CN104917703A - 基于sdn的防线头阻塞方法及系统 - Google Patents

基于sdn的防线头阻塞方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电子通信技术领域，具体涉及一种防线头阻塞方法。基于SDN的防线头阻塞方法，应用于包括多个交换机的SDN网络，包括以下步骤：步骤1，交换机依据设定侦测方法侦测输出端口状态，于输出端口进入线头阻塞状态时，上报HOL事件至一SDN控制器；步骤2，SDN控制器依据HOL事件计算HOL事件的转发路径以获得入口交换机及相应的输入端口；步骤3，SDN控制器下发OF消息至输入端口；步骤4，输入端口接收OF消息后执行丢弃或限速产生HOL事件的报文。本发明采用了SDN架构，直接在源头把报文限制住，防止对整个SDN网络带来冲击和影响，做到防线头阻塞的全网防御。

Description

基于SDN的防线头阻塞方法及系统
技术领域
本发明涉及电子通信技术领域，具体涉及一种防线头阻塞方法及系统。
背景技术
线头阻塞(Head-of-line blocking，HOL)是一种出现在缓存式通信网络交换中的一种现象。如图1所示，交换机1通常由缓存式输入端口11、一个交换架构13以及缓存式输出端口121、122组成。当在相同的输入端口上到达的包被指向不同的输出端口的时候会易于出现线头阻塞。图1中报文1先到达缓存式输入端口11，速率为100％的线速，报文1将被转发到缓存式输出端口121，报文2后到达缓存式输入端口11，速率为20％的线速，由于报文1被阻塞，报文2不能正确转发到缓存式输出端口122，即，由于输入缓存以及交换设计的FIFO(First Input First Output，先进先出)特性，交换架构在每一个周期中只能交换缓存头部的包。如果某一缓存头部的包由于拥塞而不能交换到一个输出端口，那么该缓存中余下的包也会被线头包所阻塞，即使这些包的目的端口并没有拥塞。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于SDN(Software Defined Network，软件定义网络)的防线头阻塞方法及系统，通过直接在源头把报文限制住，防止对整个SDN网络带来冲击和影响。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
基于SDN的防线头阻塞方法，其中，应用于包括多个交换机的SDN网络，包括以下步骤：
步骤1，交换机依据设定侦测方法侦测输出端口状态，于输出端口进入线头阻塞状态时，上报HOL事件至一SDN控制器；
步骤2，所述SDN控制器依据所述HOL事件计算所述HOL事件的转发路径以获得入口交换机及相应的输入端口；
步骤3，所述SDN控制器下发OF(OpenFlow协议)消息至所述输入端口；
步骤4，所述输入端口接收所述OF消息后执行丢弃或限速产生所述HOL事件的报文。
本发明的基于SDN的防线头阻塞方法，所述步骤1之前，所述SDN控制器根据LLDP(Link Layer Discovery Protocol，链路层发现协议)协议获得所述SDN网络的拓扑结构。
本发明的基于SDN的防线头阻塞方法，所述设定侦测方法采用基于CELL或基于报文的线头阻塞状态的检测方法，具体如下：
步骤11，所述交换机判断是基于CELL检测还是基于报文检测，如果是基于CELL检测，执行步骤12；否则，执行步骤13；
步骤12，判断每个输出端口每个服务类别队列的CELL计数是否大于一第一设定阈值；如果是，执行步骤14，否则，结束检测；
步骤13，判断每个输出端口每个服务类别队列的包计数是否大于一第二设定阈值；如果是，执行步骤14，否则，结束检测；
步骤14，交换机检测输出端口进入线头阻塞状态，上报HOL事件至所述SDN控制器。
本发明的基于SDN的防线头阻塞方法，步骤4之后，还可以包括，
步骤5，所述交换机检测到线头阻塞状态消除后上报给SDN控制器；
步骤6，所述SDN控制器下发OF消息，在相应输入端口继续转发产生HOL事件的报文。
本发明的基于SDN的防线头阻塞方法，所述交换机通过Experimenter报文上报HOL事件，所述Experimenter报文包括产生线头阻塞状态的交换机标识、产生线头阻塞状态的交换机端口标识、产生线头阻塞状态的报文特征码。
本发明的基于SDN的防线头阻塞方法，所述步骤2中所述SDN控制器根据HOL事件的报文特征码计算报文的转发路径以获得入口交换机和输入端口。
本发明的基于SDN的防线头阻塞方法，所述步骤3中所述SDN控制器向入口交换机下发OF消息并生成流表。
本发明的基于SDN的防线头阻塞方法，所述步骤3中所述SDN控制器向入口交换机下发OF消息并生成流表；所述步骤4中，所述流表根据偏移量和长度取出数据和报文特征码进行匹配，如果匹配成功，则在所述输入端口执行丢弃报文或限速产生HOL事件的报文。
本发明的基于SDN的防线头阻塞方法，所述步骤5具体如下：
步骤51，所述交换机依据所述设定侦测方法判断输出端口的每个服务类别队列的CELL计数小于一第三设定阈值且处于线头阻塞状态时，或，判断输出端口每个服务类别队列的包计数小于一第四设定阈值且处于线头阻塞状态时，执行步骤52；
步骤52，所述交换机清除线头阻塞状态并上报给SDN控制器。
本发明还提供基于SDN的防线头阻塞系统，用于实施上述的方法，包括SDN控制器和分别与所述SDN控制器连接的多个交换机。
有益效果：由于采用以上技术方案，本发明采用了SDN架构，做到防线头阻塞的全网防御，直接在源头把报文限制住，防止对整个SDN网络带来冲击和影响。
附图说明
图1为现有技术的单个交换机结构示意图；
图2为本发明的方法流程示意图；
图3为本发明的具体方法流程图；
图4为本发明的步骤1的具体流程图；
图5为本发明的系统结构示意图。
图6为本发明的SDN控制器的逻辑控制图；
图7为本发明的模拟测试环境示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
参照图2，基于SDN的防线头阻塞方法，应用于包括多个交换机的SDN网络，包括以下步骤：
步骤1，交换机依据设定侦测方法侦测输出端口状态，于输出端口进入线头阻塞状态时，上报HOL事件至一SDN控制器；
步骤2，SDN控制器依据HOL事件计算HOL事件的转发路径以获得入口交换机及相应的输入端口；
步骤3，SDN控制器下发OF消息至输入端口；
步骤4，输入端口接收OF消息后执行丢弃或限速产生HOL事件的报文；直至输出端口退出线头阻塞状态。
防线头阻塞可以在交换机内部实现，如当输出端口的CELL或报文计数超过预定的阈值，向输入端口发送一消息通知输入端口某一输出端口进入线头阻塞防止状态，这样输入端口会丢弃以后所有到这个输出端口的报文，直到这个出口CELL或报文数降到预定的阈值以下，然而，这样只能实现单一设备的防御，很难做到针对SDN网络的有效的全网防御。本发明基于SDN架构，一旦交换机侦测到某个输出端口进入到线头阻塞状态，会立即通知SDN控制器，SDN控制器会计算出报文进入SDN网络的输入端口，通过OF消息通知此交换机在这个输入端口上丢弃或限速此报文，直至这个输出端口退出HOL状态，即基于整个SDN网络，做到防线头阻塞的全网防御，直接在源头把报文限制住，防止对整个SDN网络带来冲击和影响。
本发明的基于SDN的防线头阻塞方法，步骤1之前，SDN控制器可根据LLDP(Link Layer Discovery Protocol，链路层发现协议)协议获得SDN网络的拓扑结构。
参考图3，在另一个实施例中本发明的基于SDN的防线头阻塞方法，步骤4之后，还包括，
步骤5，交换机检测到线头阻塞状态消除后上报给SDN控制器；
步骤6，SDN控制器下发OF消息，在相应输入端口继续转发产生HOL事件的报文。
本实施例中，SDN控制器根据LLDP协议感知SDN网络的拓扑结构，一旦交换机检测到线头阻塞状态，上报给SDN控制器，SDN控制器根据上报的HOL事件，计算报文的转发路径获得入口交换机和输入端口，SDN控制器下发OF消息，在输入端口上丢弃或限速产生HOL事件的报文，交换机检测到线头阻塞状态消除后，上报给SDN控制器，SDN控制器再下发OF消息，在输入端口上继续转发产生HOL事件的报文。
本发明的基于SDN的防线头阻塞方法，参照图4，步骤1可以通过基于CELL或基于报文的HOL状态的检测方法侦测输出端口状态，具体如下：
步骤11，交换机判断是基于CELL检测还是基于报文检测，如果是基于CELL检测，执行步骤12；否则，执行步骤13；
步骤12，判断每个输出端口每个服务类别队列的CELL计数是否大于一第一设定阈值；如果是，执行步骤14，否则，结束检测；
步骤13，判断每个输出端口每个服务类别队列的包计数是否大于一第二设定阈值；如果是，执行步骤14，否则，结束检测；
步骤14，交换机检测输出端口进入线头阻塞状态，上报HOL事件至SDN控制器。
本发明的基于SDN的防线头阻塞方法，步骤5具体可以如下：
步骤51，交换机依据设定侦测方法判断输出端口的每个服务类别队列的CELL计数小于一第三设定阈值且处于线头阻塞状态时，或，判断输出端口每个服务类别队列的包计数小于一第四设定阈值且处于线头阻塞状态时，执行步骤52；
步骤52，交换机清除线头阻塞状态并上报给SDN控制器。
第一种基于CELL的HOL状态的检测方法的定义如下面表1所示，
第二种基于报文的HOL状态的检测方法的定义如下面表2所示，
上述的步骤1和步骤5中，第一设定阈值为HOLCOSCELLSETLIMIT，第二设定阈值为HOLCOSPKTSETLIMIT；第三设定阈值为HOLCELLRESETLIMIT，第四设定阈值为HOLCOSPKTRESETLIMIT。
本发明的基于SDN的防线头阻塞方法，交换机通过Experimenter报文上报HOL事件，Experimenter报文包括产生线头阻塞状态的交换机标识、产生线头阻塞状态的交换机端口标识、产生线头阻塞状态的报文特征码。
交换机通过Experimenter报文上报HOL状态，包含上述的基本信息，从OLT(optical line terminal，光线路终端)到SDN控制器的私有扩展，Experimenter报文的格式如表3所示，其中，报文特征码包含偏移量、长度、长度值及偏移量值。需要注意的是Experimenter值为255需要向ONF(OpenNetwork Foundation，开放式网络基金会)组织申请，而Experimenter type值为1则表明报文为从OLT方向到SDN控制器。表3中Experimenter(255)及其以下的字段为私有扩展字段，而其他字段为原有定义。
表3
基于上述的私有扩展的Experimenter报文，步骤2中SDN控制器可以根据HOL事件的报文特征码查找报文的转发路径以获得入口交换机和输入端口。SDN控制器根据报文特征码查找报文的转发路径，直到发现入口交换机和输入端口，然后步骤3中SDN控制器向入口交换机下发OF消息并生成流表，流表需扩充，步骤4中，流表可以根据偏移量和长度取出数据和报文特征码进行匹配，如果匹配成功，则在输入端口执行丢弃报文或限速产生HOL事件的报文的工作。参照表4和表5，流表需增加新的流表匹配(Flow Match)字段和流表动作(Flow Action)字段。
表4
表5
本发明的基于SDN的防线头阻塞系统，用于实施上述的方法，参照图5，包括SDN控制器5和分别与SDN控制器5连接的多个交换机，如交换机1，交换机2和交换机3。结合上述的方法，SDN控制器5的逻辑控制流程如图6所示。
在上述系统的基础上通过在交换机的输入端口加装测试仪表6构建模拟测试环境如图7所示，首先关闭防线头阻塞功能，报文1以1.5G的速率发送，报文2以0.5G的速率发送，报文2的转发受阻；然后打开防线头阻塞功能，报文1以1.5G的速率发送，报文以0.5G的速率发送，结果表明，采用本发明的基于SDN的防线头阻塞方法，报文2可以正常转发，能够防止对整个SDN网络带来冲击和影响。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所做出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.基于SDN的防线头阻塞方法，其特征在于，应用于包括多个交换机的SDN网络，包括以下步骤：
步骤1，交换机依据设定侦测方法侦测输出端口状态，于输出端口进入线头阻塞状态时，上报HOL事件至一SDN控制器；
步骤2，所述SDN控制器依据所述HOL事件计算所述HOL事件的转发路径以获得入口交换机及相应的输入端口；
步骤3，所述SDN控制器下发OF消息至所述输入端口；
步骤4，所述输入端口接收所述OF消息后执行丢弃或限速产生所述HOL事件的报文。
2.根据权利要求1所述的基于SDN的防线头阻塞方法，其特征在于，所述步骤1之前，所述SDN控制器根据LLDP协议获得所述SDN网络的拓扑结构。
3.根据权利要求1所述的基于SDN的防线头阻塞方法，其特征在于，所述设定侦测方法采用基于CELL或基于报文的线头阻塞状态的检测方法，具体如下：
步骤11，所述交换机判断是基于CELL检测还是基于报文检测，如果是基于CELL检测，执行步骤12；否则，执行步骤13；
步骤12，判断每个输出端口每个服务类别队列的CELL计数是否大于一第一设定阈值；如果是，执行步骤14，否则，结束检测；
步骤13，判断每个输出端口每个服务类别队列的包计数是否大于一第二设定阈值；如果是，执行步骤14，否则，结束检测；
步骤14，交换机检测输出端口进入线头阻塞状态，上报HOL事件至所述SDN控制器。
4.根据权利要求1所述的基于SDN的防线头阻塞方法，其特征在于，步骤4之后，还包括，
步骤5，所述交换机检测到线头阻塞状态消除后上报给SDN控制器；
步骤6，所述SDN控制器下发OF消息，在相应输入端口继续转发产生HOL事件的报文。
5.根据权利要求1所述的基于SDN的防线头阻塞方法，其特征在于，所述交换机通过Experimenter报文上报HOL事件，所述Experimenter报文包括产生线头阻塞状态的交换机标识、产生线头阻塞状态的交换机端口标识、产生线头阻塞状态的报文特征码。
6.根据权利要求5所述的基于SDN的防线头阻塞方法，其特征在于，所述步骤2中所述SDN控制器根据HOL事件的报文特征码计算报文的转发路径以获得所述入口交换机和所述输入端口。
7.根据权利要求1所述的基于SDN的防线头阻塞方法，其特征在于，所述步骤3中所述SDN控制器向所述入口交换机下发OF消息并生成流表。
8.根据权利要求5所述的基于SDN的防线头阻塞方法，其特征在于，所述步骤3中，所述SDN控制器向入口交换机下发OF消息并生成流表；所述步骤4中，所述流表根据偏移量和长度取出数据和所述报文特征码进行匹配，如果匹配成功，则在所述输入端口执行丢弃报文或限速产生HOL事件的报文。
9.根据权利要求4所述的基于SDN的防线头阻塞方法，其特征在于，所述步骤5具体如下：
步骤51，所述交换机依据所述设定侦测方法判断输出端口的每个服务类别队列的CELL计数小于一第三设定阈值且处于线头阻塞状态时，或，判断输出端口每个服务类别队列的包计数小于一第四设定阈值且处于线头阻塞状态时，执行步骤52；
步骤52，所述交换机清除线头阻塞状态并上报给SDN控制器。
10.基于SDN的防线头阻塞系统，其特征在于，用于实施权利要求1-9任意一项所述的方法，包括SDN控制器和分别与所述SDN控制器连接的多个交换机。
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