CN106789648B - 基于内容存储与网络状况的软件定义网络路由决策方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于内容存储与网络状况的软件定义网络路由决策方法，该方案中控制平面的控制器拥有全局网络的信息，并且部分交换机具备内容存储功能，可将热门视频存储在交换机中。控制器根据业务请求特征、当前网络状态信息和内容感知进行路由决策，数据平面的各个交换机根据控制器下发的路由决策结果进行数据传输，实现控制平面与数据平面的分离。同时具备内容存储功能的交换机存储热门视频，当终端发起业务请求时，可以根据既定策略提供相应已在交换机中存储的视频。因此能够减少对网络资源的占用，有效地降低网络延迟，同时避免大量的跨网数据流量、降低网络运营成本从而达到提升整体网络服务性能的目的。

Description

基于内容存储与网络状况的软件定义网络路由决策方法
技术领域
本发明涉及基于内容存储与网络状况的软件定义网络路由决策方法，将部分热点内容缓存到交换机，有效提升整体网络的服务性能，属于通信技术领域。
背景技术
软件定义网络是一种新型网络创新架构，其核心技术SDN控制器与南向接口Openflow协议通过将网络设备控制面与数据面分离，从而实现网络流量的灵活控制，为核心网络及应用的创新提供良好的平台。从路由器的设计上看，它由软件控制和硬件数据通道组成。软件控制包括管理以及路由协议等。数据通道包括针对每个包的查询、交换和缓存。如果将网络中所有的网络设备视为被管理的资源，可以抽象出一个网络操作系统的概念，这个网络操作系统一方面抽象了底层网络设备的具体细节，同时还为上层应用提供了统一的管理视图和编程接口。这样，基于网络操作系统这个平台，用户可以开发各种应用程序，通过软件来定义逻辑上的网络拓扑，以满足对网络资源的不同需求，而无需关心底层网络的物理拓扑结构。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提出基于内容存储与网络状况的软件定义网络路由决策方法，软件定义网络(SDN)控制器能够集中管理网络内的各个交换机的状态信息，各个交换机只需要根据SDN控制器下发的流表对数据包进行转发，实现SDN控制器的路由策略。另外，特定的交换机内部具有内容存储的功能，能够存储近期的热点内容，使得用户可以依据制定的策略请求视频源，减少对网络资源的占用，有效地降低网络延迟同时避免了大量的跨网数据流量、降低网络运营成本。
技术方案如下：
1.基于内容存储与网络状况的软件定义网络路由决策方法，包括：
(1)基于软件定义网络的体系结构，将数据平面与转发平面相分离，交换机的控制平面集中在SDN控制器中，而交换机仅起到数据转发的功能，实现了集中控制的方式优化网络。SDN控制器将获取到的全局网络状态信息分类，以信息表的形式存储在控制器的物理存储媒介中，当业务请求到来时，将路由选择决策需要的信息从这些信息表中获取，作为路由决策的输入，同时输出的决策结果用来更新相关的信息表，并且通过南向接口Openflow协议将决策的结果流表下发到相应的交换机中；数据平面的交换机根据下发的流表进行数据转发，实现业务请求。
SDN控制器存储的信息表的说明以及每张表中关键属性包括：
业务请求信息表：Internet能够提供给用户的业务流信息，包含业务的类型、请求内容的关键字、业务的实时性、传输速率、优先级、数据包大小属性；
交换机信息表：代表每个交换机的一些参数属性和可用资源，如交换机的Mac地址，IP地址，端口发送(接收)的字节数和包数以及可用带宽；
客户端信息表:代表每个连接到网络中的终端的参数属性，如客户端的Mac地址，IP地址；
拓扑管理表：代表底层的客户端和交换机的连接关系，并把这些连接关系抽象为映射表，建立二者之间连接关系的映射并且形成一个网络拓扑，清晰地显示网络中的终端设备与交换机之间连接状态；
内容存储信息表：代表每个交换机内部具有内容存储的功能，存储的热门内容的关键词会与对应的交换机相关联并存储在此表中，如<交换机ID，内容关键词>；
交换机流表：代表根据业务请求的路由决策结果、决策结果向交换机流表的转换与存储更新，并且更新相关的交换机内部的流表。
(2)基于热点内容的交换机存储机制
交换机通过外接存储设备实现了热点内容的存储功能，根据近期热点内容在特定的交换机中存储热点视频内容，使得在有业务请求到来时，控制器能够解析出请求所需要的热点内容，并且可以判断在其网络下的交换机中是否存在此内容。能够减少对网络资源的占用，有效地降低网络延迟同时避免了大量的跨网数据流量、降低网络运营成本。具体步骤如下：
步骤2-1：交换机优先发送优先级别高的业务给软件定义网络(SDN)控制器，进行步骤2-2；未发送的业务进行等待计时。若等待时间小于容忍时间，则继续等待；若等待时间大于容忍时间，则将此业务请求优先级提升。
步骤2-2：控制器对交换机发送的业务请求包进行解析，获取业务请求所需的热点内容关键词，得到信息如<业务请求ID，内容关键字>。跳转至步骤2-3；
步骤2-3：软件定义网络(SDN)控制器根据内容存储信息表对业务请求热点内容进行匹配，将匹配到的交换机形成一个集，如<switch1，switch2...>，跳转至步骤2-4。若没有匹配的交换机，则根据路由选择策略将业务请求发送给目的地；
步骤2-4：根据交换机信息表，查看步骤2-3选取的交换机集中的每个交换机的状态，依据全局网络负载均衡状况选取一个合适的交换机，并且根据路由选择策略制定路由，跳转至步骤2-5；
步骤2-5：根据步骤2-4路由选择策略所选取的路由，生成对应的流表并存储在控制器的交换机流表中，下发流表到路由相应的交换机中，使得业务请求能够正常传输。
(3)基于负载均衡的路由选择策略，具体步骤如下：
步骤3-1：根据控制器中的信息计算链路利用率l；
步骤3-2：根据软件定义网络(SDN)控制器中的交换机信息表，依据如下为每条链路计算链路权重值。其中l代表链路利用率，N代表某条链路发送端传输队列的最大容量，n代表链路发送端传输队列长度。跳转至步骤3-3；
步骤3-3：在业务请求终端和目的节点之间有很多路径，以最小链路权重和为优化目标，根据各个路径的链路权重值和，利用软件定义网络(SDN)控制器在其中选取出一条最优路径；
步骤3-4：根据选取的最优路径，生成对应的流表项，通过南向接口Openflow下发的相应的交换机中，使得业务请求的资源通过交换机传输到业务请求终端上。
有益效果
本发明提出基于内容存储与网络状况的软件定义网络路由决策方法，其中软件定义网络(SDN)控制器能够拥有全局的网络状态信息，包括交换机信息，客户端信息，以及网络中的终端连接拓扑图，能够实现有效的路由优化策略；数据平面的交换机具有数据转发的功能，按照软件定义网络(SDN)控制器下发的流表进行数据的转发。并且在特定的交换机内部具有热点内容存储的功能，SDN控制器能够根据请求端业务请求的内容来进行匹配，若匹配成功能够为其提供交换机内容，减少对网络资源的占用，有效地降低网络延迟同时避免了大量的跨网数据流量、降低网络运营成本。
附图说明
图1本发明的整体系统框架图；
图2本发明基于热点内容存储的交换机流程图；
图3本发明的交换机路由策略流程图。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施方式，对本发明做详细描述。
一、如图1所示，本发明基于软件定义网络的体系结构，将数据平面与转发平面相分离，交换机的控制平面集中在SDN控制器中，而交换机仅起到了数据转发的功能，实现了集中控制的方式优化网络。SDN控制器将获取到的全局网络状态信息分类为信息表存储在控制器的物理存储媒介中，当业务请求到来时，将路由选择决策需要的信息从这些信息表中获取，作为路由决策的输入，同时输出的决策结果用来更新相关的信息表，并且通过南向接口Openflow协议将决策的结果流表下发到相应的交换机中；数据平面的交换机根据下发的流表进行数据转发，实现业务请求。
SDN控制器存储的信息表的说明以及每张表中关键属性包括：
业务请求信息表：Internet能够提供给用户的业务流信息，包含业务的类型、请求内容的关键字、业务的实时性、传输速率、优先级、数据包大小属性；
交换机信息表：代表每个交换机的一些参数属性和可用资源，如交换机的Mac地址，IP地址，端口发送(接收)的字节数和包数以及可用带宽；
客户端信息表:代表每个连接到网络中的终端的参数属性，如客户端的Mac地址，IP地址；
拓扑管理表：代表底层的客户端和交换机的连接关系，并把这些连接关系抽象为映射表，建立二者之间连接关系的映射并且形成一个网络拓扑，能够清晰的明白网络中的终端设备与交换机的连接状态；
内容存储信息表：代表每个交换机内部具有内容存储的功能，存储的热门内容的关键词会与对应的交换机相关联并存储在此表中，如<交换机ID，内容关键词>；
交换机流表：代表根据业务请求的路由决策结果、并将结果转变为交换机流表存储更新，并且更新相关的交换机内部的流表。
二、如图2所示，交换机通过外接存储设备实现了热点内容的存储功能，根据近期热点内容在特定的交换机中存储热点视频内容，使得在有业务请求到来时，控制器能够解析出请求所需要的热点内容，并且可以判断在其网络下的交换机中是否存在此内容。以此能够减少对网络资源的使用，有效地降低网络延迟同时避免了大量的跨网数据流量。
具体步骤为：
步骤1：软件定义网络(SDN)控制器通过向交换机发送带有LLDP的packetout消息，交换机通过相邻节点发送LLDP，相邻的交换机将信息packet in返回给控制器。最终得到交换机信息，并且将其存储为交换机信息表，网络拓扑表和内容存储信息表；
步骤:2：交换机不断接收用户请求，优先处理高优先级的业务，低优先级发送的业务进入等待计时；
步骤3：交换机接收发送业务请求，通过南向接口Openflow协议传送给软件定义网络(SDN)控制器，控制器对其进行解析处理，得到<业务请求ID，内容关键字>；
步骤4：软件定义网络(SDN)控制器通过查询内部的内容存储信息表，对步骤2所得到的<业务请求ID，内容关键字>进行匹配，如果存在匹配的交换机，则将匹配到的交换机ID形成一个集合；否则目的端仍为原请求目的端；
步骤5：根据网络中的状况，在匹配得到的交换机集合中确定一个合适的交换机，并且根据路由选择策略制定路由。
三、如图3所示，在2中所确定的带有内容存储的交换机或者原目的端，根据链路负载均衡确定最优路径。
具体步骤如下：
步骤1：确定网络中的交换机和全局拓扑图，如图1所示的信息表。计算链路的利用率，这些全局网络状况作为决策的输入，并且根据权重计算式计算各个链路的权重值；
步骤2：根据摘要附图中，本SDN网络下有9个交换机，s2是具有内容存储功能的交换机，其他的是普通交换机。交换机s2到与请求网络终端所相连的交换机s9存在5条路径。路径P1为s2-s6-s5-s9；路径P2为s2-s6-s9；路径P3为s2-s6-s7-s8-s9；路径P4为s2-s7-s6-s9；路径P5为s2-s7-s8-s9。得出每个路径的权重值；
步骤3：根据最优化目标，计算出具有最小权重值的路径，当前网络为P2；
步骤4：根据最优路径，生成相应交换机的流表项，并且通过南向接口Openflow协议将流表进行下发，交换机逐个转发完成业务请求。

Claims (1)

1.基于内容存储与网络状况的软件定义网络路由决策方法，其特征在于，包括：
(1)基于软件定义网络的体系结构，将数据平面与转发平面相分离，交换机的控制平面集中在SDN控制器中，SDN控制器将获取到的全局网络状态信息分类，以信息表的形式存储在控制器的物理存储媒介中，当业务请求到来时，将路由选择决策需要的信息从这些信息表中获取，作为路由决策的输入，同时输出的决策结果用来更新相关的信息表，并且通过南向接口Openflow协议将决策的结果流表下发到相应的交换机中；数据平面的交换机根据下发的流表进行数据转发，实现业务请求；
所述的SDN控制器存储的信息表的说明以及每张表中关键属性包括：
业务请求信息表：Internet能够提供给用户的业务流信息，包含业务的类型、请求内容的关键字、业务的实时性、传输速率、优先级、数据包大小属性；
交换机信息表：代表每个交换机的一些参数属性和可用资源，交换机的Mac地址，IP地址，端口发送、的字节数和包数以及可用带宽；
客户端信息表:代表每个连接到网络中的终端的参数属性，客户端的Mac地址，IP地址；
拓扑管理表：代表底层的客户端和交换机的连接关系，并把这些连接关系抽象为映射表，建立二者之间连接关系的映射并且形成一个网络拓扑，显示网络中的终端设备与交换机之间连接状态；
内容存储信息表：代表每个交换机内部具有内容存储的功能，存储的热门内容的关键词会与对应的交换机相关联并存储在此表中，交换机ID，内容关键词；
交换机流表：代表根据业务请求的路由决策结果、决策结果向交换机流表的转换与存储更新，并且更新相关的交换机内部的流表；
(2)基于热点内容的交换机存储机制
交换机通过外接存储设备实现热点内容的存储功能，根据近期热点内容在特定的交换机中存储热点视频内容，当有业务请求到来时，控制器能够解析出请求所需要的热点内容，并且判断在其网络下的交换机中是否存在此内容；
(3)基于负载均衡的路由选择策略；
所述(2)具体为：
步骤2-1)软件定义网络(SDN)控制器通过向交换机发送带有LLDP的packet out消息，交换机通过相邻节点发送LLDP，相邻的交换机将信息packet in返回给控制器；最终得到交换机信息，并且将其存储为交换机信息表，网络拓扑表和内容存储信息表；
步骤2-2)交换机不断接收用户请求，优先处理高优先级的业务，低优先级发送的业务进入等待计时；
步骤2-3)交换机接收发送业务请求，通过南向接口Openflow协议传送给软件定义网络SDN控制器，控制器对其进行解析处理，得到<业务请求ID，内容关键字>；
步骤2-4)软件定义网络SDN控制器通过查询内部的内容存储信息表，对步骤2所得到的<业务请求ID，内容关键字>进行匹配，如果存在匹配的交换机，则将匹配到的交换机ID形成一个集合；否则目的端仍为原请求目的端；
步骤5)根据网络中的状况，在匹配得到的交换机集合中确定一个合适的交换机，并且根据路由选择策略制定路由；
所述(3)基于负载均衡的路由选择策略，具体步骤如下：
步骤3-1)根据控制器中的信息计算链路利用率l；
步骤3-2)根据软件定义网络SDN控制器中的交换机信息表，为每条链路计算链路权重值；其中l代表链路利用率，N代表某条链路发送端传输队列的最大容量，n代表链路发送端传输队列长度；跳转至步骤3-3)；
步骤3-3)在业务请求终端和目的节点之间有很多路径，以最小链路权重和为优化目标，根据各个路径的链路权重值和，利用软件定义网络SDN控制器在其中选取出一条最优路径；
步骤3-4)根据选取的最优路径，生成对应的流表项，通过南向接口Openflow下发的相应的交换机中，使得业务请求的资源通过交换机传输到业务请求终端上。
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