CN104486159A - 一种基于软件定义网络的交换机间链路时延测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于软件定义网络的交换机间链路时延测量方法，设置安装一台SDN控制器C及Openflow交换机S1、Openflow交换机S2，控制器C发送构造的Packet_Out包至S1，Packet_Out包到达S1，S1把数据从Packet_Out包中解析出来从S1的eth0接口转发到S2，S2把数据包封装到一个Pakcet_In包中又发回控制器C，控制器C计算第一环路时间；同理控制器C发送构造的Packet_Out包至S2计算第二环路时间；然后控制器C构造一个探测包，发送至S1，S1从 eth1接口转发并回到控制器C，控制器C发送构造的探测包至S2计算控制器C和S2之间的双向时延，计算S1和S2之间的双向时延。

Description

一种基于软件定义网络的交换机间链路时延测量方法

技术领域

本技术设计网络测量技术领域，特别是一种基于软件定义网络的交换机间链路时延测量方法。

背景技术

软件定义网（SDN， Software-Defined Network)是一种新型的网络架构，与传统网络不同的是它提出了将网络中控制面和数据面分离的思想，使网络中的路由器与交换机只需要负责转发，而不需要再做相关的路由决策以及路径学习等。在SDN网络中，由集中式的控制器负责对全局进行控制和管理，通过对每个节点下发流表来控制数据的流向。传统网络中的时延测量大部分是端到端的测量，多数是采用统计与估算等策略，缺乏一定的实时性与准确性，由于SDN的网络结构相对于传统网络有较大的变革，除了传统网络中利用SNMP报文进行端到端的时延测量以外，利用SDN集中控制和可编程控制器的特点可以更加灵活地对网络中相邻节点之间的链路进行时延测量。现有的SDN时延测量技术包括一种向探测包上添加时间戳的方法，该方法要求待测量链路的发送端交换机向接收端交换机连续发送探测包，并在发送端添加发送时间戳，接收端交换机接收探测包同时添加接收时间戳，通过对两个时间戳的计算得到链路单向时延。但是该方法要求具备特定功能的SDN交换机（向数据包中添加时间戳），而普通的SDN网络中的交换机是不具备这种功能的，这就导致了该方法在应用当中的局限性。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于软件定义网的链路时延测量方法，可以直接采用通用硬件设备,能够实现在软件定义网络中对交换机之间的链路时延进行测量。

本发明的技术方案是提供一种基于软件定义网络的交换机间链路时延测量方法,其特征在于:

步骤一：设置安装一台SDN控制器C及Openflow交换机S1、Openflow交换机S2，三台设备使用网线互连，设置SDN控制器C与Openflow交换机S1的eth0接口互联，设置SDN控制器C与Openflow交换机S2的eth0接口互联，设置Openflow交换机S1的eth1接口与Openflow交换机S2的eth1接口互联，进入步骤二；

步骤二：控制器C构造一个Packet_Out包，设定Packet_Out包的action为output，设定Packet_Out包的out_port为eth0，进入步骤三；

步骤三：控制器C发送构造的Packet_Out包至Openflow交换机S1，同时记录当前控制器C的时戳为ts1，进入步骤四；

步骤四：构造的Packet_Out包到达Openflow交换机S1，Openflow交换机S1把数据从Packet_Out包中解析出来，重新封装为普通数据包，并执行action从Openflow交换机S1的eth0接口转发； 普通数据包到达Openflow交换机S2， Openflow交换机S2把所述普通数据包封装到一个Pakcet_In包中又发回控制器C，进入步骤五；

步骤五：控制器C接收到Openflow交换机S2发来的Packet_In包，记录下当前时戳te1，计算第一环路时间t=te1-ts1，进入步骤六；

步骤六：控制器C发送构造的Packet_Out包至Openflow交换机S2，同时记录控制器C的当前时戳为ts2，进入步骤七；

步骤七：构造的Packet_Out包到达Openflow交换机S2，Openflow交换机S2把数据从Packet_Out包中解析出来，重新封装为普通数据包，并执行action从Openflow交换机S2的eth0接口转发； 普通数据包到达Openflow交换机S1， Openflow交换机S1把所述普通数据包封装到一个Pakcet_In包中又发回控制器C，进入步骤八；

步骤八：控制器C接收到Openflow交换机S1发来的Packet_In包，记录下当前时戳te2，计算第二环路时间t’=te2-ts2，进入步骤九；

步骤九：控制器C分别向Openflow交换机S1和Openflow交换机S2各下发一条流表，令分别从Openflow交换机S1和Openflow交换机S2的eth1接口进入的源MAC地址为控制器网卡MAC地址的数据包仍从Openflow交换机S1和Openflow交换机S2的eth1接口转发，进入步骤十；

步骤十：控制器C构造一个探测包，发送至Openflow交换机S1，同时记录当前控制器时戳t1，进入步骤十一；

步骤十一：探测包到达Openflow交换机S1，执行流表规定的action， 从Openflow交换机S1的 eth1接口转发并回到控制器C，记录当前控制器时戳t1’，则控制器C和Openflow交换机S1之间的双向时延为t1’-t1，进入步骤十二；

步骤十二：控制器C发送构造的探测包至Openflow交换机S2，同时记录当前控制器C时戳t2，进入步骤十三；

步骤十三：探测包到达Openflow交换机S2，执行流表规定的action，从Openflow交换机S2的eth1接口转发并回到控制器C，记录当前控制器时戳t2’，则控制器C和Openflow交换机S2之间的双向时延为t2’-t2，进入步骤十四；

步骤十四：计算Openflow交换机S1和Openflow交换机S2之间的双向时延d=t+t’-(t1’-t1)-(t2’-t2)，输出双向时延，方法结束。

与现有技术相比，本发明具有如下优点及有效效果：

（1） 本方法不同于传统网络中的时延测量，是专门针对SDN网络环境设计的网络链路级时延测量方法，充分利用了SDN网络中集中控制及可编程控制器的特点，可以实时测量网络中每段链路的往返时延，对网络性能监测，网络故障诊断等工作有极大的帮助。而目前的传统网络难以直接测量每条链路的时延等性能参数。

（2）传统OpenFlow协议不提供时戳功能，通用 Openflow交换机无法对数据包直接打时戳，因此无法直接使用Openflow交换机直接进行交换机之间的时延测量，本方法基于OpenFlow协议提供的功能接口，不需要任何的定制Openflow交换机硬件设备进行修改，也不需对现有的SDN交换机做任务改装升级，可以测量出Openflow交换机之间链路的时延，因此本发明适用范围广，可以直接采用通用硬件设备，对设备没有限制，成本低。

（3） 本方法可以利用从专门用于测量任务的控制器负责，以降低主控制器的负载，一个SDN网络中可以允许同时有多于一个控制器，其中一台主控制器负责整个网络的运行维护，流表下发，过滤规则等维持网络运行的基本功能，另一台从控制器则运行测量程序，把测量功能从主控制器中独立出来，有效地降低主控制器的工作负担，保证网络的稳定运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施实例的技术方案，下面将对实施实例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施实例。

图1：基于软件定义网络的交换机间链路时延测量方法系统结构示意图。

图2：基于软件定义网络的交换机间链路时延测量方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施实例中的附图，对本发明实施实例中的技术方案进行清楚、完整地描述，当然所描述的实施实例仅仅是本发明一部分实施实例，而不是全部的实施实例。

实施实例1

一种基于软件定义网的链路时延测量方法，其特征在于：

步骤一：设置安装一台SDN控制器C及Openflow交换机S1、Openflow交换机S2，SDN控制器可以是Floodlight、ryu、OpenDayLight等控制器类型，三台设备使用网线互连，设置SDN控制器C与Openflow交换机S1的eth0接口互联，设置SDN控制器C与Openflow交换机S2的eth0接口互联，设置Openflow交换机S1的eth1接口与Openflow交换机S2的eth1接口互联，

其中：SDN: 是软件定义网络Software Defined Network的缩写，它是一种新型网络创新架构，通过将网络设备控制面与数据面分离开来，实现了网络流量的灵活控制；

OpenFlow：是在SDN网络中，控制器和交换机通信的众多协议中应用最广泛的一种；

eth0, eth1：表示交换机上的以太网端口0和以太网端口1；

MAC地址：Media Access Control地址，又称硬件地址，物理地址，长度为六个字节，用来定义网络设备的位置，位于OSI模型中的第二层数据链路层，每个网卡对应一个全球唯一的MAC地址；

进入步骤二；

步骤二：控制器C构造一个Packet_Out包，设定Packet_Out包的action为output，设定Packet_Out包的out_port为eth0，

其中Packet_Out 报文格式为

struct ofp_packet_out {

struct ofp_header header; /* 头部 */

uint32_t buffer_id; /* 如果数据部分在交换机上有缓存，则为缓存id；

如果没有缓存，则为-1。 */

uint32_t in_port; /*包的输入端口或者设定为控制器 */

uint16_t actions_len; /* 动作列表的长度（单位字节） */

uint8_t pad[6]; /* 填充 */

struct ofp_action_header actions[0]; /* 动作列表. */

/* uint8_t data[0]; */ /* 只有当buffer_id == -1时有携带数据，长度在头部中指定；

当buffer_id!=-1时，不携带数据 */

};

进入步骤三；

步骤三：控制器C发送构造的Packet_Out包至Openflow交换机S1，同时记录当前控制器C的时戳为ts1，进入步骤四；

步骤四：构造的Packet_Out包到达Openflow交换机S1，Openflow交换机S1把数据从Packet_Out包中解析出来，重新封装为普通数据包，并执行action从Openflow交换机S1的eth0接口转发； 普通数据包到达Openflow交换机S2，因为S2上的流表中没有对应的流表项，会触发Packet_In事件， Openflow交换机S2把所述普通数据包封装到一个Pakcet_In包中又发回控制器C，

其中Packet_In 报文格式

struct ofp_packet_in {

struct ofp_header header; /* 头部 */

uint32_t buffer_id; /* 交换机指定的缓存序号. */

uint16_t total_len; /* 整个包的长度. */

uint8_t reason; /* Packet_In形成的原因 */

uint8_t table_id; /* 被查询表的序号*/

uint64_t cookie; /*被查询流表项的cookie */

struct ofp_match match; /* 触发Packet_In事件时的匹配 */

//uint8_t pad[2]; /* 填充 */

//uint8_t data[0]; /* 以太网帧 */

};

进入步骤五；

步骤五：控制器C接收到Openflow交换机S2发来的Packet_In包，记录下当前时戳te1，计算第一环路时间t=te1-ts1，进入步骤六；

步骤六：控制器C发送构造的Packet_Out包至Openflow交换机S2，同时记录控制器C的当前时戳为ts2，进入步骤七；

步骤七：构造的Packet_Out包到达Openflow交换机S2，Openflow交换机S2把数据从Packet_Out包中解析出来，重新封装为普通数据包，并执行action从Openflow交换机S2的eth0接口转发； 普通数据包到达Openflow交换机S1，因为交换机S1上的流表中没有对应的流表项，会触发Packet_In事件， Openflow交换机S1把所述普通数据包封装到一个Pakcet_In包中又发回控制器C，进入步骤八；

步骤八：控制器C接收到Openflow交换机S1发来的Packet_In包，记录下当前时戳te2，计算第二环路时间t’=te2-ts2，进入步骤九；

步骤九：控制器C分别向Openflow交换机S1和Openflow交换机S2各下发一条流表，令分别从Openflow交换机S1和Openflow交换机S2的eth1接口进入的源MAC地址为控制器网卡MAC地址的数据包仍从Openflow交换机S1和Openflow交换机S2的eth1接口转发，进入步骤十；

步骤十：控制器C构造一个探测包，发送至Openflow交换机S1，同时记录当前控制器时戳t1，进入步骤十一；

步骤十一：探测包到达Openflow交换机S1，执行流表规定的action， 从Openflow交换机S1的 eth1接口转发并回到控制器C，记录当前控制器时戳t1’，则控制器C和Openflow交换机S1之间的双向时延为t1’-t1，进入步骤十二；

步骤十二：控制器C发送构造的探测包至Openflow交换机S2，同时记录当前控制器C时戳t2，进入步骤十三；

步骤十三：探测包到达Openflow交换机S2，执行流表规定的action，从Openflow交换机S2的eth1接口转发并回到控制器C，记录当前控制器时戳t2’，则控制器C和Openflow交换机S2之间的双向时延为t2’-t2，进入步骤十四；

步骤十四：计算Openflow交换机S1和Openflow交换机S2之间的双向时延d=t+t’-(t1’-t1)-(t2’-t2)，输出双向时延，方法结束。

实施实例2

一种基于软件定义网络的交换机间链路时延测量方法，其特征在于：

步骤一：设置安装一台SDN控制器C及Openflow交换机S1、Openflow交换机S2，三台设备使用网线互连，设置SDN控制器C与Openflow交换机S1的eth0接口互联，设置SDN控制器C与Openflow交换机S2的eth0接口互联，设置Openflow交换机S1的eth1接口与Openflow交换机S2的eth1接口互联，进入步骤二；

步骤二：控制器C构造一个Packet_Out包，设定Packet_Out包的action为output，设定Packet_Out包的out_port为eth0，进入步骤三；

步骤三：控制器C发送构造的Packet_Out包至Openflow交换机S1，同时记录当前控制器C的时戳为ts1，ts1=5ms，进入步骤四；

步骤四：构造的Packet_Out包到达Openflow交换机S1，Openflow交换机S1把数据从Packet_Out包中解析出来，重新封装为普通数据包，并执行action从Openflow交换机S1的eth0接口转发； 普通数据包到达Openflow交换机S2， Openflow交换机S2把所述普通数据包封装到一个Pakcet_In包中又发回控制器C，进入步骤五；

步骤五：控制器C接收到Openflow交换机S2发来的Packet_In包，记录下当前时戳te1，te1=15ms，计算第一环路时间t=te1-ts1=15-5=10ms，进入步骤六；

步骤六：控制器C发送构造的Packet_Out包至Openflow交换机S2，同时记录控制器C的当前时戳为ts2，ts2=18ms，进入步骤七；

步骤七：构造的Packet_Out包到达Openflow交换机S2，Openflow交换机S2把数据从Packet_Out包中解析出来，重新封装为普通数据包，并执行action从Openflow交换机S2的eth0接口转发； 普通数据包到达Openflow交换机S1， Openflow交换机S1把所述普通数据包封装到一个Pakcet_In包中又发回控制器C，进入步骤八；

步骤八：控制器C接收到Openflow交换机S1发来的Packet_In包，记录下当前时戳te2，te2=29ms，计算第二环路时间t’=te2-ts2=29-18=11ms，进入步骤九；

步骤九：控制器C分别向Openflow交换机S1和Openflow交换机S2各下发一条流表，令分别从Openflow交换机S1和Openflow交换机S2的eth1接口进入的源MAC地址为控制器网卡MAC地址的数据包仍从Openflow交换机S1和Openflow交换机S2的eth1接口转发，进入步骤十；

步骤十：控制器C构造一个探测包，发送至Openflow交换机S1，同时记录当前控制器时戳t1，t1=30ms，进入步骤十一；

步骤十一：探测包到达Openflow交换机S1，执行流表规定的action， 从Openflow交换机S1的 eth1接口转发并回到控制器C，记录当前控制器时戳t1’=33ms，则控制器C和Openflow交换机S1之间的双向时延为t1’-t1=33-30=3ms，进入步骤十二；

步骤十二：控制器C发送构造的探测包至Openflow交换机S2，同时记录当前控制器C时戳t2，t2=35ms，进入步骤十三；

步骤十三：探测包到达Openflow交换机S2，执行流表规定的action，从Openflow交换机S2的eth1接口转发并回到控制器C，记录当前控制器时戳t2’， t2’=40ms，则控制器C和Openflow交换机S2之间的双向时延为t2’-t2=40-35=5ms，进入步骤十四；

步骤十四：计算Openflow交换机S1和Openflow交换机S2之间的双向时延d=t+t’-(t1’-t1)-(t2’-t2)=10+11-（33-30）-（40-35）=13ms，输出Openflow交换机S1和Openflow交换机S2之间链路的双向往返时延为13ms，方法结束。

Claims (1)

1.一种基于软件定义网络的交换机间链路时延测量方法，其特征在于：

步骤一：设置安装一台SDN控制器C及Openflow交换机S1、Openflow交换机S2，三台设备使用网线互连，设置SDN控制器C与Openflow交换机S1的eth0接口互联，设置SDN控制器C与Openflow交换机S2的eth0接口互联，设置Openflow交换机S1的eth1接口与Openflow交换机S2的eth1接口互联，进入步骤二；

步骤二：控制器C构造一个Packet_Out包，设定Packet_Out包的action为output，设定Packet_Out包的out_port为eth0，进入步骤三； 

步骤三：控制器C发送构造的Packet_Out包至Openflow交换机S1，同时记录当前控制器C的时戳为ts1，进入步骤四；

步骤四：构造的Packet_Out包到达Openflow交换机S1，Openflow交换机S1把数据从Packet_Out包中解析出来，重新封装为普通数据包，并执行action从Openflow交换机S1的eth0接口转发； 普通数据包到达Openflow交换机S2， Openflow交换机S2把所述普通数据包封装到一个Pakcet_In包中又发回控制器C，进入步骤五；

步骤五：控制器C接收到Openflow交换机S2发来的Packet_In包，记录下当前时戳te1，计算第一环路时间t=te1-ts1，进入步骤六；

步骤六：控制器C发送构造的Packet_Out包至Openflow交换机S2，同时记录控制器C的当前时戳为ts2，进入步骤七；

步骤七：构造的Packet_Out包到达Openflow交换机S2，Openflow交换机S2把数据从Packet_Out包中解析出来，重新封装为普通数据包，并执行action从Openflow交换机S2的eth0接口转发； 普通数据包到达Openflow交换机S1， Openflow交换机S1把所述普通数据包封装到一个Pakcet_In包中又发回控制器C，进入步骤八；

步骤八：控制器C接收到Openflow交换机S1发来的Packet_In包，记录下当前时戳te2，计算第二环路时间t’=te2-ts2，进入步骤九；

步骤九：控制器C分别向Openflow交换机S1和Openflow交换机S2各下发一条流表，令分别从Openflow交换机S1和Openflow交换机S2的eth1接口进入的源MAC地址为控制器网卡MAC地址的数据包仍从Openflow交换机S1和Openflow交换机S2的eth1接口转发，进入步骤十；

步骤十：控制器C构造一个探测包，发送至Openflow交换机S1，同时记录当前控制器时戳t1，进入步骤十一；

步骤十一：探测包到达Openflow交换机S1，执行流表规定的action， 从Openflow交换机S1的 eth1接口转发并回到控制器C，记录当前控制器时戳t1’，则控制器C和Openflow交换机S1之间的双向时延为t1’-t1，进入步骤十二；

步骤十二：控制器C发送构造的探测包至Openflow交换机S2，同时记录当前控制器C时戳t2，进入步骤十三；

步骤十三：探测包到达Openflow交换机S2，执行流表规定的action，从Openflow交换机S2的eth1接口转发并回到控制器C，记录当前控制器时戳t2’，则控制器C和Openflow交换机S2之间的双向时延为t2’-t2，进入步骤十四；

步骤十四：计算Openflow交换机S1和Openflow交换机S2之间的双向时延d=t+t’-(t1’-t1)-(t2’-t2)，输出双向时延，方法结束。