路由查询功能，预览所述步骤(2)中所提供的默认的三种路由方案，如果所述的方案均不满足用户需求，可以采用更为直接的自行选择路由的方式，具体操作是：用户根据业务需求、个人偏好、网络状态等信息，用户自定义有限个数的应用所经过的路由节点，以及一条或多条路径；选完后路由计算模块根据用户提供的关键节点，运行相应的路由算法重新计算路由，系统显示可预测的流量路由效果，用户根据传输效果决定是否进行再次选择，最终确认后再进行所述步骤(4)；当所述用户使用不同的业务时，所述系统对用户的业务流量进行差异化的流量管理，满足个性化需求，所述用户也能够动态的调整或取消所定制的个性化路由。
所述步骤(4)中，所述的自主路由定制系统对物理网络进行相应的策略定制和资源调度的具体内容是：
网络资源调度：所述的自主路由定制系统根据用户定制的网络配置所需资源，资源配置包括结点资源的分配和网络侧资源配置；对于用户的某些特定需求，系统将为其预留固定资源，不允许其他用户占用，以保证用户的服务等级协议SLA和服务质量QoS；而对于大多数用户资源是共享的，当多个需求同时到达，系统根据排队论模型和预先设定的优先级，进行合理的资源配置，尽量满足用户服务质量；
流表下发：对于基础网络，所述的自主路由定制系统直接将定制的流表下发到对应的每一个交换机；对于虚拟网络，系统根据虚拟交换机所在虚拟网络下发流表；虚拟网络拓扑生成之后，数据流大多在虚拟网络内部转发，所以所述系统只能将流表下发给虚拟交换机所在的物理交换机，该物理交换机负责将不同虚拟网络的流表进行隔离，以保证虚拟网络内部的可靠性；当数据流需要在虚拟网络之间转发时，所述系统将流表下发到连接两个虚拟网络的边缘交换机，以保障虚拟网络间的连通性。
本发明的有益效果在于充分利用了SDN的开放定制和集中控制特性，有效收集网络信息并直观地显示给用户，实现了用户自主选择个性化路由方案的目标，提高了网络应用的传输效率，有助于实现网络服务的智能化和个性化。
附图说明
图1是本发明提出的一种基于软件定义网络的用户自主路由定制系统的模块结构图。
图2是本发明提出的一种基于软件定义网络的用户自主路由定制方法的流程图。
图3是本发明仿真实验所用网络的网络拓扑结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
参见图1，介绍本发明提出了一种基于软件定义网络的用户自主路由定制系统，所述系统包括如下功能模块：
网络拓扑信息探测模块：该模块负责网络拓扑信息的探测，所述的网络拓扑主要指的是交换机之间的相对逻辑位置的拓扑结构，即拓扑结构是逻辑上的，而并非物理上；所述的网络拓扑信息由SDN控制器负责探测并将结果报给应用程序；由于网络拓扑信息是动态变化的，SDN控制器每隔一段时间向所负责的交换机发送探测包，以确定该交换机的有效性；每个交换机都与SDN控制器直接相连，构成了所述的网络拓扑图的结点；对于结点间的链路信息，可以将SDN控制器看做根结点利用Doubletree算法进行探测；
当发生结点增加或失效时，在所述的网络拓扑图中添加或移除该结点及相连的边；当链路失效时，在所述的网络拓扑图中将对应边移除，以保证网络拓扑信息的正确性；
探测内容包括节点的状态与链路的状态，分别是“活动”、“挂起”、“停机”，其中“活动”状态是指节点或链路工作正常且有流量经过，“挂起”状态是指节点或链路处于空闲状态，即工作正常但无流量经过，“停机”状态是指节点或链路出现异常，不可达；根据以上信息，所述网络拓扑信息探测模块构造节点和链路的状态数据结构表，并将其提交给网络资源整合模块；
网络性能探测模块：该模块负责探测网络的性能，探测内容包括：节点的处理能力、节点的缓冲区容量及队列长度、队列优先调度原则及参数、链路的时延与带宽、网络所使用的协议(如RIP或OSPF)等，根据以上信息，所述网络性能探测模块构造节点和链路的性能信息表，并将其提交给网络资源整合模块；
该模块探测网络的方式有主动探测方式和被动探测方式两种，所述的主动探测方式是指向网络中发送经过特殊组合的探测包(如ping,traceroute,mtrace等)，通过对探测包所受网络影响而发生特性变化的分析，得到网络状态和性能变化；被动探测方式是指在网络的测量点处部署数据采集器(Probe)，收集流经该测量点的网络流量，周期性地轮询被动检测设备并采集信息，以判断网络性能和状态；
网络资源整合模块：该模块将所述的网络拓扑信息探测模块和所述的网络性能探测模块提供的信息进行整合，得到具有网络性能和网络拓扑结构的数据结构，包括描述节点和链路的数据结构表，以及描述网络整体的数据结构信息(例如节点的状态、带宽、容量、调度原则；链路的状态、时延、带宽；网络的路由算法等)；
网络资源呈现模块：该模块将网络资源整合模块提供的网络图绘制出来，提交到用户交互界面上直观地呈现给用户，具体为：该模块根据所述网络资源整合模块所提供的数据结构信息，描绘出网络拓扑结构图，并将该拓扑结构图展现给用户；用户可以根据需要放大或缩小局部网络信息；根据用户需要，该模块可以呈现当前网络性能参数(时延和带宽)及物理参数(IP、MAC地址等)；用户可以以触摸方式自由选择结点及链路，方便地与所述的用户自主路由定制系统进行信息交互生成路由信息；
所述的网络拓扑结构图是一个节点和链路都带有权重的复杂加权图，其中节点的权重反映了节点的当前处理能力，链路的权重是时延，或者是带宽，或者是时延和带宽的加权表达，该复杂加权图是用户定制路由的基础；
网络关键点提取模块：该模块会根据网络状态，提取出网络中的关键节点，具体为：该模块根据所述网络资源整合模块所提供的关于节点和链路的信息，提取网络中的关键节点(例如度较大的节点，缓冲区负荷较大的节点，带宽较大的节点，局域网出口路由器，AS域中担负BGP发言人的节点等)；在定制路由时用户可根据所述网络资源整合模块所提供的关于节点和链路的信息，优先选择某些节点或尽量避免使用某些节点；
用户关键点选择模块：用户根据所述网络关键点提取模块提取出的网络关键点信息，并根据自己的具体需求，自由指定路由需要经过的节点，然后将选择的关键点提交到路由计算模块；通常情况下，用户所指定路由是满足当前用户需求的最优路径；该模块支持对用户自由指定路由进行评估打分，帮助用户评估和分析所自由指定路由的性能优劣，从而提高用户的路由体验；
路由计算模块：该模块提供可定制的路由计算功能，具体是：根据网络拓扑信息探测模块和网络性能探测模块所得到的信息，并依据不同的路由算法进行路由计算；分别设置链路权重为时延、带宽和丢包率，运行相关的路由(例如OSPF)算法，得到时延最小路由、带宽最高路由和最小丢包路由；该模块可以向用户推荐以上所述的时延最小路径、带宽最高路径和传输最稳定路径这三种默认的最优路径方案；用户根据自己的具体需求选择其中一种；如果所述的三种推荐方案均不能满足用户的需求，则路由计算模块根据用户提供的关键节点，运行相应的路由算法重新计算路由，所得结果供用户选择；该模块将用户最终选定的方案提交到网络控制模块；
用户交互界面模块：该模块提供用户与所述的用户自主路由定制系统进行交互的接口，接口分为四类即：网络资源显示接口、定制关键点接口、路由路径选择接口和用户需求感知接口，这些接口都是双向的，即提供用户与系统交互传递参数的功能；
所述的网络资源显示接口的功能是：把系统经过整合探测到的网络信息周期性向用户显示，或用户主动提出需求，查询当前网络资源可否满足；
所述的定制关键点接口的功能是：判断系统推荐的关键节点是否满足用户的需求，以及向系统提供用户自己选中的关键点；
所述的路由路径选择接口的功能是：用户通过该接口选择系统推荐的最佳路由；
所述的用户需求感知接口的功能是：系统通过该接口感知用户需求，包括需求的类型、时间、地点、偏好度等，进行资源优化调度。
参见图2，本发明提出了一种基于软件定义网络的用户自主路由定制方法，其特征在于：所述方法包括下列操作步骤：
(1)用户通过用户交互界面登录自主路由定制系统，查看当前网络资源信息；所述的用户既包括基础网络管理员、业务网络管理员，还包括普通网络用户；
(2)所述的自主路由定制系统向用户推荐该网络专有的备选路由方案；所述的网络包括基础网络和虚拟网络，具体内容是：所述系统不仅向用户提供基础网络路由服务，还可以向用户提供用户定制虚拟路由服务，用户根据特定业务的需要进行虚拟路由的定制，所述的虚拟路由与物理网络的路由协议相互独立，可以采用不同的路由机制；所述系统提供RIP(Routing Information Protocol)，OSPF(Open Shortest Path First)，BGP(BorderGateway Protocol)，ECMP(Equal-Cost Multipath Routing)，IGMP(Internet GroupManagement Protocol)等虚拟网络路由协议，负责虚拟网络中路由信息的交互，确保虚拟网络的可达性，为转发层提供转发依据；所述系统支持用户对现有协议的改进和自定义，支持用户对具体路由走向的自定义静态指定，即：将特定业务的数据包对应的流表项的下一跳，设置为与路由器直接相连的虚拟路由器实例；
(3)用户进行路由方案的预览，并根据自身需求选择一种路由方式，或者直接进行路由关键点选择及策略修改，重新进行路由计算；
(4)根据用户的选择，所述的自主路由定制系统对物理网络实施相应的策略定制和资源调度，实现用户主动对网络的个性化控制。
所述步骤(1)中所述的用户交互界面指的是所述的自主路由定制系统提供给用户的终端的操作界面，用户能通过操作界面简单快速地使用所述系统提供的功能，既包括用户注册入口、网络拓扑图界面、搜索窗口、附近网络资源和内容资源位置显示、网络之间互连的协议Internet Protocol定位等基础网络管理功能；还包括路由方案显示界面、定制关键点、应用程序编程接口API提供、第三方数据纠错等该自主路由定制方法特有的功能；所述的这些操作功能根据用户权限而有所不同，既包括基础网络管理员、企业网络管理员、还包括普通网络用户，并根据网络运营策略开放部分基础网络管理操作并开发新的策略定制功能给企业网络管理员或普通网络用户，来实现其面向流的定制化选路。
所述步骤(1)中查看当前网络资源信息的具体内容是：所述系统与软件定义网络中的控制器交互，获取整个网络的资源信息，包括网络拓扑图、网络状态、底层物理网络的链路故障、重路由事件、网络突发事件和网络层之上的业务层流量信息等实时信息；所述系统将所述的获取到的网络资源信息进行汇总，通过可视化控制界面向用户进行直观显示，将对整个网络的当前状况完全展示给用户，方便后续用户进行自定义选路以避开网络拥塞，不仅只是被动地使用网络；所述系统为应用提供基础性选路服务，可以为任何类型应用提供定制化网络策略接口，即便所述系统不运行时，其他应用依然会按照网络默认策略进行通信；
所述步骤(2)中所述的自主路由定制系统向用户推荐该网络专有的备选路由方案的具体内容是：所述的自主路由定制系统根据网络拓扑探测和性能探测所得到的信息，并定制个性化路由策略，依据不同的路由策略进行路由计算，支持单路径路由和多路径路由；所述的自主路由定制系统向用户推荐默认的三种类型的最优路径方案，即：时间最短路由、带宽最高路由和传输最稳定路由。
所述步骤(3)中系统支持根据用户需要进行关键点选择或者策略修改的具体内容是：用户使用系统提供的路由查询功能，预览所述步骤(2)中所提供的默认的三种路由方案，如果所述的方案均不满足用户需求，可以采用更为直接的自行选择路由的方式，具体操作是：用户根据业务需求、个人偏好、网络状态等信息，用户自定义有限个数的应用所经过的路由节点，以及一条或多条路径；选完后路由计算模块根据用户提供的关键节点，运行相应的路由算法重新计算路由，系统显示可预测的流量路由效果，用户根据传输效果决定是否进行再次选择，最终确认后再进行所述步骤(4)；当所述用户使用不同的业务时，所述系统对用户的业务流量进行差异化的流量管理，满足个性化需求，所述用户也能够动态的调整或取消所定制的个性化路由。
所述步骤(4)中，所述的自主路由定制系统对物理网络进行相应的策略定制和资源调度的具体内容是：
网络资源调度：所述系统根据用户定制的虚拟网络配置所需资源，资源配置包括结点(主机、终端和服务器等)资源的分配和网络侧资源(路由器、交换机、防火墙和网关等)配置；对于用户的某些特定需求(比如，彼此互联的上海北京广州三点间通信，带宽20M，时延50ms)，系统将为其预留固定资源，不允许其他用户占用，以保证用户的服务等级协议SLA(Service-Level Agreement，服务等级协议)和QoS(Quality of Service，服务质量)；而对于大多数用户资源是共享的，当多个需求同时到达，系统根据排队论模型(如M/M/S、M/G/1等)和预先设定的优先级，进行合理的资源配置，尽量满足用户服务质量；
流表下发：对于基础网络，所述的自主路由定制系统直接将定制的流表下发到对应的每一个交换机；对于虚拟网络，系统根据虚拟交换机所在虚拟网络下发流表；虚拟网络拓扑生成之后，数据流大多在虚拟网络内部转发，所以所述系统只能将流表下发给虚拟交换机所在的物理交换机，该物理交换机负责将不同虚拟网络的流表进行隔离，以保证虚拟网络内部的可靠性；当数据流需要在虚拟网络之间转发时，所述系统将流表下发到连接两个虚拟网络的边缘交换机，以保障虚拟网络间的连通性。
参见图3，发明人采用因特网技术领域广泛认可的SDN仿真测试环境Mininet，对本发明所提的系统和方法进行了测试仿真实验。
测试报文从源节点18.31.12.1发往目的节点18.31.12.6其中节点2到节点3的链路被设置为高带宽(100M)，高占用率(90％,初始值)，较高丢包率(3％)；节点2到节点5的链路被设置为低带宽(10M)，低占用率(10％)；节点4到节点3的链路为较低带宽(5OM)，低占用率(10％)；节点4到节点5的链路为高带宽(100M)，高占用率(80％)，较高丢包率1％，其余链路由于不影响选路结果,因此状况信息均采用缺省值,可见表1:
表1测试网络的链路状况
| 节点A | 节点B | 带宽width | 占用率usage | 丢包率loss | 延时delay |
| 18.31.12.1 | 18.31.12.2 | 100 | 0 | 0 | 10 |
| 18.31.12.1 | 18.31.12.7 | 100 | 0 | 0 | 10 |
| 18.31.12.2 | 18.31.12.3 | 100 | 10 | 5 | 10 |
| 18.31.12.2 | 18.31.12.5 | 80 | 90 | 0 | 10 |
| 18.31.12.3 | 18.31.12.4 | 50 | 10 | 0 | 10 |
| 18.31.12.5 | 18.31.12.4 | 100 | 80 | 4 | 10 |
| 18.31.12.5 | 18.31.12.8 | 70 | 10 | 2 | 10 |
| 18.31.12.4 | 18.31.12.6 | MAXVALUE | 0 | 0 | 10 |
| 18.31.12.8 | 18.31.12.6 | MAXVALUE | 0 | 0 | 10 |
| 18.31.12.7 | 18.31.12.5 | 60 | 30 | 2 | 10 |
| 18.31.12.7 | 18.31.12.8 | 80 | 20 | 1 | 10 |
根据所需要的网络拓扑和链路状态信息，构建发送数据包，在传输过程中依据不同的路由算法进行路由计算，根据用户选择提供三种推荐的策略计算出优化的路由，具体如下：
情况1:最小丢包率MIN(loss)
数据包在节点18.31.12.1时,由于有18.31.12.2和18.31.12.7相邻且未指定该链路状态信息,因此应该选择默认路径18.31.12.1→18.31.12.2；
数据包在节点18.31.12.2时,有18.31.12.3(loss＝5)和18.31.12.5(loss未指定,因此为缺省值0)两条路由可选,选择路由18.31.12.2→18.31.12.5；
数据包在节点18.31.12.5时,有18.31.12.4(loss＝4)和18.31.12.8(loss＝2)两条路由可选可选,选择路由18.31.12.5→18.31.12.8；
在18.31.12.8和18.31.12.6之间,数据包选择路由18.31.12.8→18.31.12.6,累计loss＝1，以此类推，遍历所有选择；
综上所述,最小数据包丢包率MIN(loss)的Qos路由选择结果为：18.31.12.1→18.31.12.2→18.31.12.5→18.31.12.8→18.31.12.6，该方案带宽width＝80，丢包率loss＝4，延时delay＝40。
情况2:带宽width>80
数据包在节点18.31.12.1时,有18.31.12.2和18.31.12.7两条路由可选,由于18.31.12.32(width＝100)满足QoS需求(width>80),因此，默认直接选择路由18.31.12.1→18.31.12.2(此时系统不对18.31.12.7链路状况进行检查)；
数据包在节点18.31.12.2时,也有18.31.12.3和18.31.12.5两条路由可选,由于18.31.12.3(width＝100)满足QoS需求(width>80),因此，直接选择路由18.31.12.2→18.31.12.3(此时系统不对18.31.12.5链路状况进行检查)；
数据包在节点18.31.12.3时,仅有路由18.31.12.4可选,然而该路由width＝50不满足Qos需求；返回在节点18.31.12.2重新计算,数据包有两条路由18.31.12.3(width＝50)和18.31.12.5(width＝100)，本次根据需求选择18.31.12.2→18.31.12.5；
在节点18.31.12.5,有两条路由18.31.12.4(width＝100)和18.31.12.8(width＝100)根据需求选择18.31.12.5→18.31.12.4；
在节点18.31.12.4,只有一种选择18.31.12.4→18.31.12.6，这里不再赘述；
综上所述,数据包width>80的QoS路由选择结果为：18.31.12.1→18.31.12.2→18.31.12.5→18.31.12.4→18.31.12.6.该方案width＝80，loss＝4，delay＝40。
实际上，存在某用户的需求未必仅是带宽width>80，还需要避免发生拥塞。因此，这样的需求类似情况3。
情况3:带宽width>50且占用率usage<30
数据包在节点18.31.12.1时,有18.31.12.2和18.31.12.7两条路由可选,由于都满足QoS需求(width>50),因此默认直接选择路由18.31.12.1→18.31.12.2；
数据包在节点18.31.12.2时,只有一种选择18.31.12.3(width＝100:usage＝10)可选,满足Qos需求(width>50：usage<30),因此，应直接选择路由18.31.12.3→18.31.12.4；
在18.31.12.4和18.31.12.6之间,数据包选择路由18.31.12.4→18.31.12.6
综上所述,数据包width>50:usage<30的Qos路由选择结果为：18.31.12.1→18.31.12.2→18.31.12.3→18.31.12.4→18.31.12.6，该方案width＝50，loss＝5，delay＝40。
结果分析：
发明人利用定制的路由策略，在三种Qos需求的情况下进行了实验测试，实验证明,利用定制化策略来完成路由定制的任务是完全可行的，这几种算法的结果，要比直接运行OSPF等算法(得到时延最小路径或带宽最高路径)更贴近用户的需求,可以灵活地进行具有QoS功能的端用户路由，使用户参与决策成为可能。
在推荐三种方案的基础上，用户还可以进一步控制自己的数据包所走的网络路径,并且拥有更多的手段去选择最优的或者是满足特定应用要求的路径传递数据包,并在此过程中进行必要的保护和处理。用户通过流量拓扑图发现节点7相对空闲且能力较强，选择节点7位必经点，这样经过类似情况3的计算，数据包width>50:usage<30的Qos路由选择结果将变为：18.31.12.1→18.31.12.7→18.31.12.8→18.31.12.6，该方案width＝80，loss＝2，delay＝30，实际测试数据传输结果，在各种性能参数更能满足用户的需求。
发明人经过大量的实验和仿真，获得了满意的实验结果，证实本发明是可行且非常有效的。
Claims (7)
1.一种基于软件定义网络的用户自主路由定制系统，其特征在于：所述系统包括如下功能模块：
网络拓扑信息探测模块：该模块负责网络拓扑信息的探测，所述的网络拓扑主要指的是交换机之间的相对逻辑位置的拓扑结构，即拓扑结构是逻辑上的，而并非物理上；所述的网络拓扑信息由SDN控制器负责探测并将结果报给应用程序；由于网络拓扑信息是动态变化的，SDN控制器每隔一段时间向所负责的交换机发送探测包，以确定该交换机的有效性；每个交换机都与SDN控制器直接相连，构成了所述的网络拓扑图的结点；对于结点间的链路信息，可以将SDN控制器看做根结点利用Doubletree算法进行探测；当发生结点增加或失效时，在所述的网络拓扑图中添加或移除该结点及相连的边；当链路失效时，在所述的网络拓扑图中将对应边移除，以保证网络拓扑信息的正确性；探测内容包括节点的状态与链路的状态，分别是“活动”、“挂起”、“停机”，其中“活动”状态是指节点或链路工作正常且有流量经过，“挂起”状态是指节点或链路处于空闲状态，即工作正常但无流量经过，“停机”状态是指节点或链路出现异常，不可达；根据以上信息，所述网络拓扑信息探测模块构造节点和链路的状态数据结构表，并将其提交给网络资源整合模块；
网络性能探测模块：该模块负责探测网络的性能，探测内容包括：节点的处理能力、节点的缓冲区容量及队列长度、队列优先调度原则及参数、链路的时延与带宽、网络所使用的协议等，根据以上信息，所述网络性能探测模块构造节点和链路的性能信息表，并将其提交给网络资源整合模块；该模块探测网络的方式有主动探测方式和被动探测方式两种，所述的主动探测方式是指向网络中发送经过特殊组合的探测包，通过对探测包所受网络影响而发生特性变化的分析，得到网络状态和性能变化；被动探测方式是指在网络的测量点处部署数据采集器，收集流经该测量点的网络流量，周期性地轮询被动检测设备并采集信息，以判断网络性能和状态；
网络资源整合模块：该模块将所述的网络拓扑信息探测模块和所述的网络性能探测模块提供的信息进行整合，得到具有网络性能和网络拓扑结构的数据结构，包括描述节点和链路的数据结构表，以及描述网络整体的数据结构信息；
网络资源呈现模块：该模块将网络资源整合模块提供的网络图绘制出来，提交到用户交互界面上直观地呈现给用户，具体为：该模块根据所述网络资源整合模块所提供的数据结构信息，描绘出网络拓扑结构图，并将该拓扑结构图展现给用户；用户可以根据需要放大或缩小局部网络信息；根据用户需要，该模块可以呈现当前网络性能参数及物理参数；用户可以以触摸方式自由选择结点及链路，方便地与所述的用户自主路由定制系统进行信息交互生成路由信息；所述的网络拓扑结构图是一个节点和链路都带有权重的复杂加权图，其中节点的权重反映了节点的当前处理能力，链路的权重是时延，或者是带宽，或者是时延和带宽的加权表达，该复杂加权图是用户定制路由的基础；
网络关键点提取模块：该模块会根据网络状态，提取出网络中的关键节点，具体为：该模块根据所述网络资源整合模块所提供的关于节点和链路的信息，提取网络中的关键节点；在定制路由时用户可根据所述网络资源整合模块所提供的关于节点和链路的信息，优先选择某些节点或尽量避免使用某些节点；
用户关键点选择模块：用户根据所述网络关键点提取模块提取出的网络关键点信息，并根据自己的具体需求，自由指定路由需要经过的节点，然后将选择的关键点提交到路由计算模块；通常情况下，用户所指定路由是满足当前用户需求的最优路径；该模块支持对用户自由指定路由进行评估打分，帮助用户评估和分析所自由指定路由的性能优劣，从而提高用户的路由体验；
路由计算模块：该模块提供可定制的路由计算功能，具体是：根据网络拓扑信息探测模块和网络性能探测模块所得到的信息，并依据不同的路由算法进行路由计算；分别设置链路权重为时延、带宽和丢包率，运行相关的路由算法，得到时延最小路由、带宽最高路由和最小丢包路由；该模块可以向用户推荐以上所述的时延最小路径、带宽最高路径和传输最稳定路径这三种默认的最优路径方案；用户根据自己的具体需求选择其中一种；如果所述的三种推荐方案均不能满足用户的需求，则路由计算模块根据用户提供的关键节点，运行相应的路由算法重新计算路由，所得结果供用户选择；该模块将用户最终选定的方案提交到网络控制模块；
用户交互界面模块：该模块提供用户与所述的用户自主路由定制系统进行交互的接口，接口分为四类即：网络资源显示接口、定制关键点接口、路由路径选择接口和用户需求感知接口，这些接口都是双向的，即提供用户与系统交互传递参数的功能；所述的网络资源显示接口的功能是：把系统经过整合探测到的网络信息周期性向用户显示，或用户主动提出需求，查询当前网络资源可否满足；所述的定制关键点接口的功能是：判断系统推荐的关键节点是否满足用户的需求，以及向系统提供用户自己选中的关键点；所述的路由路径选择接口的功能是：用户通过该接口选择系统推荐的最佳路由；所述的用户需求感知接口的功能是：系统通过该接口感知用户需求，包括需求的类型、时间、地点、偏好度等，进行资源优化调度。
2.一种基于软件定义网络的用户自主路由定制方法，其特征在于：所述方法包括下列操作步骤：
(1)用户通过用户交互界面登录自主路由定制系统，查看当前网络资源信息；所述的用户既包括基础网络管理员、业务网络管理员，还包括普通网络用户；
(2)所述的自主路由定制系统向用户推荐该网络专有的备选路由方案；所述的网络包括基础网络和虚拟网络，具体内容是：所述系统不仅向用户提供基础网络路由服务，还可以向用户提供用户定制虚拟路由服务，用户根据特定业务的需要进行虚拟路由的定制，所述的虚拟路由与物理网络的路由协议相互独立，可以采用不同的路由机制；所述系统提供RIP，OSPF，BGP，ECMP，IGMP等虚拟网络路由协议，负责虚拟网络中路由信息的交互，确保虚拟网络的可达性，为转发层提供转发依据；所述系统支持用户对现有协议的改进和自定义，支持用户对具体路由走向的自定义静态指定，即：将特定业务的数据包对应的流表项的下一跳，设置为与路由器直接相连的虚拟路由器实例；
(3)用户进行路由方案的预览，并根据自身需求选择一种路由方式，或者直接进行路由关键点选择及策略修改，重新进行路由计算；
(4)根据用户的选择，所述的自主路由定制系统对物理网络实施相应的策略定制和资源调度，实现用户主动对网络的个性化控制。
3.根据权利要求2所述的一种基于软件定义网络的用户自主路由定制方法，其特征在于：所述步骤(1)中所述的用户交互界面指的是所述的自主路由定制系统提供给用户的终端的操作界面，用户能通过操作界面简单快速地使用所述系统提供的功能，既包括用户注册入口、网络拓扑图界面、搜索窗口、附近网络资源和内容资源位置显示、网络之间互连的协议Internet Protocol定位等基础网络管理功能；还包括路由方案显示界面、定制关键点、应用程序编程接口API提供、第三方数据纠错等该自主路由定制方法特有的功能；所述的这些操作功能根据用户权限而有所不同，既包括基础网络管理员、企业网络管理员、还包括普通网络用户，并根据网络运营策略开放部分基础网络管理操作并开发新的策略定制功能给企业网络管理员或普通网络用户，来实现其面向流的定制化选路。
4.根据权利要求2所述的一种基于软件定义网络的用户自主路由定制方法，其特征在于：所述步骤(1)中查看当前网络资源信息的具体内容是：所述系统与软件定义网络中的控制器交互，获取整个网络的资源信息，包括网络拓扑图、网络状态、底层物理网络的链路故障、重路由事件、网络突发事件和网络层之上的业务层流量信息等实时信息；所述系统将所述的获取到的网络资源信息进行汇总，通过可视化控制界面向用户进行直观显示，将对整个网络的当前状况完全展示给用户，方便后续用户进行自定义选路以避开网络拥塞，不仅只是被动地使用网络；所述系统为应用提供基础性选路服务，可以为任何类型应用提供定制化网络策略接口，即便所述系统不运行时，其他应用依然会按照网络默认策略进行通信。
5.根据权利要求2所述的一种基于软件定义网络的用户自主路由定制方法，其特征在于：所述步骤(2)中所述的自主路由定制系统向用户推荐该网络专有的备选路由方案的具体内容是：所述的自主路由定制系统根据网络拓扑探测和性能探测所得到的信息，并定制个性化路由策略，依据不同的路由策略进行路由计算，支持单路径路由和多路径路由；所述的自主路由定制系统向用户推荐默认的三种类型的最优路径方案，即：时间最短路由、带宽最高路由和传输最稳定路由。
6.根据权利要求2或5所述的一种基于软件定义网络的用户自主路由定制方法，其特征在于：所述步骤(3)中系统支持根据用户需要进行关键点选择或者策略修改的具体内容是：用户使用系统提供的路由查询功能，预览所述步骤(2)中所提供的默认的三种路由方案，如果所述的方案均不满足用户需求，可以采用更为直接的自行选择路由的方式，具体操作是：用户根据业务需求、个人偏好、网络状态等信息，用户自定义有限个数的应用所经过的路由节点，以及一条或多条路径；选完后路由计算模块根据用户提供的关键节点，运行相应的路由算法重新计算路由，系统显示可预测的流量路由效果，用户根据传输效果决定是否进行再次选择，最终确认后再进行所述步骤(4)；当所述用户使用不同的业务时，所述系统对用户的业务流量进行差异化的流量管理，满足个性化需求，所述用户也能够动态的调整或取消所定制的个性化路由。
7.根据权利要求2所述的一种基于软件定义网络的用户自主路由定制方法，其特征在于：所述步骤(4)中，所述的自主路由定制系统对物理网络进行相应的策略定制和资源调度的具体内容是：
网络资源调度：所述的自主路由定制系统根据用户定制的网络配置所需资源，资源配置包括结点资源的分配和网络侧资源配置；对于用户的某些特定需求，系统将为其预留固定资源，不允许其他用户占用，以保证用户的服务等级协议SLA和服务质量QoS；而对于大多数用户资源是共享的，当多个需求同时到达，系统根据排队论模型和预先设定的优先级，进行合理的资源配置，尽量满足用户服务质量；
流表下发：对于基础网络，所述的自主路由定制系统直接将定制的流表下发到对应的每一个交换机；对于虚拟网络，系统根据虚拟交换机所在虚拟网络下发流表；虚拟网络拓扑生成之后，数据流大多在虚拟网络内部转发，所以所述系统只能将流表下发给虚拟交换机所在的物理交换机，该物理交换机负责将不同虚拟网络的流表进行隔离，以保证虚拟网络内部的可靠性；当数据流需要在虚拟网络之间转发时，所述系统将流表下发到连接两个虚拟网络的边缘交换机，以保障虚拟网络间的连通性。
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