CN105933184A - 基于lldp的sdn网络链路延迟测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于LLDP的SDN网络链路延迟测量方法。利用已有的OpenFlow协议中的消息和LLDP中的自定义的数据单元，实现基于OpenFlow协议的SDN网络中点到点之间链路延迟的测量方法，不仅能够准确的测量出SDN网络架构中两点之间的链路延迟，而且能够适应网络环境的变化 ，在网络环境不断变化的过程中，依然可以得出两点之间链路延迟的正确结果。本发明是一种主动的网络测量方式，但是并没有向网络中发送额外的探测性的数据包，没有给网络带来任何额外的负载，利用已有的网络资源为网络提供更好的服务。

Description

基于LLDP的SDN网络链路延迟测量方法

技术领域

本发明涉及在网络管理和网络测量领域，基于软件定义网络(Software DefinedNetwork，SDN)中的LLDP（Link Layer Discovery Protocol，链路层发现协议），来实现链路延迟测量的技术。

背景技术

网络测量是釆用特定的方法和技术，通过软件或硬件工具来测试网络的运行状态、表征网络特性的一系列活动的总和。网络测量对于掌握网络的整体运行状况，改善网络性能具有非常重要的作用。通过网络测量得到的相关的测量结果，网络管理人员能够获得各种各样的网络性能参数，例如时延、丢包率、带宽等，不同的参数反映了网络不同方面的性能。这些参数对指导网络管理人员的日常工作非常有帮助，可以帮助他们了解网络行为，发现网络可能存在的拥塞，提高网络资源利用率。总之，网络测量给从事网络工作的人员、厂商带来了很多的好处，也正是因为网络的测量和监测的重大意义，一直以来，都是传统IP网络研究中的热门领域之一。

软件定义网络( Software Defined Network，SDN)是美国斯坦福大学提出的一种新型网络架构，SDN的设计理念是将网络的控制平面与数据转发平面进行分离，并且实现可编程化的控制。SDN的网络架构分为三层，最上面是应用层，各种不同的业务和应用位于该层；中间是控制层，主要负责数据平面资源的管理，维护网络的拓扑、状态等信息；最下面是基础设施层，主要是基于流表的匹配结果对数据流进行处理。

OpenFlow网络是SDN的一种比较成熟的实现方式，它主要包括三部分:OpenFlow控制器，OpenFlow交换机以及OpenFlow协议。交换机主要由数据处理平面和控制平面组成，数据平面是按照流表的信息对经过的数据流进行操作，通过与控制器进行安全通信，控制平面可以获得关于流表的相关信息。根据上层的要求，控制器对全网交换机的数据转发与处理行为进行控制。OpenFlow协议是控制器与交换机通信所使用的协议。OpenFlow网络架构的中心思想就是通过中央控制器维护各个交换机中的流表，从而能够匹配任意的数据流，并进行控制，控制的粒度达到具体的数据流，以此达到精细控制全网数据的能力。

随着网络技术的发展，接入网络的设备的种类越来越多，配置越来越复杂，来自不同设备厂商的设备也往往会增加自己特有的功能，这就导致在一个网络中往往会有很多具有不同特性的、来自不同厂商的设备，为了方便对这样的网络进行管理，就需要使得不同厂商的设备能够在网络中相互发现并交互各自的系统及配置信息。LLDP（Link LayerDiscovery Protocol，链路层发现协议）就是用于这个目的的协议。LLDP定义在802.1ab中，它是一个二层协议，它提供了一种标准的链路层发现方式。LLDP协议使得接入网络的一台设备可以将其主要的能力，管理地址，设备标识，接口标识等信息发送给接入同一个局域网络的其它设备。当一个设备从网络中接收到其它设备的这些信息时，它就将这些信息以MIB的形式存储起来。这些MIB信息可用于发现设备的物理拓扑结构以及管理配置信息。需要注意的是LLDP仅仅被设计用于进行信息通告，它被用于通告一个设备的信息并可以获得其它设备的信息，进而得到相关的MIB信息。它不是一个配置、控制协议，无法通过该协议对远端设备进行配置，它只是提供了关于网络拓扑以及管理配置的信息，这些信息可以被用于管理、配置的目的，如何用取决于信息的使用者。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，在SDN网络架构当中，实现点到点链路之间的延迟测量，

OpenFlow网络是SDN网络架构中一种比较成熟的实现方式，OpenFlow网络的原生统计信息是釆用了被动测量的方式，虽然不会像主动测量那样，向网络中注入大量的流量，但是也面临着一些挑战，当OpenFlow网络的规模比较大时，控制器为了及时获得统计信息需要频繁的同各个交换机进行交互，这一方面增加了控制器和交换机之间的通信负担，使得通信能力成为测量的技术瓶颈，另一方面考验着交换机的信息处理能力，过高的查询频率可能会降低交换机处理网络数据包的能力，影响OpenFlow网络的正常工作，在规模较大的SDN网络中，作为核心部件的控制器会参与到许多通信的过程中，控制器和交换机会进行频繁的交互，这使得两者之间的通信能力成为整个SDN网络的瓶颈，例如采用OpenFlow原生统计信息进行测量，控制器通过查询各个交换机获得网络性能指标，如果查询频率过高就会影响控制器参与其它通信的能力。

本发明中，我们利用SDN网络中控制器使用LLDP协议进行链路发现的特点，在基于OpenFlow协议的SDN网络当中，当控制器在进行链路发现的同时，把链路之间的延迟也间接测量出来，作为一个链路的基本属性，为网络中数据传输提供更高质量的服务。在SDN网络架构中，控制器想要及时得到全局的网络拓扑结构，就要向与其相联的OpenFlow交换机发送LLDP报文进行链路发现，此报文是被封装在Packet-Out消息中发送到交换机中的，当交换机收到LLDP报文时，它会把这个报文通过广播的方式发送到与其相连的所有的交换机上，当与之相连的另一台交换机收到此交换机转发的LLDP报文时，它会再把这个报文封装为Packet-In消息返回给控制器，控制器收到这样的消息就知道了在这两个交换机之间存在链接，可以进行数据的传输。以上只是一条链路的发现过程，整个拓扑结构都是利用这样的链路发现方式发现的，但是这样的发现过程有一个缺点，就是控制器只知道在这两个交换机之间存在链路，并不知道这条链路的基本信息，比如：延迟时间，带宽等。虽然这些信息控制器可以通过向交换机发送相关的消息进行请求，但在大规模的交换机集群或者数据中心网络当中，这会大大增加控制器的负载并且也会占用安全通道的传输资源，为了更加有效的利用SDN网络架构的特点和OpenFlow协议消息以及LLDP协议为网络服务，本发明改进了LLDP协议。

本发明的基于LLDP的SDN网络链路延迟测量方法，

首先，利用基于OpenFlow协议的SDN网络的特点，控制器具有全局网络视图的能力，根据网络环境的变化，实时的掌握网络最新的网络拓扑结构，为了实现控制器的全局网络视图能力，控制器要周期性的向与其相连的交换机发送LLDP报文来进行网络拓扑结构的发现和更新；

其次，利用OpenFlow协议中的Echo消息得到控制器到交换机之间的传播延迟，实现控制器到交换机以及交换机到控制器之间链路的延迟测量，运用Echo消息得到的测量结果对通过LLDP报文得到的链路时间延迟进行修正，能够提高测量的准确性；

具体过程为：

第一、在LLDP报文中增加一个TLV数据单元，其携带了当前系统的时间戳，把含有此数据单元的LLDP报文封装为Packet-Out消息，在控制器进行链路发现时，会把此消息通过OpenFlow协议中的安全通道发送给与其相连的所有的OpenFlow交换机；

第二、当其中一个交换机Switch X收到来自控制器的LLDP报文，它就会通过广播的方式把此报文发送给除控制器以外的所有与之相连的设备，这样与其相连的所有的交换机就会收到来自此交换机Switch X的LLDP报文，以一个与Switch X相连的交换机Switch Y为例说明，当Switch Y收到LLDP报文之后会查找本地流表，因为OpenFlow交换机没有可用于转发LLDP报文的流表项，所以Switch Y就会按照OpenFlow协议规定，将LLDP报文封装为Packet-In消息发送给控制器；

第三、控制器在收到此LLDP报文之后，就会知道这两个交换机之间存在链路，可以进行数据包的传送，同时也会提取加入的时间戳，与当前时间一块进行计算，就能得到此LLDP报文从发送到收回整个过程，在网络中所经历的时延；

第四、为了得到更加准确的测量结果，控制器还需要知道从控制器到交换机的时延，在OpenFlow协议中有一种消息正好可以做到这样的事情，就是Echo消息，控制器通过向交换机发送带有时间戳的Echo Request消息到交换机，交换机在收到此消息之后会返回给控制器一个Echo Reply消息，当控制器收到返回来的消息之后，会根据其携带的时间戳和当前的系统时间进行计算，得到此消息往返的时延，此时延的一半即为控制器到交换机的传播时延或者交换机到控制器的传播时延；

第五、控制器根据三次得到的时延，一个为LLDP报文在网络中的传播时延，一个为控制器到交换机的传播时延和交换机到控制器的传播时延，把得到的这些时延进行计算，就可以间接得到LLDP报文在两个交换机之间的链路延迟。

在本发明中，我们利用LLDP协议在链路发现中的优势，在LLDPDU（LLDP的数据单元，Data United）中增加一个TLV数据单元（LLDPDU是LLDP协议中TLV数据单元的集合，携带的内容为LLDP报文的有效信息），本发明增加的数据单元为名称为：Latency-Tag，每一个TLV有三个字段组成，分别是Type，Length和Value，Type是该字段的惟一ID标识，取值为0-127，每一个TLV的Type值不能重复，占用7个字节，在本发明中使用的Type的值为10，因为Type值为1-9的TLV都已经被其它功能所占用。Length字段为数据单元中所携带有用信息的长度，即Value字段的值的大小，取值范围为0-511。Value字段的值即为此TLV数据单元所携带的有用的信息，把当前的系统时间精确到纳秒级并转化成字符数组存储到Value字段当中，当控制器收到LLDP报文的时，让控制器解析出这个字段，并和当前的系统时间相比较，计算出此LLDP报文在网络中的传播时延：

再利用OpenFlow协议中的Echo消息得到控制器到交换机之间的传播延迟，控制器会周期性的向交换机发送Echo Request消息，把当前的系统时间精确到纳秒封装在Echo Request消息中，交换机在收到此消息后会返回给控制器一个Echo Reply消息，控制器在收到Echo Reply消息时的时间标记为，通过这样的过程，控制器就可以知道控制器到交换机的传播时延，利用到了两个交换机，一个是接收LLDP报文的交换机 SwitchX，一个是把LLDP报文转发回控制器的交换机 Switch Y，所以控制器需要知道其分别到Switch X的链路延迟和Switch Y的链路延迟，相应的时延计算公式为：

通过计算间接得到Switch X到Switch Y之间的链路延迟为：

即为Switch X 到 Switch Y 的链路延迟。

本发明的优点在于利用SDN网络架构的特点实现了在基于OpenFlow协议的SDN网络架构中点到点之间链路的延迟测量，是一种主动的网络测量方式，但是并没有向网络中发送额外的探测性的数据包，没有给网络带来任何额外的负载，利用已有的网络资源为网络提供更好的服务，这是本发明的优点和创新点。

附图说明

图1是本发明所使用的拓扑结构图和LLDP协议链路发现的拓扑图；

图2是本发明所应用的控制器获取控制器到与其相连的交换机之间的延迟结构图；

图3是本发明所添加的TLV数据单元的格式表；

图4是本发明中所得到的两组测量数据差值的统计特征值表；

图5是本发明中所得到的两组测量数据的比较图；

图6是本发明中为适应不同的网络条件所得到的结果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，图中使用了两个交换机，两个主机和一个控制器，这里我们使用的是Floodlight控制器，本发明的目的就是为了测量Switch X 到 Switch Y 链路之间的延迟大小，此图也是基于OpenFlow协议的SDN网络链路发现过程图，因为本发明所利用的数据单元是基于LLDP协议的，所以链路发现的过程也是本发明中测量链路延迟过程的一部分。开始，控制器将含有时间戳的LLDP报文封装成Packet-Out消息发送到Swithc X，Switch X收到含有LLDP报文的Packet-Out消息之后会将其进行广播，发送给与其相连的所有的交换机，这里只用Switch Y表示其中一个，当Swtich Y收到来自Switch X的LLDP报文之后会查找本地流表进行匹配，因为没有可以匹配的流表项，所以Switch Y会将此LLDP报文封装为Packet-In消息发送给控制器，控制器在收到此LLDP报文之后就会知道网络中存在一条由Switch X到Switch Y之间的链路，并提取本发明所加入的时间戳为计算Switch X到SwitchY之间的链路的时延做准备。

图2是本发明为了得到控制器到两个交换机之间链路的延迟时间所构建的拓扑图，控制器把携带时间戳的Echo Request消息分别发送到与其相连的交换机，当交换机收到来自控制器的Echo Request消息之后，根据OpenFlow协议标准，交换机会立即返回一个Echo Reply消息给控制器，控制器根据此消息的往返时间差会得到控制器到交换机的链路传播时延，为本发明测量两个交换机之间的链路时延提供数据修正，即图1中得到的时延要去掉控制器到Switch X和Swtihc Y到控制器的时间延迟，才能得到更加准确的测量结果。

图3是本发明所使用的TLV数据单元的数据格式，Type，Length和Value的长度LLDP协议已经限制了，这个不能改变。在本发明中，我们取Type的值为10，因为0到9都已经被别的用途的TLV数据单元所占用，Type的取值范围为0-127。Length的值即为Value值的大小，这个值在本发明中没在设定，而是根据Value的实际大小自己设定的。Value为即为本发明的TLV数据单元所带的时间戳，就是把当前系统时间精确到纳秒之后转化为字符数组写进Value当中，这个值是一个很长的整形数据，因为要存放在字符数组当中，所进行了数据类型的转化，在java语言中这个实现起来也很方便。

图4是采取本发明进行测量的Switch X到Switch Y之间的链路延迟与真实的延迟之间的差值的数字特征，我们在相同的时间里分别得到了测量值和真实值各240个数据，并对它们的差值的数据特征进行了计算，其中最小差值为0.0109ms，平均差值为0.5903ms，标准差为0.7393ms，方差为标准差的平方，值为0.5466，从差值的数字特征来看，本发明的测量结果与真实结果已经非常接近，在一定的误差范围内完全可以作为真实值进行使用。

图5是利用本发明得到到测量值与真实值之间的比较，其中小圆点代表真实的延迟值，小三角形代表利用本发明测量的延迟值，横坐标为实验进行的时间，单位为分钟，纵坐标为延迟时间的值，单位为毫秒，之间的连线是它们随时间的变化趋势，从图中可以看出，利用本发明得到的测量结果，不仅在数值上与真实值保持很小的误差，而且其变化规律也与真实延迟值的变化规律保持一致，所以利用本发明得到的测量结果不仅能够真实的反应网络中的链路延迟情况，也能很好的展示网络延迟的变化规律。

图6是在我们在实验中改变网络条件，利用本发明得到的测量的延迟值与真实延迟值之间的比较，网络条件是动态改变的，首先是很小量的网络延迟，然后我们突然增加网络流量，使网络的延迟上升，然后持续一段时间再去掉网络流量，如此反复。所得到的结果如图6所示，其中小圆点为真实的延迟值，小三角形为利用本发明测量的延迟值，连线表示两者随时间的变化规律，从图中展示的结果可以看到，本发明得到的测量结果不仅和真实结果非常接近，而且还能适应网络环境的动态变化，即使网络环境不断变化，本发明也能得到令人满意的正确结果。

Claims (4)

1.基于LLDP的SDN网络链路延迟测量方法，使用基于OpenFlow协议的SDN网络中链路层发现协议LLDP进行交换机之间点到点的链路延迟测量，其特征在于，

首先，利用基于OpenFlow协议的SDN网络的特点，控制器具有全局网络视图的能力，根据网络环境的变化，实时的掌握网络最新的网络拓扑结构，为了实现控制器的全局网络视图能力，控制器要周期性的向与其相连的交换机发送LLDP报文来进行网络拓扑结构的发现和更新；

其次，利用OpenFlow协议本身的Echo消息，实现控制器到交换机以及交换机到控制器之间链路的延迟测量，运用Echo消息得到的测量结果对通过LLDP报文得到的链路延迟进行修正，能够提高测量的准确性；

具体过程为：

第一、在LLDP报文中增加一个TLV数据单元，其携带了当前系统的时间戳，把含有此数据单元的LLDP报文封装为Packet-Out消息，在控制器进行链路发现时，会把此消息通过OpenFlow协议中的安全通道发送给与其相连的所有的OpenFlow交换机；

第二、当其中一个交换机Switch X收到来自控制器的LLDP报文，它就会通过广播的方式把此报文发送给除控制器以外的所有与之相连的设备，这样与其相连的所有的交换机就会收到来自此交换机Switch X的LLDP报文，以一个与Switch X相连的交换机Switch Y为例说明，当Switch Y收到LLDP报文之后会查找本地流表，因为OpenFlow交换机没有可用于转发LLDP报文的流表项，所以Switch Y就会按照OpenFlow协议规定，将LLDP报文封装为Packet-In消息发送给控制器；

第三、控制器在收到此LLDP报文之后，就会知道这两个交换机之间存在链路，可以进行数据包的传送，同时也会提取加入的时间戳，与当前时间一块进行计算，就能得到此LLDP报文从发送到收回整个过程，在网络中所经历的时延；

第四、为了得到更加准确的测量结果，控制器还需要知道从控制器到交换机的时延，在OpenFlow协议中有一种消息正好可以做到这样的事情，就是Echo消息，控制器通过向交换机发送带有时间戳的Echo Request消息到交换机，交换机在收到此消息之后会返回给控制器一个Echo Reply消息，当控制器收到返回来的消息之后，会根据其携带的时间戳和当前的系统时间进行计算，得到此消息往返的时延，此时延的一半即为控制器到交换机的传播时延或者交换机到控制器的传播时延；

第五、控制器根据三次得到的时延，一个为LLDP报文在网络中的传播时延，一个为控制器到交换机的传播时延和交换机到控制器的传播时延，把得到的这些时延进行计算，就可以间接得到LLDP报文在两个交换机之间的链路延迟。

2.根据权利要求1所述的基于LLDP的SDN网络链路延迟测量方法，其特征在于，所述方法需要在LLDP报文中增加一个TLV数据单元，具体包括：

LLDP报文格式中有一个LLDPDU字段，此字段为TLV数据单元的集合，包含了LLDP中不可缺少的TLV，可选择的TLV以及自己定义的TLV数据单元，TLV数据单元的数据格式为：Type字段为数据单元的标识ID，取值为0-127，不可重复，Length字段为数据单元中所携带有用信息的长度，即Value字段的值的大小，取值范围为0-511，Value字段的值即为此TLV数据单元所携带的有用的信息，

为所增加的数据单元命名为：Latency-Tag，Type的值设定为10，Length的值根据Value的长度自行设定，Value携带的有用信息为当前系统时间，精确到纳秒并把其数据类型转换为字符数组保存到Value字段当中，将Latency-Tag数据单元增加到LLDPDU当中，随着LLDP报文一起在网络中传输，

把当前的系统时间精确到纳秒级并转化成字符数组存储到Value字段当中，当控制器收到LLDP报文的时，让控制器解析出这个字段，并和当前的系统时间相比较，计算出此LLDP报文在网络中的传播时延：

。

3.根据权利要求1所述的基于LLDP的SDN网络链路延迟测量方法，其特征在于，所述利用OpenFlow协议中的Echo消息得到控制器到交换机之间的传播延迟，具体包括：

为了得到控制器到交换机之间的链路延迟，传统的做法是控制器要向交换机发送一个具有探测性质的数据包，但是在基于OpenFlow协议的SDN网络中已经有一个可以实现此功能的消息，即Echo消息，此消息的特点为是由控制器发送出去时称为Echo Request 消息，当交换机接收到此消息后会把此消息返回到控制器，此时返回的消息称为Echo Reply消息，

把当前的系统时间精确到纳秒并转化为字符串数据类型写入Echo Request消息中，控制器会周期性发送Echo Request消息到交换机获取交换机和链路的一些信息，此时携带时间戳的Echo Request消息就会被发送给交换机，交换机会把此消息作为Echo Reply消息返回给控制器，这样控制器就可以根据此消息中之前写入的时间戳和当前的系统时间计算出控制器到交换机之间的传播时延，然后把数据保存用以校正使用LLDP报文的传播时延，得到两个交换机之间的链路延迟。

4.根据权利要求1所述的基于LLDP的SDN网络链路延迟测量方法，其特征在于，所述两个交换机之间链路延迟的计算方法是，控制器写入到Echo Request消息的时间戳为，控制器收到Switch X返回Echo Reply消息时的系统时间为，控制器到Switch X的链路延迟时间，公式表示为：

同理可以得到Switch Y到控制器的时间延迟，公式表示为：

最后，基于以上工作，得到Switch X到Switch Y之间的链路延迟为，公式表示为：

。