CN105553855B - 动态调整底层网络生成树拓扑结构的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种动态调整底层网络生成树拓扑结构的方法及系统，其中方法包括如下步骤：周期性获取底层网络交换机的负载信息；根据所述负载信息实时计算当前底层网络生成树的总权重；根据所述当前底层网络生成树的总权重确定最小生成树，并动态调整网络的生成树拓扑结构。系统包括信息收集模块和STP模块。本发明通过SDN控制器集中式对底层的网络交换机进行管控，采用OpenFlow协议模块作为管理接口，在控制器之上完成底层网络的拓扑识别功能及生成树结构的构建。在网络的运行过程中，控制器实时获取底层网络交换机的转发流量信息，使得一些备用链路带宽得以使用，进而使得网络实现动态负载均衡的功能，防止二层网络业务转发出现回路并形成网络风暴的情况。

Description

动态调整底层网络生成树拓扑结构的方法及系统

技术领域

本发明涉及计算机网络技术领域，尤其涉及一种基于OpenFlow协议的动态调整底层网络生成树拓扑结构的方法及系统。

背景技术

在传统二层网络中，拓扑识别及无环化处理主要依靠生成树协议(Spanning TreeProtocol，简称STP)及快速生成树协议(rapid spanning Tree Protocol，简称RSTP)，但无论是STP协议还是RSTP协议均有诸多的缺陷：在网络规模比较大的时候会导致较长的收敛时间；STP协议的机制在于阻塞冗余链路的端口以避免出现网络回路，当链路被阻塞后将不承载任何流量，造成了带宽的极大浪费，且在整个网络通信过程中，由于较慢的收敛问题导致拓扑无法改变。而一些后继的协议被提出以解决上述问题，有些协议成为了标准，而有些协议为私有协议。尽管这些协议在一定程度上提升了STP的性能，但其也使得网络配置变得更加复杂、网络故障率更高且不易于用户交互。

在软件定义网络(Software Defined Network,简称SDN)架构中，可以在控制器端获得全网的拓扑信息，掌握全网交换机的互连关系，对于二层转发网络来说，其生成树的收敛时间可以缩短。由于控制器存储全网的拓扑信息，因此数据的转发路径可以提前进行规划与计算，使数据按照最短路径进行转发，但是当前基于OpenFlow的拓扑发现与STP构建方法具有一定的问题，如下所述：

(1)缺乏动态负载均衡功能；

(2)STP算法没有构建全网的一个最小生成树结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种动态调整底层网络生成树拓扑结构的方法及系统，用以解决现有技术中OpenFlow的拓扑发现与STP构建方法缺乏动态负载均衡功能及最小生成树结构的问题。

本发明的第一个方面是提供一种动态调整底层网络生成树拓扑结构的方法，包括如下步骤：

周期性获取底层网络交换机的负载信息；

根据所述负载信息实时计算当前底层网络生成树的总权重；

根据所述当前底层网络生成树的总权重确定最小生成树，并动态调整网络的生成树拓扑结构。

采用上述本发明技术方案的有益效果是：本发明的方法在SDN网络架构下实现，具有较小的收敛时间以及集中管控的优势，可在不影响业务传输性能的基础上，完成底层网络转发拓扑的动态调整。并可依据当前网络流量分布情况，智能化及自动化的实现网络的负载均衡功能，提升底层网络资源利用率；并在底层网络中实现一个最小生成树结构，使得在二层网络中，业务可沿着最短路径进行转发。

本发明的另一个方面是提供一种动态调整底层网络生成树拓扑结构的系统，包括：

信息收集模块，用于周期性获取底层网络交换机的负载信息；

STP模块，用于根据所述负载信息实时计算当前底层网络生成树的总权重以确定最小生成树，并动态调整网络的生成树拓扑结构。

采用上述本发明技术方案的有益效果是：通过SDN控制器集中式对底层的网络交换机进行管控，采用OpenFlow协议模块作为管理接口，在控制器之上完成底层网络的拓扑识别功能及生成树结构的构建。在网络的运行过程中，控制器实时获取底层网络交换机的转发流量信息，并将其映射为构建生成树结构的权重，当控制器判断某些链路负载过重时，将触发控制器构建新的生成树结构，使得一些备用链路带宽得以使用，进而使得网络实现动态负载均衡的功能，防止二层网络业务转发出现回路并形成网络风暴的情况。

附图说明

图1为本发明动态调整底层网络生成树拓扑结构的系统结构示意图；

图2为本发明动态调整底层网络生成树拓扑结构的方法流程示意图；

图3为图2中步骤S103的流程示意图；

图4(A)为实际网络拓扑结构中初始权重示意图；

图4(B)为图4(A)对应的STP拓扑结构图；

图4(C)为图4(A)对应的等价边权重示意图；

图4(D)为调整后的STP拓扑结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明公开了一种动态调整底层网络生成树拓扑结构的系统，该系统包括：

信息收集模块，用于周期性获取底层网络交换机的负载信息；

STP模块，用于根据负载信息实时计算当前底层网络的无环转发拓扑并动态调整网络的生成树拓扑结构。

具体的，如图1所示，该系统可以包括以APP的形式实现在SDN控制器中的拓扑识别模块11和选路模块12，以及底层的网络交换机模块13，其中，SDN控制器与底层网络交换机模块13之间采用OpenFlow协议模块14进行通信。拓扑识别模块11主要用于底层网络连接关系的识别，选路模块12主要用于使业务流按照计算出的最小生成树拓扑进行转发。

其中，拓扑识别模块11具体还包括链路发现模块111，链路连接对应表112、STP模块113、网络负载情况统计模块114以及拓扑结构模块115。本发明上述实施例中的信息收集模块相当于图1中的链路发现模块111和网络负载情况统计模块114。

链路发现模块111主要完成底层网络交换机与交换机之间的连接关系，为每个被控制的交换机预设一个初始流表，该流表可令控制器通过PacketIn消息获取链路发现数据包，同时链路发现模块111周期性的向所有交换机的各个端口发送链路探测数据包并转发该数据包至下一跳交换机，链路发现模块111还将底层网络的链路连接关系存储在链路连接对应表112中，并周期性的根据交换机节点的加入或离开更行该表；网络负载情况统计模块114主要负责周期性获取底层每个交换机的状态及负载统计信息，所获得的信息可作为最小生成树算法的计算依据；STP模块113主要通过最小生成树算法实时动态计算当前底层网络的无环转发拓扑，并指导SDN控制器完成底层交换机的配置；拓扑结构模块115主要负责存储计算生成的底层转发拓扑结构。

STP模块113进一步包括最小生成树算法单元1131、生成树结构存储单元1132以及交换机端口配置单元1133。网络负载情况统计模块114周期性获取网络流量分布信息，当判断出网络负载不均衡时，即网络中某条链路承载业务流量过大，则触发生STP模块113计算并更新一次无环转发拓扑结构。具体的，STP模块113可以依据网络负载情况统计模块114中的底层网络流量分布情况，通过最小生成树算法单元1131为底层网络计算无环转发的拓扑结构，并将该结构存储在生成树结构存储单元1132中，并指导交换机端口配置单元1133完成底层交换机不同端口的洪泛功能阻塞与打开配置，最后将由最小生成树算法单元1131计算出的最小生成树拓扑结构存储在拓扑结构模块115中，将其作为选路模块的输入。

选路模块12具体包括地址端口映射表单元121和地址学习单元122。地址学习单元122主要完成根据所构建的转发拓扑结构，为业务流生成转发路径，并将转发路径记录在地址端口映射表单元121中，形成一套自学习的二层网络转发机制。对于在交换机中无流表匹配的数据流，会被PacketIn消息传给控制器选路模块12中的地址学习单元122，地址学习单元122将会查找地址端口映射表单元121，以寻找对应该数据包目的地址的转发端口，之后控制器将记录该数据包的源地址与入端口，并完成交换机的流表配置，使交换机完成数据转发，如果无法在地址端口映射表单元121中找到转发端口，则配置流表使业务在交换机上除数据包入端口以外的端口中广播该数据包，并将该业务的源地址与入端口记录在地址端口映射表单元121中，每一次STP模块113生成一个新的无环转发拓扑结构则会触发选路模块12清空地址端口映射表单元121中的数据，并进行重新记录。

本发明动态调整底层网络生成树拓扑结构的系统通过SDN控制器集中式对底层的网络交换机进行管控，采用OpenFlow协议模块作为管理接口，在控制器之上完成底层网络的拓扑识别功能及生成树结构的构建。在网络的运行过程中，控制器实时获取底层网络交换机的转发流量信息，并将其映射为构建生成树结构的权重，当控制器判断某些链路负载过重时，将触发控制器构建新的生成树结构，使得一些备用链路带宽得以使用，进而使得网络实现动态负载均衡的功能，防止二层网络业务转发出现回路并形成网络风暴的情况。

本实施例的动态调整底层网络生成树拓扑结构的系统可以用于执行图2至图4(D)所示方法实施例的技术方案，具体如下所述。

图2为本发明提供的一种动态调整底层网络生成树拓扑结构的方法流程示意图，如图2所示，该方法包括如下步骤：

步骤S201，周期性获取底层网络交换机的负载信息；

在本发明实施例中，为了能够依据网络负载分布情况动态调整网络的生成树结构，可以周期性统计底层网络交换机的负载信息，包括网络链路的初始权重值和节点权重值。其中链路权重主要表示网络链路的初始情况，即综合考虑链路的带宽、时延等链路传输能力参数形成的权重值；节点权重主要表示网络的流量分布情况。节点权重随着网络负载的不断变化而不断改变，因此，节点权重的计算需要获取底层网络的相关流量统计信息，从而，可以通过OpenFlow控制器周期性的进行全网流量信息统计，通过每个OF交换机反馈的统计信息，映射为可影响生成树构建的权值参数，进而获得交换机的流量分布权重参数。

需要说明的是，在网络初始建立时，为每个交换机设置一个初始权重值，该值主要用于网络初次运行时的交换机节点权重，与边值权重一同参与MST拓扑的计算。交换机节点的初始权重设置依据与链路权重类似，即根据交换机的处理能力、重要程度进行权重划分。

步骤S202，根据负载信息实时计算当前底层网络生成树的总权重；

最小生成树算法需综合考虑链路权重值和节点权重值动态构建底层网络的最小生成树结构，因此可以通过调整当前底层网络中节点带权最小生成树的拓扑结构以实现网络负载均衡。

在本实施例中，若给定底层网络拓扑结构为无向连通图G(V，E)，其中节点权重函数为f:V->R+，边权重函数为g:E->R+，若T为图G的最小生成树，则定义T中节点v的度为d(v|T)，则生成树T的总权重函数W(T)定义如下：

其中，T中节点v的度的概念是指，在T图中，节点v的相邻节点的个数。则在图G的所有生成树中，具有最小权重W(T)的生成树就称为图G的节点带权最小生成树。

定义函数f(v)反映的是网络中v节点转发业务流量的负担程度，可知叶子节点的度d(v|T)为1，即叶子节点的度为最小。这样在构建最小生成树时，高转发负载的节点将向靠近叶子节点的方向移动或者降低高转发负载节点和其他节点的连接数，进而达到缓解局部负载不均的情况。

步骤S203，根据所述当前底层网络生成树的总权重确定最小生成树，并动态调整网络的生成树拓扑结构。

具体的，如图3所示，可以包括如下步骤：

步骤S2031，统计MST拓扑下所有非叶子节点的过境流量，根据所有非叶子节点的过境流量将其按比例映射到权重取值范围内；

为了实现保障全网负载均衡的动态MST拓扑变化，需要OpenFlow控制器周期性的获取每个交换机节点的运行统计信息。首先定义交换机的过境流量为流入该交换机的所有流量减去以目的地址或源地址为该交换机局域网内主机的流量，即该交换机需要转发到下一个交换机的流量总和。例如假设交换机的过境流量为B，除局域网端口以外所有端口的流入流量为bin，以目的地址为该交换机局域网内主机的流量为b0，因此可得：B＝b_in-b₀。

因此，可以根据SDN控制器对每个小站流量信息的统计，对当前网络MST拓扑中的所有非叶子节点计算该节点的过境流量，以此作为生成该类节点权重的依据。计算当前非叶子节点权重的方法为将统计计算得到的该节点过境流量按比例映射到权重规定的取值范围内，这样所有交换机的权重值大小可以反映其过境流量的大小。假设映射函数为h，当前非叶子节点的权重为Pmiddle，则有：P_middle＝h(B)。

步骤S2032，对MST拓扑下叶子节点的权重值进行重新配置；

网络MST拓扑结构需要重新计算时，则将当前MST拓扑下叶子节点的权重设置为该交换机的初始权重。也可根据情况，在每次重新计算MST时，将当前叶子节点的权重设置为0。如可以设置当前叶子节点的权重为Pleaf。

步骤S2033，计算等价边权重；

在本实施例中，可以通过如下公式计算G(V，E)的等价边权重w′(v_i,v_j)：

w′(v_i,v_j)＝w(v_i,v_j)+P(v_i)+P(v_j)； (2)

其中，w(v_i,v_j)表示链路权重，若v_i为叶子节点，则该节点的权重P(v_i)＝Pleaf，若v_j为非叶子节点，则该节点的权重P(v_j)＝P_middle。

步骤S2034，调用Prim普里姆算法根据等价边权重计算新的MST拓扑结构。

本实施例中，若G的一个生成树T，其所有边权重和节点权重之和，即总权重W(T)是G的生成树集合中最小的，则确定该生成树为最小生成树。

因此，对于考虑所有节点权重的情况，可将式(1)转化为：

这里函数f(v_i)(1≤i≤n)是一个随时间及统计信息不断变化的量，同时d(v|T)表示节点v的度，即与边的个数相对应，因此可以将式(3)转化为：

由公式(4)，可令：

w′(v_i,v_j)＝w(v_i,v_j)+f(v_i)+f(v_j)； (5)

则可得：

其中，w′(v_i,v_j)为G(V，E)的等价边权重，由于e＝(v_i,v_j)∈E，因此可以采用Prim对其进行求解。从而通过最小生成树算法构建当前负载均衡的网络无回路转发结构，并动态调整网络的生成树拓扑结构。

图4(A)至图4(D)给出了一个MST网络拓扑调整过程示例，其中，图4(B)中4:2表示交换机4的权重为2，假设该过程中当前叶子节点的权重值为0，由图4(A)图4(B)可以看出，在某一时刻，交换机4的转发流量过多，从而导致网络的负载不均衡，因此，可以采用上述方法首先确定等价边权重，如图4(C)所示。然后通过Prim算法对当前的MST拓扑进行调整，从而得出调整后的STP拓扑结构图图4(D)，从图4(D)中可看出拓扑结构的变动可以使得流量分布更为合理。

本发明的方法具有较小的收敛时间，适用于交换机节点规模较大的网络，在SDN网络架构下实现，具有集中管控的优势，可在不影响业务传输性能的基础上，完成底层网络转发拓扑的动态调整。可依据当前网络流量分布情况，智能化及自动化的实现网络的负载均衡功能，提升底层网络资源利用率；并在底层网络中实现一个最小生成树结构，使得在二层网络中，业务可沿着最短路径进行转发。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种动态调整底层网络生成树拓扑结构的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

周期性获取底层网络交换机的负载信息；

根据所述负载信息实时计算当前底层网络生成树的总权重；

根据所述当前底层网络生成树的总权重确定最小生成树，并动态调整网络的生成树拓扑结构，

其中，所述根据所述负载信息实时计算当前底层网络生成树的总权重，通过以下方式实现：

由底层网络拓扑结构的无向连通图G(V，E)，根据如下公式计算无向连通图G中生成树T的总权重W(T)：

其中，d(v|T)为T中节点v的度，f(v)为节点权重函数，g(e)为边权重函数，

所述根据所述当前底层网络生成树的总权重确定最小生成树，并动态调整网络的生成树拓扑结构包括：

统计MST拓扑下所有非叶子节点的过境流量，根据所有非叶子节点的过境流量将其按比例映射到权重取值范围内；

对MST拓扑下叶子节点的权重值进行重新配置；

计算等价边权重；

调用Prim算法根据所述等价边权重计算新的MST拓扑结构。

2.根据权利要求1所述的动态调整底层网络生成树拓扑结构的方法，其特征在于，所述周期性获取底层网络交换机的负载信息的操作具体包括：

基于OpenFlow协议周期性获取网络链路的初始权重值和节点权重值。

3.根据权利要求1所述的动态调整底层网络生成树拓扑结构的方法，其特征在于，所述对MST拓扑下叶子节点的权重值进行重新配置具体包括：

将当前MST拓扑下叶子节点的权重值配置为该交换机的初始权重值；或者，将当前MST拓扑下叶子节点的权重值配置为0；

所述计算等价边权重的操作具体为：

通过如下公式计算G(V，E)的等价边权重w′(v_i,v_j)：

w′(v_i,v_j)＝w(v_i,v_j)+P(v_i)+P(v_j)，其中，w(v_i,v_j)表示链路权重，P(v_i)为叶子节点的权重，P(v_j)为非叶子节点的权重。

4.根据权利要求3所述的动态调整底层网络生成树拓扑结构的方法，其特征在于，所述调用Prim算法根据所述等价边权重计算新的MST拓扑结构的操作具体为：

通过如下公式调整生成树T的总权重W(T)：

5.一种动态调整底层网络生成树拓扑结构的系统，其特征在于，所述系统包括：

信息收集模块，用于周期性获取底层网络交换机的负载信息；

STP模块，用于根据所述负载信息实时计算当前底层网络生成树的总权重以确定最小生成树，并动态调整网络的生成树拓扑结构，

其中，所述STP模块具体用于：

由底层网络拓扑结构的无向连通图G(V，E)，根据如下公式计算无向连通图G中生成树T的总权重W(T)：

其中，d(v|T)为T中节点v的度，f(v)为节点权重函数，g(e)为边权重函数，

所述STP模块具体用于：

统计MST拓扑下所有非叶子节点的过境流量，根据所有非叶子节点的过境流量将其按比例映射到权重取值范围内；

对MST拓扑下叶子节点的权重值进行重新配置；

计算等价边权重；

调用Prim算法根据所述等价边权重计算新的MST拓扑结构。

6.根据权利要求5所述的动态调整底层网络生成树拓扑结构的系统，其特征在于，所述信息收集模块具体用于基于OpenFlow协议周期性获取网络链路的初始权重值和节点权重值。

7.根据权利要求5所述的动态调整底层网络生成树拓扑结构的系统，其特征在于，所述STP模块具体用于：

通过如下公式计算G(V，E)的等价边权重w′(v_i,v_j)：

w′(v_i,v_j)＝w(v_i,v_j)+P(v_i)+P(v_j)，其中，v为MST拓扑下叶子节点或非叶子节点，w(v_i,v_j)表示链路权重，P(v_i)为叶子节点的权重，P(v_j)为非叶子节点的权重。

8.根据权利要求7所述的动态调整底层网络生成树拓扑结构的系统，其特征在于，所述STP模块具体用于：

通过如下公式计算生成树T的总权重W(T)：

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