CN107070673B - 基于集中式控制平面的路径状态回报方法 - Google Patents

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本发明提出了一种基于集中式控制平面的路径状态回报方法，可以追踪数据流所流经的实际路径状态，协助网络管理者及其网管应用程序更有效率地分析与排除故障。本发明的设计着重于与其他网络管理应用程序与网络组件的兼容，透过将检测封包的辨别信息填在payload中，因此能在不限制封包header的使用与修改的前提下，获得正确的检测结果。

Description

基于集中式控制平面的路径状态回报方法
技术领域
本发明是有关一种路径状态回报方法，尤指一种符合成本效益，着重于与其他网络管理应用程序与网络组件的兼容，能在不影响其他应用程序的前提下与其结合，组成更完善的检测工具，或是作为网络自我优化之用，并且采用集中式的控制平面路径状态回报演算机制，能够追踪数据流所流经的实际路径，对网络管理者及网管应用程序提供更有效率地分析与排除障碍能力，有效减少了CAPEX(Capital Expenditure_资本性支出)和OPEX(Operating Expenditure_营运性支出)的基于集中式控制平面的路径状态回报方法。
背景技术
在传统网络当中，交换器与路由器除了需要转发封包，亦需要了解网络拓扑，并决定将数据流的封包传递到目的地所需经过的路径。如图1传统网络架构图所示，负责决定路由规则的控制平面11分散在各个交换器与路由器中，网络管理者13若需要自定义路由规则，则必须连入各网络组件中分别设定。
此外，传统网络的各网络组件为了了解网络拓扑等必要信息，需要彼此交换各种信息，如链路层发现协议(Link Layer Discovery Protocol，LLDP)封包，透过交换各自所认知到的网络信息，彼此同步对于网络拓扑与状态的认知，再根据事先定义好的网络协议或路由规则，由网络组件各自决定如何转送收到的封包。
传统网络的问题包含但不限于：
将控制平面分散在硬件资源低落的交换器与路由器中，限制了网络的功能与弹性。
庞大数量的信息交换使得传统网络的运行效率低落。
各网络组件各自决定转发行为的特性，让网络管理者难以有效地侦测网络状态并除错。
由于其分布式的控制平面，传统网络缺乏集中管理的机制，无法提供一个有效的网络管理工具供网络管理者13追踪网络信息以进行除错。在网络出现问题时或因维运而需要获取网络信息时，网络管理者13只能主动取得各交换器或路由器的日志21并分析，或透过远程主机或路由器回传的reply 22封包间接取得网络信息，如图2A-2B传统网络除错方式示意图所示。
当网络规模超过一定程度时，交换器的日志21数量便会难以分析，且网络管理者13无法实时获得所需要的网络信息。此外，由于网络管理者13无法确定封包的路径，只能对所有交换器与路由器的日志21进行分析。另一方面，透过远程主机或路由器所传回的reply22封包所能间接取得的信息类型有限，难以作为维运的有效根据。若因网络状况无法回收端对端的reply 22封包，就无法经由此方式获取所必须的路径与网络信息。
传统网络中最知名的网络除错工具包括ping和traceroute。Ping的运作原理是向目标主机丢出ICMP echo要求，并根据收到的响应封包计算封包的遗失率与往返时间。Ping的缺点是所能取得的网络信息较少，较难只根据其结果进行网络除错。Traceroute可以取得封包在IP网络当中所经过的路由器列表，其运作原理是向网络依序丢出拥有不同存活时间(Time to Live,TTL)值的ICMP要求封包，透过所收回的ICMP超时封包取得路径上各路由器的信息。Traceroute的缺点是只能取得路由器的信息，无法取得路径上的完整信息，如交换器与链结的状态。此外，traceroute的作法会对网络产生较多封包，若路径上共有n个路由器，traceroute则会对路径上的路由器造成共计O(n2)次的转发行为。
2014年，IBM发表了基于软件定义网络(Software-Defined Networking,SDN)架构实作的SDN traceroute。SDN架构将交换器的控制平面与转发平面分离，让网络的管理者能够控管SDN网络中的交换器的流表(Flow table)与转发行为。SDN traceroute会向待测的起点交换器发送检测封包，再透过SDN交换器可程序化的特性，使检测封包每流经一段链结后就复制一份回传给SDN控制器回报状态，借以确认封包在网络中所流经的完整路径信息。
然而，SDN traceroute假设能够保留封包header中一定字段作为回传检测封包之用，禁止网络中所有组件与网管应用程序使用该字段，这种作法是不切实际的。虽然SDNtraceroute的开发者或许可以利用其权限要求所有的应用程序开发者都须遵守此规范，但仍会导致所控网络的自由度下降，无形中限制了其他SDN应用程序的功能。此外，封包header中所能使用的位数有限，可能导致多个检测封包对应到同一个标签，若检测封包被其他应用程序复制了冗余的备份发送至网络中，SDN traceroute就可能无法正确量测路径。
2014年2月1日公开的我国专利编号第201406114号「用以供应网络路径之转译通讯期信息」，提及一种系统和方法，其会接收对应于与一个服务器相联结的通讯期的通讯期信息(SESSION INFORMATION)，以及会将通讯期信息转译成包括一个拓扑布局参数和一个数据参数的经转译的通讯期信息。该经转译的通讯期信息是为指引一个控制器依据该经转译的通讯期信息来供应一个网络路径。该网络路径是使依从该拓扑布局参数和资料参数。与本发明透过发送模拟待检测数据流的检测封包，再一一回收网络组件收到检测封包时传回的路径状态回报，可以精确地追踪数据流所流经实际路径的演算方法并不相同。
如2014年8月20日公开的CN103997432号Measuring system and method forsupporting analysis of OpenFlow application performance提及一种支持量化分析OpenFlow应用性能的测量系统及方法。它基于一个OpenFlow网络和一台测量服务器，所述OpenFlow网络包括一个控制器和n台分别与控制器连接的交换机，n台交换机接受控制器的OpenFlow控制；控制器和n个交换机扩充本地日志功能和时钟同步功能后成为测量实体受测量服务器集中控制。其特点包括：无集中式性能瓶颈，测量本身对网络应用干扰小；能够全面获取数据平面和控制平面信息；能够得到控制平面与数据平面之间的交互关系。并不是如本案是用集中式控制平面的路径状态回报演算方式，可以追踪数据流所流经的实际路径状态，协助网络管理者及其网管应用程序更有效率地分析与排除故障。
本发明一种基于集中式控制平面的路径状态回报方法，可以追踪数据流所流经的实际路径状态。相较于ping，本发明能够将更多的网络信息回报给网络管理者。相较于traceroute，本发明能够以较少的信息量找出所控网络中指定数据流经过的实际路径，减少侦测动作对网络造成的负担。相较于SDN traceroute，由于本发明使用封包的payload内容作为检测封包的辨别依据，并不限制其他应用程序对封包header的使用与修改，可在与其他网络管理应用程序高度兼容的前提下，获得正确的检测结果。
本案发明人鉴于前述系统和方法的不足之处，乃亟思创新发明，经长时间苦心孤诣并潜心研究后，终于成功研发完成本件一种基于集中式控制平面的路径状态回报方法。
发明内容
本发明提出了一种基于集中式控制平面的路径状态回报方法，可以追踪数据流所流经的实际路径状态，协助网络管理者及其网管应用程序更有效率地分析与排除故障。本发明的设计着重于与其他网络管理应用程序与网络组件的兼容，透过将检测封包的辨别信息填在payload中，因此能在不限制封包header的使用与修改的前提下，获得正确的检测结果。
本发明提供的基于集中式控制平面的路径状态回报方法，其主要包括：
一创建阶段，根据所欲检测的数据流信息仿真实际封包产生检测封包；
一检测阶段，发送检测封包给所欲检测路径所经的交换器，进行路径检测；
一回报阶段，回报数据流流经的实际路径与路径状态。本发明提供的基于集中式控制平面的路径状态回报方法，透过发送仿真待检测数据流的检测封包，再一一回收网络组件收到检测封包时传回的路径状态回报，可以精确地追踪数据流所流经的实际路径，协助网络管理者更有效率地找出问题组件以排除故障。此外，考虑了与其他网络管理应用程序间的兼容议题，本发明将辨识信息填写在封包payload的作法，能在不限制其他网络管理应用程序的前提下进行检测。因此可和其他网管应用程序良好结合，作为未来开发其他网管程序时的重要基础工具。
附图说明
图1为传统网络架构图；
图2A～2B为传统网络除错方式示意图；
图3为本发明的基于集中式控制平面的路径状态回报方法流程图；
图4为本发明的检测封包传递流程示意图。
[附图标记说明]
11-控制平面，12-转发平面，13-网络管理者，21-日志，22-reply，31-创建阶段，32-检测阶段，33-回报阶段，311-给出要查测的数据流信息，312-模拟实际封包产生检测封包，321-将检测封包发送给起点交换器，322-等待并接收交换器实时回报，323-终点交换器已回报，324-已到时间上限，331-回报最终结果，41-向起点交换器发送检测封包，42-起点交换器将检测封包传回实体服务器，43-按照路由规则将检测封包传递给下一个交换器，44-交换器将检测封包传回服务器以回报状态，45-将检测封包传递给路径上的下一个交换器，46-起点交换器。
具体实施方式
本发明提供一种基于集中式控制平面的路径状态回报方法，会根据所欲检测的数据流信息产生出检测封包，再向起点交换器发送检测封包。透过使网络中所控制的各网络组件在收到检测封包时主动回报结果，来确认指定的数据流在网络中所流经的实际路径，作为网络环境除错的判断依据。
本发明的检测流程主要分为三个阶段，分别是创建阶段31、检测阶段32与回报阶段33，其流程图如图3所示。
在创建阶段31，先产生出模拟欲检测的数据流封包的检测封包，作为检测该数据流在网络中所会流经的实际路径之用，其包括给出要查测的数据流信息311步骤和模拟实际封包产生检测封包312步骤。首先给出要查测的数据流信息311步骤，是根据所欲检测的数据流信息，如来源MAC、目的地MAC、来源IP和目的地IP等可用来识别封包的信息，产生出检测封包的header，以确保检测封包会与欲检测的数据流封包具有同样的路由行为。接着模拟实际封包产生检测封包312步骤，在检测封包的payload填入专属的关键词，以分辨检测封包与其他拥有相同header的封包。此作法并不限制其他应用程序对封包header的使用与修改，能更好的与其兼容。
完成检测封包的创建之后，即进入检测阶段32，进行发送检测封包给网络管理者所欲检测路径所经的交换器，进行路径检测，其中，交换器至少包括位于欲检测路径起点的交换器及位于欲检测路径终点的交换器，其步骤包括将检测封包发送给起点交换器321步骤、等待并接收交换器实时回报322步骤、终点交换器已回报323判断步骤和已到时间上限324判断步骤。其中将检测封包发送给起点交换器321步骤，主要向起点交换器发送在准备阶段产生出的检测封包；等待并接收交换器实时回报322步骤，主要等待接收交换器所回报的检测封包；终点交换器已回报323判断步骤，主要判断终点交换器是否已回报，若是则进入回报最终结果331步骤，否则进入已到时间上限324判断步骤；已到时间上限324判断步骤，主要判断检测时间上限是否已到，若是则进入回报最终结果331步骤，否则回到等待并接收交换器实时回报322步骤。
由如图4所示检测封包传递流程示意图更可以了解检测阶段32的实际运作情形。首先，先向起点交换器46发送在准备阶段产生出的检测封包(步骤41)。交换器收到检测封包后会主动将检测封包传回本发明方法所在的实体服务器(步骤42)，然后再按照路由规则将检测封包传递给下一个交换器(步骤43)，进行后续检测。步骤41至42是为了检测起点交换器的运作状况，确定起点交换器是否能够确实传回检测封包。后续的路径检测会按照步骤44至步骤45的模式重复进行，以检测每段链结与交换器的状态：交换器将检测封包传回服务器以回报状态(步骤44)，接着再将检测封包传递给路径上的下一个交换器(步骤45)。
在欲检测的数据流的终点交换器传回检测封包，或是到达检测时间上限之后，即进入回报阶段，其包括回报最终结果331步骤。此时回报最终结果331步骤，会向网络管理者回报检测阶段时根据网络组件回报的状况所拼凑出的数据流实际路径与路径状态。
本发明可以适用于数种不同的路由案例，包含但不限于single path routing、multipath routing、multicast routing等案例。此外，本发明的设计着重于与其他网络管理应用程序与网络组件的兼容，能在不影响其他应用程序的前提下与其结合，组成更完善的检测工具，或是作为网络自我优化之用。
对于single path的数据流，本发明能够检测其所流经的实际路径。而对于所经过的路径不只一条的数据流，如multi-path与multicast数据流等，由于检测封包也会像实际封包被复制成多份，本发明依然能根据各交换器回传的封包分析此数据流所流经的完整路径以及封包的总量等信息。
由于本发明使用封包的payload内容作为检测封包的辨别依据，与使用封包header字段的作法相比，可在不影响其他应用程度的前提下，提供数据流的实际路径作为其他模块的检测与优化依据，以下列举几个整合使用案例：
透过与本发明结合，routing应用程序可以在建置路径后，检查数据流的实际路径与运算逻辑是否一致，作为除错依据。Rerouting应用程序可以根据本发明的检测结果得知当前路径是否畅通，并取得路径回报的延迟时间，当数据流无法透过当前路径到达目的地或延迟过高时就自动更换路径。透过本发明回传的数据流实际路径，Statistics与StressTest应用程序将可以精确地针对数据流所流经的实际路径作操作，避免对网络造成额外的负担。
除了侦测网络状态，本发明也能用来检测服务器的运作状况，如DHCPServer等。透过将客户端所送出的实际封包内容分别填入检测封包的header与payload内，再将此模拟实际封包的检测封包发送至连接客户端的交换器，即可使检测封包经由与实际封包相同的路径传送至服务器，再获取服务器的响应封包，作为判断服务器状态的依据。
本发明方法的核心在于统一收集网络组件在收到检测封包时的回报，并透过将辨识信息填入payload而非header以避免影响其他应用程序运作。只要使用的网络架构能够满足以上两个条件，就能实作本发明方法。
实作本发明方法的其中一个选择是SDN(Software-Defined Networking_软件定义网络)网络架构，我们可以将本发明方法实作为SDN的网管应用程序，利用SDN网络架构可程序化的特性自定义SDN交换器的转发行为，使所有SDN交换器在收到检测封包时，除了按照原路由规则转发外，再进行回报路径状态信息给本发明应用程序，以达成集中式控制的设计。
本发明一种基于集中式控制平面的路径状态回报方法与传统现有技术相互比较时，更具备下列优点：
本发明的一种基于集中式控制平面的路径状态回报方法，可以追踪数据流所流经的实际路径状态。
1.相较于ping，本发明能够将更多的网络信息回报给网络管理者。
2.相较于traceroute，本发明能够以较少的信息量找出所控网络中指定数据流经过的实际路径，减少侦测动作对网络造成的负担。
3.相较于SDN traceroute，由于本发明使用封包的payload内容作为检测封包的辨别依据，并不限制其他应用程序对封包header的使用与修改，可在与其他网络管理应用程序高度兼容的前提下，获得正确的检测结果。
4.本发明着重于与其他网络管理应用程序与网络组件的兼容，能在不影响其他应用程序的前提下与其结合，组成更完善的检测工具，或是作为网络自我优化之用。
5.本发明采用集中式的控制平面路径状态回报演算机制，能够追踪数据流所流经的实际路径，对网络管理者及网管应用程序提供更有效率地分析与排除障碍能力，能够大大地减少了CAPEX和OPEX。
上列详细说明乃针对本发明的一可行实施例进行具体说明，惟该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明技艺精神所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。
综上所述，本案不仅于技术思想上确属创新，并具备现有的传统方法所不及的上述多项功效，已充分符合新颖性及进步性的法定发明专利要件，爰依法提出申请，恳请贵局核准本件发明专利申请案，以励发明，至感德便。

Claims (8)

1.一种基于集中式控制平面的路径状态回报方法，其主要包括：
一创建阶段，根据所欲检测的数据流信息仿真实际封包产生检测封包；
一检测阶段，发送检测封包给所欲检测路径所经的交换器，进行路径检测；以及
一回报阶段，回报数据流流经的实际路径与路径状态，由Statistics与Stress Test应用程序将针对数据流流经的实际路径作操作；
其中，将实际封包内容分别填入检测封包的header与payload内，再将检测封包发送至交换器，使检测封包经由与实际封包相同的路径传送至服务器，再获取服务器的响应封包作为判断服务器状态的依据；
其中，使用封包的payload内容作为检测封包的辨别依据以提供数据流的实际路径，且由Rerouting应用程序根据数据流的实际路径的检测结果取得实际路径的路径情况或实际路径的回报的延迟时间，当数据流无法透过实际路径到达目的地或实际路径的回报的延迟时间过高时，Rerouting应用程序就自动更换路径，再由Routing应用程序在建置路径后，检查数据流的实际路径与运算逻辑是否一致，以作为除错依据。
2.如权利要求1所述的基于集中式控制平面的路径状态回报方法，其中根据所欲检测的数据流信息仿真实际封包产生检测封包，是根据所欲检测的数据流信息，产生出检测封包的header，以确保检测封包会与欲检测的数据流封包具有同样的路由行为。
3.如权利要求1或2所述的基于集中式控制平面的路径状态回报方法，其中欲检测的数据流信息包括来源MAC、目的地MAC、来源IP或目的地IP的可用来识别封包的信息。
4.如权利要求1所述的基于集中式控制平面的路径状态回报方法，其中仿真实际封包产生检测封包主要是在检测封包的payload填入专属的关键词，以使检测封包与其他拥有相同header的封包有所区别。
5.如权利要求1所述的基于集中式控制平面的路径状态回报方法，其中检测阶段包括将检测封包发送给位于所欲检测路径起点的交换器、等待并接收交换器实时回报、位于所欲检测路径终点的交换器已回报判断及已到时间上限判断，终点交换器已回报判断主要是判断终点交换器是否已回报，若是则进入回报阶段，否则进入已到时间上限判断的步骤，已到时间上限判断步骤主要是判断检测时间上限是否已到，若是则进入回报阶段，否则回到等待并接收交换器实时回报的步骤。
6.如权利要求5所述的基于集中式控制平面的路径状态回报方法，其中将检测封包发送给位于所欲检测路径起点的交换器主要是向起点的交换器发送在准备阶段产生出的检测封包。
7.如权利要求5所述的基于集中式控制平面的路径状态回报方法，其中等待并接收交换器实时回报主要是等待接收终点的交换器所回报的检测封包。
8.如权利要求1所述的基于集中式控制平面的路径状态回报方法，其中回报阶段是向网络管理者回报检测阶段时根据网络组件回报的状况所拼凑出的数据流实际路径与路径状态。
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