CN106230652A - 基于OpenFlow协议的SDN网络性能测量方法 - Google Patents

基于OpenFlow协议的SDN网络性能测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于OpenFlow协议的SDN网络性能测量方法，该方法首选以初始查询的时间间隔采集网络中某条流f的最后一个交换机的字节计数器的值，确定前时间间隔网络的吞吐量；根据当前时间间隔网络中的吞吐量变化率与吞吐量变化率上限阈值和下限阈值的关系，确定更新方式，对时间间隔进行更新，直至SDN网络性能测量时间，得到测量的网络吞吐量、网络丢包率以及网络延时。本发明加入了自适应采样算法，提高了路径延时测量的准确性。

Description

基于OpenFlow协议的SDN网络性能测量方法
技术领域
本发明属于软件定义网络技术领域，具体涉及一种基于OpenFlow协议的SDN网络性能测量方法。
背景技术
随着信息产业的快速发展，海量的数据信息和人们对信息质量的要求越来越高，因此网络的处理能力也需要极大的提高。软件定义SDN(Software Defined Network，SDN)网络把控制层与数据层分离、集中和全局控制、开放的编程接口、网络虚拟化等优点而得到长足地发展。控制和测量是SDN管理的两个核心。虽然测量对SDN性能分析十分重要，但是现在国内外对SDN测量的研究比较少。现阶段对SDN测量的研究主要包括构建支持OpenFlow协议和其他协议的SDN测量架构。支持OpenFlow协议的SDN测量架构研究主要包括对每个流进行统计来评估流量矩阵，测量每个流的吞吐量、延时、丢包率、链路利用等。但是这些测量架构存在精确度低、网络开销较大等缺点。其他协议的SDN测量架构研究主要是利用Sketch收集数据包测量以及存储和导出测量数据。它的主要优点是可以允许用更少的内存并灵活地收集数据。但是它采用的是一个新的南向接口协议而不是应用比较广泛的OpenFlow协议，所以部署和实现起来比较困难。因此，如何提高网络测量的精确性，降低网络开销和部署简单是现在SDN网络测量研究的一个重要部分。
相比传统网络，软件定义网络通过控制层面与数据层面分离，软件编程的方式，以网络级的全局视野，由控制器来全局控制网络的数据转发和管理，从而实现方便灵活的网络优化和网络管理功能。但是，现在学术界和产业界对SDN的研究主要集中在SDN控制方面，对SDN测量的研究很少，而SDN业务流的测量对SDN网络管理至关重要。同时，相比传统网络，由于控制器需要以网络全局的观点，以集中控制的方式来执行网络中所有数据的转发和管理，这样往往会造成控制器的性能瓶颈问题，例如出现带宽、负载问题。为此，研究面向软件定义的业务流测量的控制机制是非常具有理论以及现实意义的。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种基于OpenFlow协议的SDN网络性能测量方法。
本发明的技术方案是：
一种基于OpenFlow协议的SDN网络性能测量方法，包括以下步骤：
步骤1：设定SDN网络性能测量时间Tlast、控制器查询的时间间隔下限Td、控制器查询的时间间隔上限Tu、吞吐量变化率上限阈值β1、吞吐量变化率下限阈值β2、控制器初始查询的时间间隔T0；
步骤2：将SDN网络中所有交换机的字节计数器、包计数器、时间间隔计数器设置为零；
步骤3：以控制器初始查询的时间间隔T0作为当前时间间隔采集网络中某条流f的最后一个交换机的字节计数器的值，从而确定当前时间间隔流f的吞吐量，即为当前时间间隔网络的吞吐量；
步骤4：确定当前时间间隔网络中的吞吐量变化率：即当前时间间隔网络的吞吐量与上一时间间隔网络的吞吐量之差的绝对值与当前时间间隔吞吐量的比值；
步骤5：判断当前时间间隔网络中的吞吐量变化率的大小，若当前时间间隔网络中的吞吐量变化率大于吞吐量变化率上限阈值β1，则执行步骤6，若当前时间间隔网络中的吞吐量变化率小于吞吐量变化率下限阈值β2，则执行步骤7，若当前时间间隔网络中的吞吐量变化率大于吞吐量变化率下限阈值β2且小于吞吐量变化率上限阈值β1，当前时间间隔作为更新的时间间隔，则执行步骤8；
步骤6：将当前时间间隔除以一个大于1的常数γ1得到一个新的时间间隔，将新的时间间隔与时间间隔下限Tu的最大值作为更新的下一时间间隔，并更新时间间隔计数器中的值，执行步骤8；
步骤7：将当前时间间隔乘以一个大于1的常数γ2得到一个新的时间间隔，将新的时间间隔与时间间隔上限Tu的最小值作为更新的下一时间间隔，并更新时间间隔计数器中的值；
步骤8：判断当前时刻是否达到SDN网络性能测量时间Tlast，若是，执行步骤9，否则，将更新的下一时间间隔作为当前时间间隔采集网络中流f的字节计数器的值，返回步骤4；
步骤9：当前时间间隔网络的吞吐量即为测量的网络吞吐量，根据当前网络的丢包数目确定测量的网络丢包率，根据网络中控制器发送的消息到达第一个交换机的时间间隔和最后一个交换机返回的消息到达控制器的时间间隔确定网络延时。
可选地，根据网络中控制器发送的消息到达第一个交换机的时间间隔和最后一个交换机发送的消息到达控制器的时间间隔确定网络延时Tdelay的公式如下所示：
Tdelay＝TB-TA-(RRT1+RRT2)/2+ζ2；
其中，TB为网络中控制器发送消息给第一个交换机的时刻，TA为最后一个交换机返回消息给控制器的时刻，RRT1控制器发送的消息到达第一个交换机的时间间隔，RRT2为网络中最后一个交换机发送的消息到达控制器的时间间隔，ζ2为时延门限值。
本发明的有益效果：
针对现有网络测量方法的不足，本发明提出了一种基于OpenFlow协议的SDN网络性能测量方法，它可以测量每个流的吞吐量、延时、丢包率等。为了降低网络开销，本发明加入了自适应采样算法。为了提高路径延时测量的准确性，本文加入了延时门限值来更好地评估路径延时。此外，本专利定性地考虑精确度和开销与时间、最小轮询时间、网络规模之间的关系。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中软件定义网络测量平台示意图；
图2为本发明具体实施方式中包括3个交换机的环形拓扑结构示意图；
图3为本发明具体实施方式中线性结构示意图；
图4为本发明具体实施方式中包括5个交换机的环形拓扑结构示意图；
图5为本发明具体实施方式中OpenFlow消息传递示意图；
图6为本发明具体实施方式中基于OpenFlow协议的SDN网络性能测量方法的流程图；
图7为本发明具体实施方式中网络延时示意图；
图8为本发明方法测得的吞吐量与Iperf测量方法得到的吞吐量的仿真图；
图9为本发明方法得到的吞吐量变化率与OpenNetMon平台的测量方法得到的吞吐量变化率的仿真图；
图10为本发明方法得到的丢包率与OpenNetMon平台的测量方法得到的丢包率的仿真图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细说明。
本实施方式中，根据OpenFlow协议在Linux环境下使用mininet+POX控制器来模拟SDN网络，即搭建一个测量平台如图1所示，设置网络拓扑，配置网络参数，设置的网络拓扑结构如图2、图3、图4所示，图2为包括3个交换机的环形拓扑结构示意图，其中，S1、S2、S3为交换机，h1、h2、h3、h4、h5、h6、h7、h8、h9为各交换机下的主机；图3为线性结构示意图，S1、S2、S3、S4为交换机，h1、h2、h3、h4为各交换机下的主机；图4为包括5个交换机的环形拓扑结构示意图，其中，Sw-1、Sw-2、Sw-3、Sw-4、Sw-5为交换机，h1、h2、h3、h4、h5为各交换机下的主机。
本发明测量平台部署在POX控制器上，采用现阶段工业界和学术界广泛应用的南向接口OpenFlow协议，这将降低OpenFlow消息，如图5所示，控制器向交换机发送FlowStatsRequest信息，查询流的信息，作为回复，交换机向控制器发送FlowStatsReply消息或者FlowRemoved消息，FlowRemoved消息包含测量流的信息包括：字节计数器，数据包计数器，时序时间等等，本发明方法就是根据该信息流来评估SDN性能即吞吐量、延时、丢包率。
本发明的技术方案是：
一种基于OpenFlow协议的SDN网络性能测量方法，如图6所示，包括以下步骤：
步骤1：设定SDN网络性能测量时间Tlast、控制器查询的时间间隔下限Td、控制器查询的时间间隔上限Tu、吞吐量变化率上限阈值β1、吞吐量变化率下限阈值β2、控制器初始查询的时间间隔T0。
本实施方式中，设定的SDN网络性能测量时间Tlast＝2000s，控制器查询的时间间隔下限Td＝1s，控制器查询的时间间隔上限Tu＝30s，吞吐量变化率上限阈值β1＝20％，吞吐量变化率下限阈值β2＝50％，控制器初始查询的时间间隔T0＝1s。
步骤2：将SDN网络中所有交换机的字节计数器、包计数器、时间间隔计数器设置为零。
步骤3：以控制器初始查询的时间间隔T0作为当前时间间隔采集网络中某条流f的最后一个交换机的字节计数器的值，从而确定当前时间间隔流f的吞吐量，即为当前时间间隔网络的吞吐量。
本实施方式中，当前时刻某条流f的最后一个交换机的时间计数器的值与上一时刻该交换机的时间计数器的值的差即为当前的时间间隔，当前时间间隔内的字节数为当前时刻流f的最后一个交换机的字节计数器的值与上一时刻该交换机的字节计数器的值的差，当前时间间隔流f的吞吐量为当前时间间隔的字节数与当前时间间隔的比值。
步骤4：确定当前时间间隔网络中的吞吐量变化率：即当前时间间隔网络的吞吐量与上一时间间隔网络的吞吐量之差的绝对值与当前时间间隔吞吐量的比值。
步骤5：判断当前时间间隔网络中的吞吐量变化率的大小，若当前时间间隔网络中的吞吐量变化率大于吞吐量变化率上限阈值β1，则执行步骤6，若当前时间间隔网络中的吞吐量变化率小于吞吐量变化率下限阈值β2，则执行步骤7，若当前时间间隔网络中的吞吐量变化率大于吞吐量变化率下限阈值β2且小于吞吐量变化率上限阈值β1，当前时间间隔作为更新的时间间隔，则执行步骤8。
步骤6：将当前时间间隔除以一个大于1的常数γ1得到一个新的时间间隔，将新的时间间隔与时间间隔下限Tu的最大值作为更新的下一时间间隔，并更新时间间隔计数器中的值，执行步骤8。
本实施方式中，γ1＝1.5。
步骤7：将当前时间间隔乘以一个大于1的常数γ2得到一个新的时间间隔，将新的时间间隔与时间间隔上限Tu的最小值作为更新的下一时间间隔，并更新时间间隔计数器中的值。
本实施方式中，γ2＝2。
步骤8：判断当前时刻是否达到SDN网络性能测量时间Tlast，若是，执行步骤9，否则，将更新的下一时间间隔作为当前时间间隔采集网络中流f的字节计数器的值，返回步骤4；
步骤9：当前时间间隔网络的吞吐量即为测量的网络吞吐量，根据当前网络的丢包数目确定测量的网络丢包率，根据网络中控制器发送的消息到达第一个交换机的时间间隔和最后一个交换机返回的消息到达控制器的时间间隔确定网络延时。
本实施方式中，如图7所示，网络延时Tdelay的公式如式(1)所示：
Tdelay＝TB-TA-(RRT1+RRT2)/2+ζ2 (1)
其中，TB为网络中控制器发送消息给第一个交换机的时刻，TA为最后一个交换机返回消息给控制器的时刻，RRT1控制器发送的消息到达第一个交换机的时间间隔，RRT2为网络中最后一个交换机发送的消息到达控制器的时间间隔，ζ2为时延门限值为[-0.004，0.004]。
本实施方式中，图8为本发明方法测得的吞吐量与Iperf测量方法得到的吞吐量，由图8可知，本专利方法测量的吞吐量与Iperf测量的吞吐量相同，因此，本专利方法可以反映出吞吐量的真实情况。
图9为本发明方法得到的吞吐量变化率与OpenNetMon平台的测量方法得到的吞吐量变化率，由图9可知，OpenNetMon平台的测量方法得到的吞吐量变化率比较大，容易出现峰值较大的情况。
图10为本发明方法得到的丢包率与OpenNetMon平台的测量方法得到的丢包率的仿真图，由图10可知，本发明方法得到的丢包率与OpenNetMon平台的测量方法得到的丢包率都比较接近真实值0.02，本发明方法得到的丢包率均值为0.0200、丢包的均方根误差为0.0027，OpenNetMon平台的测量方法得到的丢包率均值为0.0177、丢包的均方根误差为0.0034，因此，本发明方法测量的丢包率值与真实值0.02更接近，虽然本发明方法测量的丢包率高于0.02，OpenNetMon平台的测量方法的丢包率平均值低于0.02，但是本发明方法的丢包率与标准值0.02更接近，其中，本发明方法的均方根误差小于OpenNetMon平台的测量方法，所以本发明方法丢包率与真实值更接近。

Claims (2)

1.一种基于OpenFlow协议的SDN网络性能测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：设定SDN网络性能测量时间Tlast、控制器查询的时间间隔下限Td、控制器查询的时间间隔上限Tu、吞吐量变化率上限阈值β1、吞吐量变化率下限阈值β2、控制器初始查询的时间间隔T0；
步骤2：将SDN网络中所有交换机的字节计数器、包计数器、时间间隔计数器设置为零；
步骤3：以控制器初始查询的时间间隔T0作为当前时间间隔采集网络中某条流f的最后一个交换机的字节计数器的值，从而确定当前时间间隔流f的吞吐量，即为当前时间间隔网络的吞吐量；
步骤4：确定当前时间间隔网络中的吞吐量变化率：即当前时间间隔网络的吞吐量与上一时间间隔网络的吞吐量之差的绝对值与当前时间间隔吞吐量的比值；
步骤5：判断当前时间间隔网络中的吞吐量变化率的大小，若当前时间间隔网络中的吞吐量变化率大于吞吐量变化率上限阈值β1，则执行步骤6，若当前时间间隔网络中的吞吐量变化率小于吞吐量变化率下限阈值β2，则执行步骤7，若当前时间间隔网络中的吞吐量变化率大于吞吐量变化率下限阈值β2且小于吞吐量变化率上限阈值β1，当前时间间隔作为更新的时间间隔，则执行步骤8；
步骤6：将当前时间间隔除以一个大于1的常数γ1得到一个新的时间间隔，将新的时间间隔与时间间隔下限Tu的最大值作为更新的下一时间间隔，并更新时间间隔计数器中的值，执行步骤8；
步骤7：将当前时间间隔乘以一个大于1的常数γ2得到一个新的时间间隔，将新的时间间隔与时间间隔上限Tu的最小值作为更新的下一时间间隔，并更新时间间隔计数器中的值；
步骤8：判断当前时刻是否达到SDN网络性能测量时间Tlast，若是，执行步骤9，否则，将更新的下一时间间隔作为当前时间间隔采集网络中流f的字节计数器的值，返回步骤4；
步骤9：当前时间间隔网络的吞吐量即为测量的网络吞吐量，根据当前网络的丢包数目确定测量的网络丢包率，根据网络中控制器发送的消息到达第一个交换机的时间间隔和最后一个交换机返回的消息到达控制器的时间间隔确定网络延时。
2.根据权利要求1所述的基于OpenFlow协议的SDN网络性能测量方法，其特征在于，根据网络中控制器发送的消息到达第一个交换机的时间间隔和最后一个交换机发送的消息到达控制器的时间间隔确定网络延时Tdelay的公式如下所示：
Tdelay＝TB-TA-(RRT1+RRT2)/2+ζ2；
其中，TB为网络中控制器发送消息给第一个交换机的时刻，TA为最后一个交换机返回消息给控制器的时刻，RRT1控制器发送的消息到达第一个交换机的时间间隔，RRT2为网络中最后一个交换机发送的消息到达控制器的时间间隔，ζ2为时延门限值。
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