CN104702522A - 软件定义网络(sdn)中基于性能的路由 - Google Patents

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Abstract

用于SDN中的基于性能的路由的系统和方法。SDN控制器配置为基于由虚拟路由器所提供的实时路由性能评估自适应地确定数据传输路由。虚拟路由器包括路由用于获取路由性能数据的检测组件，以及用于基于由SDN控制器所提供的预定标准来评估路由性能的性能评估组件。评估结果被发送给SDN控制器，并用于为特定应用程序智能地确定较好的路由选择和路由使用。根据该确定，SDN控制器更新与虚拟路由器相关的流量表以用于后续的数据传输。

Description

软件定义网络(SDN)中基于性能的路由
技术领域
本发明一般涉及通信网络领域，尤其涉及软件定义网络(SDN，software-defined networks)领域。
背景技术
在软件定义网络(SDN)架构中，执行重要的网络路由和切换功能的控制平面(control plane)与数据转发平面(data forwarding plane)是分离的(decoupled)。控制平面可以是逻辑集中的，且可以利用各种不同架构的硬件组件来实现。数据平面可采用廉价且简单的网络开关或路由器，该网络开关或路由器可由SDN控制器配置而得到。由于在定制和优化特定用户需求的网络服务方面的可量测性(scalability)、成本效益、可靠性和灵活性，因此在研究和商业环境中，SDN范式(paradigm)均已日益获得普及。
基于性能的路由能够通过基于与期望标准相关的路径性能，为应用数据选择优化的路径或负载平衡，以改善网络的实时应用性能和可用性。在传统网络中，各个网络节点中的路由器或其他硬件装置能够很容易地检测和提供可用于性能评估的路径性能数据。
但是，由于SDN中的控制平面与数据平面分离，因此SDN控制器难以根据实时路由性能获得与路由性能相关的数据和智能控制特定应用数据在网络中的分配。
发明内容
因此，提供一种基于网络的实时路由或链路(link)性能的SDN路由机制是有益的。
本文提供了一种用于SDN中的基于性能的路由的系统和方法。SDN控制器配置为，基于由虚拟路由器提供的实时路由性能评估来自适应地确定数据传输路由。虚拟路由器包括收集路由性能数据的路由检测组件，以及基于由SDN控制器所提供的预定标准来评估路由性能的性能评估组件。评估结果被发送到SDN控制器，并用于为特定的应用程序智能确定较好的路由选择和路由使用。根据该确定，SDN控制器更新与虚拟路由器有关的流量表(flow table)以用于后续的数据传输。在另一些实施例中，路由性能检测和/或评估模块可被设置在SDN控制器中。
在本发明的一个实施例中，一种利用虚拟网络单元在软件定义网络(SDN)中路由数据的计算机实现方法包括：(1)识别SDN中用于发送分组数据的源节点和目的地节点；(2)识别评估标准；(3)检测表示源节点和目的地节点之间的链路性能的性能数据；(4)参照评估标准评估性能数据；(5)将评估结果发送至SDN的SDN控制器；以及(6)接收由SDN控制器基于评估结果而配置的流量表。
上述内容是概要说明，因此包含对细节的必要的简化、概括和省略；因此，本领域技术人员可以理解，该概要说明只是示意性的，并非意在做出任何方式的限制。在下文所阐述的非限制性详细说明中，仅由权利要求限定的本发明的其他方面、创新性特征和优点将变得清楚。
附图说明
通过阅读以下详细说明并结合附图，可以更好地理解本发明的多个实施例，附图中相同的参考标记指代相同的元件，其中：
图1A为描绘根据本发明的一个实施例的SDN虚拟路由器的示例性配置的功能框图，所述SDN虚拟路由器能够获得路由性能数据并向SDN控制器提供评估结果。
图1B为描绘根据本发明的一个实施例的SDN控制器的示例性配置的功能框图，所述虚拟路由器能够获取路由性能数据并评估路由性能。
图2为描绘根据本发明的一个实施例的、在SDN中基于链路性能路由数据的示例性计算机实现方法的流程图。
图3为示出根据本发明的一个实施例的分布式SDN控制系统的示例性架构的框图，所述分布式SDN控制系统配置为基于由虚拟路由器所确定的实时链路性能来控制数据路由。
图4为示出根据本发明的一个实施例的SDN的示例性架构的框图，所述SDN装配有分布式SDN控制系统，并配置为基于实时链路性能发送数据。
具体实施方式
下面将对本发明的优选实施例进行详细说明，附图中举例说明了其示例。虽然本发明是结合优选实施例进行描述的，但应当意识到的是，这些优选实施例并非意在将本发明限制于这些实施例。相反，本发明意在覆盖如权利要求所限定的包含在本发明的精神和保护范围内的变形、修改和等同体。此外，在本发明的下述实施例的详细说明中，提供了许多特定细节以便于更彻底地理解本发明。但是，本领域技术人员应当意识到，本发明可以在不需要这些特定细节的情况下得以实施。在其他方面，未详细描述公知的方法、步骤、组件和电路，以避免对本发明的实施例中的各个方面造成不必要的混淆。虽然为了清楚起见，方法是按照编号的步骤的顺序来描述的，但该编号并不必然代表步骤的顺序。应当理解的是，某些步骤可以跳过，或并行执行，或不需要维持严格的顺序而执行。显示本发明实施例的附图是半概括性的，并非按比例的，尤其是附图中的某些尺寸为了呈现得清楚是被放大显示的。类似的，虽然为了便于描述，附图中的视角呈现为大致相似的方向，但附图中的这种描绘在很大程度上是任意的。一般而言，本发明能够以任意方向来操作。
符号和术语
但是，应当记住的是，所有这些以及类似的术语与适当的物理量相关，且仅仅是适用于这些物理量的便捷标记。除非特别声明，否则从下面的描述中可以清楚地理解的是，在本发明的全文中，采用诸如“处理”、“访问”、“执行”、“存储”或“表现(rendering)”之类术语的描述指的是计算机系统或类似电子计算装置的动作和处理，计算机系统对在计算机系统的寄存器和存储器以及其他计算机可读介质中代表物理(电子)量的数据进行管理，以及将其转换为计算机系统的存储器或寄存器或其他类似信息存储器、传输或显示装置中的类似的代表物理量的其他数据。
当某个组件出现于多个实施例中时，使用相同的参考标记意味着该组件是与最初的实施例中所示组件相同的组件。
软件定义网络(SDN)中基于性能的路由
本发明的实施例采用软件定义网络(SDN)中的虚拟网络单元来检测并评估实时路由(或链路)性能，并将评估结果提供给SDN控制器以自适应地(adaptively)确定数据传输路径。根据本发明的虚拟网络单元包括性能检测组件和性能评估组件，配置为检测路由性能数据并参照针对某一应用的一套标准来评估路由性能。评估结果被反馈给相关联的SDN控制器，从而智能地确定传输路径并据此输入(populate)虚拟路由器的流量表。
图1A为描绘根据本发明的一个实施例的SDN虚拟路由器110的示例性配置的功能框图，SDN虚拟路由器110能够获取路由性能数据并将评估结果提供给SDN控制器120。在这个简化形式中，虚拟路由器110包括虚拟开关111、路由检测模块112和路由性能评估模块113。路由检测模块112可包括代理程序。在该实施例中，虚拟路由器110被用作两个物理网络装置141和142的抽象表示。该网络装置可以是路由器、开关或被配置以用作路由器或开关的任意装置，例如服务器、桌上型电脑、移动计算装置等。SDN控制器120能够智能地管理用于特定应用程序的数据传输，并通过流量表管理来指令虚拟路由器执行操作。
例如，根据虚拟路由器110发出的用于转发数据分组的路由发现请求的指示，SDN控制器可预先确定被指定的源节点和目的地节点之间的若干个可用路由(viable routes)。SDN控制器可操作以为这些可用路由创建与特定评估标准相关的评估任务，并将任务分配给虚拟路由器110。路由检测模块112配置为响应于评估分配而检测和采集性能数据。在路由性能评估模块113中处理性能数据，并参照评估标准生成评估结果。然后将评估结果发送给SDN控制器120并用于从可用路由中选择一条或多条最优传输路由，并将数据流分配到所选择的路由。SDN利用所选择的路由以及其他相关信息更新流量表。虚拟开关111随后查询更新后的流量表以对新到的分组执行操作。由此，通过考虑实时路由性能，数据流能够有利地以高效方式在SDN中传送。相应地，网络性能也能得以改善。
本领域技术人员可以理解的是，本发明不限于在虚拟路由器中获取链路性能数据的任何特定机制。例如，检测模块112可以是简单的代理程序或复杂的分级系统。代理(agent)能够收集网络应用和服务的特定性能信息。例如，可以从网络设备、下层架构和实际服务器中选择性地收集涉及特定应用的可用性、使用情况和性能以及底层服务器的性能特征的微流(microflow)性能数据。代理还可以配置为基于各个连接、用户、协议或应用来采集与聚合网络业务量(aggregated network traffic)相关的宏流(macroflow)性能数据。
在一些实施例中，在收到评估任务后，检测模块112可经由所选择的路由发送请求消息，以沿所选路由收集虚拟网络单元或物理网络单元处可用的性能相关数据。该性能数据可包括表示沿着初始节点和目的地节点之间的所选路由上的、每两个节点之间的各个链接的性能的任意数据。该性能数据还可包括初始节点和目的地节点之间的所选路由的整体性能。可以在沿所选路由的各个虚拟路由器中生成该性能数据。此外，本领域技术人员应当理解的是，基于各个链路和路由相关的性能数据，也可计算得到SDN控制器之间的性能数据以及SDN控制器与虚拟路由器之间的性能数据。因此，网络地图能够基于最近收集的性能数据而被更新，并用于确定最优路由。
在另一些实施例中，虚拟路由器中的检测模块包括分组生成器，分组生成器能够生成测试分组并将其在所选的路由上发送。基于对该测试分组所反应出的路由状况，检测模块能够获得与沿所述路由的网络节点之间的链路相关的性能信息，例如可用性、吞吐量(throughput)、带宽使用、速率、稳定性、丢包率(packet loss)、往返时间(RTT，round trip time)、可靠性、不可到达时间(unreachable time)、等待时间(latency)、误码率(errorrates)、CPU和存储器使用状况以及相关等待时间。
在一些实施例中，可基于被选择以发送测试分组的各个路由的特征和性能而生成变化的测试分组。在一些实施例中，取决于所要评估的路由的带宽，测试分组具有不同的长度。
此外，分组生成器能发送不同大小的分组来测试特定的路由或链路，例如64字节、128字节以及512字节的分组。相应的，可分别获得对应于各个大小的分组的等待时间数据。然后，通过将分组大小除以等待时间，就能获得链路或路由的带宽使用情况并从而获得可用带宽。本领域技术人员可以意识到，分组生成器可以采用现有技术中公知的任意适当的方法来实现。
路由性能评估模块120根据任意适当的模型或算法分析由检测模块所收集的性能数据，并参照评估标准评估路由。评估标准是以带宽、可达到性(reachability)、延迟、成本、抖动(jitter)、链路使用情况、实时日志、吞吐量、误码率、稳定性、技术、调制技术、增强型测量、平均意见值(MOS，Mean Opinion Score)或其任意组合的形式来定义的。
一套评估标准可以是通用的，也可以是专门针对某一应用程序的，例如130。在一些实施例中，路由检测模块112只请求并收集符合评估标准的性能数据。例如，对于视频流程序而言，需要较少的等待时间，因此在评估标准中包括最大等待时间值。相应的，评估模块113检测并收集可有助于计算路由的等待时间的性能数据。
基于性能评估结果，SDN控制器120可智能地选择用于数据传送的最优路由。替代地，SDN控制器可选择满足应用需求的多条路由以同时发送数据，从而提高网络效率。在后一种情况中，SDN控制器可以根据各自的路由性能将数据流智能地分配给多条路由。例如，根据负载平衡，将不同的工作负载分配给不同的路由。
本发明不限于任何应用SDN中的虚拟路由器所提供的性能评估的特定目的。利用性能评估，SDN控制器120可配置为执行对网络资源预留(reservation)的控制以及实现服务质量。例如，SDN控制器120可以为不同的应用、用户或数据流提供不同的优先级，或者为数据流确保特定水平的性能。
在一些实施例中，SDN控制器120还可结合网络及应用策略以选择最优传输路径。可以以策略表132的形式向控制器120提供策略(policies)。在所示的例子中，由应用程序130中的策略管理组件131产生策略表。策略可以是任意的网络约束(constraints)以及设置和条件，例如商务约束、经济性约束、安全性约束、资源访问约束和私密性约束。
本领域技术人员可以理解的是，虚拟路由器110和SDN控制器120可包括多种其他组件，且可以配置为执行本领域公知的任意其他功能。虚拟路由器可以实现为兼容虚拟路由器冗余协议(VRRP)的软件程序。虚拟路由器的主机可以是计算机、服务器或任何可编程网络装置。
在另一些实施例中，在SDN控制器中执行性能检测和评估。图1B为描绘根据本发明的一个实施例的SDN控制器150的示例性配置的功能框图，SDN控制器150能够获取路由性能数据和评估路由性能。SDN控制器具有与图1A中的对应部件112和113相似的性能检测模块163和性能评估模块162。在本例子中，虚拟路由器170主要用作虚拟开关171。在一些实施例中，性能检测模块163可向所选的路由发送测试分组以获得沿所述路由的节点之间的每条链路的性能数据和等待时间数据。
图2为描绘根据本发明的一个实施例的在SDN中基于链路性能而路由数据的示例性计算机实现方法200的流程图。在201，将链路性能评估任务分配给用于数据分组的虚拟路由器中的性能检测模块。所述任务可指定由SDN控制器基于数据分组中所包含的期望目的地IP地址而预先确定的一条或多条路由。在202，访问由应用程序所定义的一套评估标准，并发送给虚拟路由器。在203，还访问与应用数据相对应的策略表。
在204，虚拟路由器为评估任务中所指定的全部路由收集与评估标准有关的链路性能数据。在205，虚拟路由器基于所述标准处理和分析所收集的性能数据，并将评估结果输出给SDN控制器。在206，SDN控制器可以应用策略约束，并基于评估结果选择路由。在207，SDN控制器利用标识了用于数据分组的所选路由的新条目修改流量表。该流量表被虚拟路由器使用以转发后续的数据分组。
本领域技术人员应当理解的是，本发明不限于包括SDN控制机制的任意特定网络类型，例如无线局域网(WLAN)、网络、局域网(LAN)以及广域网(WAN)等。可以根据本领域已知的任何适当的SDN架构模型来构建SDN，例如集中式SDN模型、分布式SDN模型或混合式SDN模型。在集中式模型中，具有单个控制器的集中管理器可与分布式数据平面通信。在分布式SDN模型中，集中管理器接口可与组合的分布式控制器和数据平面通信。在混合式SDN模型中，集中管理器与分离的分布式控制器和数据平面通信。
根据本发明的SDN控制器可实现为软件程序或硬件逻辑，或是控制平面中硬件与软件的组合。SDN控制器可以是逻辑集中但物理分布于网络中多个硬件组件中的实体，或者是图3中所示的逻辑分布实体。
图3为示出根据本发明的一个实施例的分布式SDN控制系统300的示例性架构的框图，所述分布式SDN控制系统300配置为基于由虚拟路由器所确定的实时链路性能来控制数据路由。控制系统300包括位于顶层的多个根控制器，例如311和312，以及位于底层的多个区域控制器，例如321-324。每个区域控制器可控制一个或多个虚拟路由器，例如331-335。
如图所示，每个根控制器311和312维持SDN的全局网络地图(globalnetwork map)，或根控制器所管理的SDN子网络的网络地图。在一些实施例中，SDN子网络对应于SDN的一个域。如标记“1”的线所表示的那样，分布式SDN控制系统中的根控制器311和312能够对它们各自的全局网络地图中所包括的信息(尤其是其各自的子网络之外的路由信息)进行彼此通信和彼此同步。
如标记“2”的线所表示的那样，根控制器311和312还能够与区域控制器321-324同步路由信息。例如，根控制器可从区域控制器收集更新的网络信息，并与区域控制器共享来自全局网络地图的相关信息。如标记“3”的线所表示的那样，区域控制器321-324可直接控制虚拟路由器(例如331-335)，以及为虚拟路由器编制相应的流量表。在一些实施例中，区域控制器321-324可按照OpenFlow协议和标准与虚拟路由器通信。
如线“5”所标记的那样，区域控制器321-324还可对于各自网络区域内的性能进行互相通信，所述性能由相关的虚拟路由器确定。区域控制器可被使用以利用区域网络地图来确定路由，并相应的修改默认流量表，如上文所详细讨论的那样。此外，如果由于目的地节点位于网络的另一区域中，区域网络地图仍然缺少足够的信息来确定所请求的路由，那么根控制器可被使用以利用全局网络地图来确定所请求的路由。随后，相应的区域控制器可基于由根控制器所确定的路由修改默认流量表。
图4为示出根据本发明的一个实施例的SDN 400的示例性架构的框图，SDN 400装配有分布式SDN控制系统，并配置为基于实时链路性能发送数据。SDN 400包括三个逻辑层：应用层410、控制层420和下层架构层430。控制层420用作应用层410和下层架构层430之间的接口，并基于由虚拟路由器所提供的实时路由性能信息智能地管理网络服务。
下层架构层430包括耦合在网络中的网络硬件装置431-435，例如路由器和开关。控制层420或SDN控制器可为网络装置和管理功能设施(management functionalities)提供专用程序接口。控制层420包括用于实现参照图3所讨论的分布式控制系统421的一个或多个控制软件程序。控制层420以OpenFlow协议与网络装置进行通信。
应用层410包括应用程序411-413，并可在虚拟机上的软件中传送网络功能或服务，或者仅仅是创建一个覆盖网络。比如说，应用程序411-413可涉及云、负载平衡、商务应用、网络安全、突发传输。应用层410与对应于各个应用程序411-413的控制层应用程序接口414-416通信。
虽然本文已公开了特定的优选实施例和方法，但通过上述公开内容，本领域技术人员可以清楚的是，在不脱离本发明的精神和保护范围的前提下可以对这些实施例和方法进行变形和修改。本发明意在仅受限于所附的权利要求以及适用的法律规定和原则所要求的范围。

Claims (20)

1.一种利用虚拟网络单元在软件定义网络(SDN)中路由数据的计算机实现方法，所述计算机实现方法包括：
识别所述SDN中用于传输分组数据的源节点和目的地节点；
识别评估标准；
获得表示所述源节点和所述目的地节点之间的链路性能的性能数据；
参照所述评估标准评估所述性能数据；
将评估结果发送到所述SDN的SDN控制器；以及
接收由所述SDN控制器基于所述评估结果而配置的流量表。
2.根据权利要求1所述的计算机实现方法，其中所述获得性能数据的步骤包括检测所述源节点和所述目的地节点之间的多条传输路径的性能数据，且其中所述多条传输路径是由所述SDN控制器确定的。
3.根据权利要求2所述的计算机实现方法，其中所述评估步骤包括比较所述多条传输路径，并进一步包括：
基于所述评估结果从所述多条传输路径中选择结果路径，其中所述流量表是基于所述结果路径而配置的；以及
经由所述结果路径转发所述分组数据。
4.根据权利要求3所述的计算机实现方法，其中所述流量表进一步基于由网络策略和应用策略定义的约束来配置，且其中所述评估标准进一步是特定用于所述分组数据的。
5.根据权利要求4所述的计算机实现方法，其中所述检测性能数据包括：
根据所述多条传输路径的带宽生成可变长度的测试分组；以及
经由所述多条传输路径发送所述测试分组。
6.根据权利要求2所述的计算机实现方法，进一步包括基于所述评估结果，根据负载平衡在所述多条传输路径中分配和转发所述分组数据。
7.根据权利要求1所述的计算机实现方法，其中所述评估标准包括从由可到达性、速率、负载、等待时间、丢包率、稳定性、不可达到时间、往返时间、可靠性、链路使用情况、吞吐量、成本、抖动和平均意见值(MOS)构成的组中选择的参数，且其中所述约束进一步是从由商务约束、经济性约束、安全性约束、资源访问约束和私密性约束构成的组中选择的。
8.根据权利要求1所述的计算机实现方法，其中所述虚拟网络单元包括虚拟路由器，且其中所述SDN控制器进一步配置为将所述评估结果传送给所述SDN的另一SDN控制器。
9.一种配置为在软件定义网络(SDN)中的网络节点之间路由分组数据的装置，所述装置包括：
存储器，所述存储器与处理器耦合并且可操作以存储可由所述处理器执行的指令；
网络电路，所述网络电路与所述处理器耦合并能使所述装置访问所述SDN；以及
所述处理器配置为：
识别所述SDN中用于传输分组数据的源节点和目的地节点；
识别评估标准；
检测表示所述源节点和所述目的地节点之间的链路性能的性能数据；
参照所述评估标准评估所述性能数据；
将评估结果发送到SDN控制器；以及
接收由所述控制器基于所述评估结果而配置的流量表。
10.根据权利要求9所述的装置，其中处理器配置为检测所述源节点和所述目的地节点之间的多条传输路径的性能数据，且其中所述多条传输路径是由所述SDN控制器确定的。
11.根据权利要求10所述的装置，
其中所述评估标准是特定用于所述分组数据的，以及
所述处理器进一步配置为：
通过比较所述多条传输路径来评估所述性能数据；
基于所述评估结果从所述多条传输路径中选择结果路径，其中所述流量表是基于所述结果路径以及基于由网络策略和应用策略所定义的约束来配置的；以及
经由所述结果路径转发所述分组数据。
12.根据权利要求10所述的装置，其中所述处理器进一步配置为：
生成长度不同的测试分组；
经由传输路径发送所述测试分组；
响应于所述测试分组，获取所述传输路径的各个等待时间；以及
基于所述各个等待时间获得所述传输路径的带宽使用情况。
13.根据权利要求10所述的装置，其中所述处理器进一步配置为基于所述评估结果，根据负载平衡在所述多条传输路径中分配和转发所述分组数据。
14.根据权利要求9所述的装置，其中所述评估标准包括从由速率、可靠性、稳定性、不可达到时间、丢包率、往返时间(RTT)、可到达性、负载、等待时间、损耗、链路使用情况、吞吐量、成本、抖动和平均意见值(MOS)构成的组中选择的参数，且其中所述约束进一步是从商务约束、经济性约束、安全性约束、资源访问约束和私密性约束中选择的。
15.一种用于为软件定义网络(SDN)提供网络服务管理的控制器，所述控制器与虚拟网络单元耦合并配置为：
从虚拟网络单元接收对于分组数据的路由发现请求；
为所述分组数据确定多条传输路径；
向所述虚拟网络单元提供评估标准；
向所述虚拟网络单元分配路径评估任务，其中所述虚拟网络单元配置为：
响应于所述路由评估任务，获得表示源节点和目的地节点之间的链路性能的性能数据；和
参照所述评估标准评估所述性能数据；
将评估结果发送到所述控制器；以及
基于所述评估结果而编制流量表。
16.根据权利要求15所述的控制器，进一步配置为：
访问与所述分组数据相关的路由约束；以及
基于所述评估结果和所述路由约束，从所述多条传输路径中选择一条或多条结果传输路径，其中所述流量表是利用所述一条或多条结果传输路径来编制的。
17.根据权利要求15所述的控制器，其中所述SDN包括包含所述控制器的多个控制器，其中每个控制器配置为控制一组虚拟网络单元，其中所述控制器配置为将所述评估结果发送给另一控制器。
18.根据权利要求15所述的控制器，其中所述多个控制器按层级排列，且其中所述多个控制器进一步配置为基于所述评估结果控制网络资源管理和服务质量。
19.根据权利要求15所述的控制器，其中所述虚拟网络单元是从由虚拟路由器、虚拟开关和网关构成的组中选择的。
20.根据权利要求15所述的控制器，其中所述虚拟网络单元配置为生成测试分组并将所述测试分组发送到所述多条传输路径。
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