CN106130766A - 一种基于sdn技术实现自动化网络故障分析的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于SDN技术实现自动化网络故障分析的系统和方法，系统包括一SDN控制器和多个SDN交换机；所述SDN控制器实现对网络拓扑中的每条链路实时探测和周期探测，并实时监控SDN交换机状态，维护全局的网络拓扑情况；SDN控制器包括：OpenFlow模块、OpenFlow扩展模块、事件模块、拓扑模块、探测模块；所述探测模块又包括实时探测模块、周期探测模块；通过本发明，以便监控整个网络，实现网络故障分析。

Description

一种基于SDN技术实现自动化网络故障分析的系统和方法
技术领域
本发明具体涉及一种自动化网络故障分析的系统和方法，属于网络故障分析领域。
背景技术
随着社交网络、移动互联网、物联网等业务领域的快速发展，大数据(Big Data)正日益成为当前的焦点，其面向的海量数据处理也对网络提出了更高的要求。大数据应用依赖于预先定义好的计算模式，在集中化的管理架构下运行，存在着大量的数据批量传输及相关的聚合/划分操作。数据的聚合和划分通常发生在一台服务器和一个拥有众多服务器的服务器组之间，这也是大数据应用中最典型的网络流量模式。大数据处理过程中的每一次聚合都将导致大量服务器之间的海量数据交换，从而需要极高的网络带宽支持，而如果按照超额认购(oversubscribe)带宽的方式为每台服务器预留网络资源，将导致网络成为瓶颈，同时造成资源浪费。因此，对于大数据业务而言，它更需要对网络进行快速、频繁的实时配置，按需调用网络资源。
但是，传统的网络却难以满足云计算、大数据，以及相关业务提出的灵活的资源需求，这主要是因为它已经过于复杂从而只能处于静态的运作模式。当前，网络中存在着大量各种各样的互不相干的协议，它们被用于在不同间隔距离、不同链接速度、不同拓扑架构的网络主机之间建立网络连接。因为历史原因，这些协议的研发和应用通常是彼此隔离的，每个协议通常只是为了解决某个专门的问题而缺少对共性问题的抽象，这就导致了当前网络中的复杂性。正是因为上述的复杂性，传统网络通畅都是维持在相对静态的状态，网络管理员通常都要尽可能地减少网络的变动以避免服务中断的风险。
在这一背景下，SDN(软件定义网络)的概念被大家广泛接受和认同。逻辑上集中的控制层面能够支持网络资源的灵活调度，灵活的开放接口能够支持网络能力的按需调用，标准统一的南向接口能够实现网络设备的虚拟透明。这都有助于SDN去改变网络的静态化现状，并与以服务器领域为代表的动态化趋势相吻合，能够有力地为云计算、大数据，以及更多的创新业务提供网络支持。
在网络中SDN交换机除了彼此之间存在SDN数据通道用于转发数据报文外，还通过一条独立的SDN管理通道和SDN控制器建立连接。当SDN交换机收到首个数据报文后，会将报文上送给SDN控制器，SDN控制器经过一定的计算，告知SDN交换机如何进一步处理该报文，是丢弃、限流、还是从哪个端口发送出去。
然而，当网络中SDN交换机的数量达到一定的量级后，并且每个SDN交换机上的流表数量众多，此时，整个网络的故障分析就显的非常必要和重要。唯有如此，管理员才能及时知道网络状况并对之加以管理。然而，现有技术还没有一套有效、完整的方案解决该问题，但是现如今存在对SDN网络故障分析的方法及装置。例如：中国专利申请《一种SDN网络故障分析的方法及装置》(杭州华三通信技术有限公司.CN104796298/2015)。
现有技术的缺点：一种SDN网络故障分析的方法及装置，首先，它是在已知业务的路径下，给路径上的每个SDN交换机上创建的实例生成一个检测器，然后将构造好的探测报文从测试起点开始，按照业务流路径传输到业务流测试终点执行对所述业务流路径的故障探测，导致场景应用比较单一。其次，他探测结果只有单一只有“可达”，“不可达”或“未知”，只能让网络管理员知道链路状态，不能知道链路状况(延时、丢包、带宽等信息)，不能对链路进行调度。
本发明在网络下对网络链路进行实施和周期探测获取链路信息，当链路或者设备发生故障的时候，可以上报给控制器，控制器进行处理。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的上述问题，提出一种网络故障分析的系统和方法，具体提供一种基于SDN技术实现自动化网络故障分析的系统，其包括一SDN控制器和多个SDN交换机，其中，多个SDN交换机之间相互连接，SDN控制器和SDN交换机之间通过添加的拓展接口交互；所述SDN控制器实现对网络拓扑中的每条链路实时探测和周期探测，并实时监控SDN交换机状态，维护全局的网络拓扑情况，以便监控整个网络，实现网络故障分析；
SDN控制器包括：OpenFlow模块、OpenFlow扩展模块、事件模块、拓扑模块、探测模块；所述探测模块又包括实时探测模块、周期探测模块；
所述OpenFlow模块，用于实现SDN交换机和SDN控制器之间的连接，且满足OpenFlow协议标准；
所述OpenFlow扩展模块，用于扩展OpenFlow协议以实现SDN控制器下发探测报文到SDN交换机、SDN交换机上报探测结果到SDN控制器以及获取SDN交换机基本信息；
所述事件模块，用于监控SDN交换机的状态，当SDN交换机出现故障时，会触发事件，事件模块记录问题，定位问题；
所述拓扑模块，用于SDN控制器保存所有SDN交换机信息、SDN交换机之间链路信息；
所述实时探测模块和周期探测模块，用于实时获取所有链路的相关信息，以得到实时探测报文和周期探测报文；
其中，SDN交换机上传探测报文到SDN控制器，SDN控制器获取探测信息，如果链路的延时、丢包、带宽超过阀值就记录该链路为故障状态；
SDN交换机触发一个事件给SDN控制器，SDN控制器会记录出现故障的SDN交换机。
优选的，在实时探测报文中需要包括以下参数：源交换机的DPID、出口网口号、出口IP、目的IP、探测的协议、目的端口、发包间隔、探测发包个数以及设置的超时时间；在周期探测报文中需要包括以下参数：源交换机的DPID、出口网口号、出口IP、目的IP、每次探测的周期间隔以及探测发包的个数。
优选的，所述事件模块还用于通知SDN控制器处理SDN交换机UP和SDN交换机DOWN事件，其中，SDN交换机UP事件触发SDN控制器中OpenFlow扩展模块去获取SDN交换机信息，触发SDN控制器中的实时探测模块去获取该SDN交换机到其他SDN交换机链路信息以及设置链路ID；SDN交换机DOWN事件触发SDN控制器记录该SDN交换机和SDN控制器失去连接。
优选的，所述SDN交换机基本信息包括网口号、网口MAC、网口IP。
优选的，实时探测模块和周期探测模块支持ICMP、UDP、DHCP、TCP协议中的任意一种。
还提供一种基于SDN技术实现自动化网络故障分析的方法，其应用于基于SDN技术实现自动化网络故障分析的系统，所述系统包括一SDN控制器和多个SDN交换机，其中，多个SDN交换机之间相互连接，SDN控制器和SDN交换机之间通过添加的拓展接口交互；所述SDN控制器实现对网络拓扑中的每条链路实时探测和周期探测，并实时监控SDN交换机状态，维护全局的网络拓扑情况，以便监控整个网络，实现网络故障分析，所述方法包括：
SDN控制器对整个网络下的SDN交换机都下发周期探测，探测的协议包括ICMP、UDP、DHCP、TCP；当所述SDN控制器创建探测报文成功后，SDN交换机就会返回相应的探测结果给SDN控制器，SDN控制器中的拓扑模块首先会做基本的链路筛选，如果该链路延时过大、或者丢包严重超过阀值，该模块就会删除该链路，对于探测结果符合要求的链路，该模块会追加下发一条周期探测策略以及设置链路ID，同时会有一个线程每隔10秒获取相应链路的信息更新在链路表中；
所述方法还包括：通过SDN控制器的OpenFlow扩展模块以及探测模块和SDN交换机交互，实现对SDN全局网络的监控，其中，当出现链路的延时、丢包、带宽超过阀值时，探测报文由SDN交换机上传到SDN控制器，SDN控制器获取探测信息，并记录该链路为故障状态；当SDN交换机出现故障时，SDN交换机会触发一个DOWN事件给SDN控制器，SDN控制器会记录出现故障的SDN交换机。
本发明具有以下明显优点：
1、适应性强
本发明中采用SDN交换机UP事件触发实时探测，通过实时探测去获取SDN交换机之间链路信息。不需要在已知业务的路径下前提下进行，适应性更强。
2、可靠性强
本发明中采用的实时探测和周期探测模块可以探测链路的延时(ms)、丢包率(％)、抖动等信息，不再只是“可达”，“不可达”或“未知”，知晓链路信息更加完整和准确。
3、扩展性强
本发明中事件模块独立出来，当SDN交换机UP的时候，SDN控制器需要添加更多业务的时候，可以在UP事件中直接添加业务功能；当SDN交换机DOWN的时候，SDN控制器需要处理其他情况的时候，可以在DOWN事件中直接添加需要处理的功能。。
附图说明
图1是本发明系统图。
图2是本发明链路故障分析图。
图3是本发明SDN交换机断开故障分析流程图。
图4是本发明SDN控制器结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
参见图1、图4，系统包括一SDN控制器和多个SDN交换机，其中，多个SDN交换机之间相互连接，SDN控制器和SDN交换机之间通过添加的拓展接口交互；所述SDN控制器实现对网络拓扑中的每条链路实时探测和周期探测，并实时监控SDN交换机状态，维护全局的网络拓扑情况，以便监控整个网络，实现网络故障分析；
SDN控制器包括：OpenFlow模块、OpenFlow扩展模块、事件模块、拓扑模块、探测模块；所述探测模块又包括实时探测模块、周期探测模块；。
SDN控制器和SDN交换机之间主要通过添加的拓展接口交互，实现对网络拓扑中的每条链路实施实时探测和周期探测，通过事件模块实时监控SDN交换机状态，在SDN控制器中维护全局的网络拓扑情况，以便监控整个网络环境。
所述发明中OpenFlow模块实现SDN交换机和SDN控制器之间的连接，流表下发等操作，满足OpenFlow协议标准。
所述发明中OpenFlow扩展模块用于扩展OpenFlow协议实现SDN控制器下发探测报文到SDN交换机以及SDN交换机上报探测结果到SDN控制器以及获取SDN交换机基本信息(网口号、网口MAC、网口IP)。
所述发明中事件模块实现SDN交换机和SDN控制器之间的连接心跳连接，用以监控SDN交换机的状态，满足OpenFlow协议标准。
所述发明中实时探测模块和周期探测模块支持ICMP、UDP、DHCP、TCP等协议中的任意一种，在实时探测报文的中需要制定以下参数：
源交换机的DPID、出口网口号、出口IP，以及目的IP，探测的协议如ICMP，目的端口(仅当method为TCP或UDP时有效)，发包间隔，探测发包个数，还可以设置超时时间。
在周期探测报文中需要制定以下参数：
源交换机的DPID、出口网口号、出口IP，以及目的IP，每次探测的周期间隔，以及探测发包的个数。
所述发明中拓扑模块用于控制器保存所有SDN交换机信息、SDN交换机之间链路信息等。
所述发明中事件模块用于SDN控制器处理SDN交换机UP和SDN交换机DOWN事件。
SDN交换机UP事件触发SDN控制器中OpenFlow扩展模块去获取SDN交换机信息；触发SDN控制器中的实时探测模块去获取该SDN交换机到其他SDN交换机链路信息以及设置链路ID。
SDN交换机DOWN事件触发SDN控制器中记录该SDN交换机和SDN控制器失去连接。
核心有两点：通过SDN控制器的OpenFlow拓展消息模块、事件模块以及探测模块和SDN交换机交互，实现对SDN全局网络的监控。。
还提供一种基于SDN技术实现自动化网络故障分析的方法。
参见图1所示，本发明的控制器会对整个网络下的SDN交换机都下发周期探测。探测的协议不限于ICMP、UDP、DHCP、TCP。当所述的SDN控制器创建探测报文成功后，SDN交换机就会返回相应的探测结果给控制器，控制器中的拓扑管理模块首先会做基本的链路筛选，如果该链路延时过大，或者丢包严重超过阀值，该模块就会删除该链路，对于探测结果符合要求的链路，该模块会追加下发一条周期探测策略以及设置链路ID，同时会有一个线程每隔10秒获取相应链路的信息更新在链路表中。本发明通过这一系列模块间的组合操作，实现对SDN网络全局的监控，为自动化故障分析服务。
本发明中，通过SDN控制器的Openflow拓展消息模块以及探测模块和SDN交换机交互，实现对SDN全局网络的监控。有两种情况会被该系统视为故障情况：
1、链路的延时、丢包、带宽等超过阀值。
2、网关宕掉，触发了DOWN事件。
当情况1出现时，流程如图2所示，首先探测报文由SDN交换机上传到控制器，SDN控制器获取探测信息，如果链路的延时、丢包、带宽等超过阀值就记录该链路为故障状态。
当情况2出现时，流程如图3所示，首先是该SDN交换机会触发一个DOWN事件给控制器，SDN控制器会记录出现故障的SDN交换机。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于SDN技术实现自动化网络故障分析的系统，其包括一SDN控制器和多个SDN交换机，其中，多个SDN交换机之间相互连接，SDN控制器和SDN交换机之间通过添加的拓展接口交互；所述SDN控制器实现对网络拓扑中的每条链路实时探测和周期探测，并实时监控SDN交换机状态，维护全局的网络拓扑情况，以便监控整个网络，实现网络故障分析；其特征在于：
SDN控制器包括：OpenFlow模块、OpenFlow扩展模块、事件模块、拓扑模块、探测模块；所述探测模块又包括实时探测模块、周期探测模块；
所述OpenFlow模块，用于实现SDN交换机和SDN控制器之间的连接，且满足OpenFlow协议标准；
所述OpenFlow扩展模块，用于扩展OpenFlow协议以实现SDN控制器下发探测报文到SDN交换机、SDN交换机上报探测结果到SDN控制器以及获取SDN交换机基本信息；
所述事件模块，用于监控SDN交换机的状态，当SDN交换机出现故障时，会触发事件，事件模块记录问题，定位问题；
所述拓扑模块，用于SDN控制器保存所有SDN交换机信息、SDN交换机之间链路信息；
所述实时探测模块和周期探测模块，用于实时获取所有链路的相关信息，以得到实时探测报文和周期探测报文；
其中，SDN交换机上传探测报文到SDN控制器，SDN控制器获取探测信息，如果链路的延时、丢包、带宽超过阀值就记录该链路为故障状态；
SDN交换机触发一个事件给SDN控制器，SDN控制器会记录出现故障的SDN交换机。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在实时探测报文中需要包括以下参数：源交换机的DPID、出口网口号、出口IP、目的IP、探测的协议、目的端口、发包间隔、探测发包个数以及设置的超时时间；在周期探测报文中需要包括以下参数：源交换机的DPID、出口网口号、出口IP、目的IP、每次探测的周期间隔以及探测发包的个数。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述事件模块还用于通知SDN控制器处理SDN交换机UP和SDN交换机DOWN事件，其中，SDN交换机UP事件触发SDN控制器中OpenFlow扩展模块去获取SDN交换机信息，触发SDN控制器中的实时探测模块去获取该SDN交换机到其他SDN交换机链路信息以及设置链路ID；SDN交换机DOWN事件触发SDN控制器记录该SDN交换机和SDN控制器失去连接。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述SDN交换机基本信息包括网口号、网口MAC、网口IP。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，实时探测模块和周期探测模块支持ICMP、UDP、DHCP、TCP协议中的任意一种。
6.一种基于SDN技术实现自动化网络故障分析的方法，其应用于基于SDN技术实现自动化网络故障分析的系统，所述系统包括一SDN控制器和多个SDN交换机，其中，多个SDN交换机之间相互连接，SDN控制器和SDN交换机之间通过添加的拓展接口交互；所述SDN控制器实现对网络拓扑中的每条链路实时探测和周期探测，并实时监控SDN交换机状态，维护全局的网络拓扑情况，以便监控整个网络，实现网络故障分析，其特征在于，所述方法包括：
SDN控制器对整个网络下的SDN交换机都下发周期探测，探测的协议包括ICMP、UDP、DHCP、TCP；当所述SDN控制器创建探测报文成功后，SDN交换机就会返回相应的探测结果给SDN控制器，SDN控制器中的拓扑模块首先会做基本的链路筛选，如果该链路延时过大、或者丢包严重超过阀值，该模块就会删除该链路，对于探测结果符合要求的链路，该模块会追加下发一条周期探测策略以及设置链路ID，同时会有一个线程每隔10秒获取相应链路的信息更新在链路表中；
所述方法还包括：通过SDN控制器的OpenFlow扩展模块以及探测模块和SDN交换机交互，实现对SDN全局网络的监控，其中，当出现链路的延时、丢包、带宽超过阀值时，探测报文由SDN交换机上传到SDN控制器，SDN控制器获取探测信息，并记录该链路为故障状态；当SDN交换机出现故障时，SDN交换机会触发一个DOWN事件给SDN控制器，SDN控制器会记录出现故障的SDN交换机。
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