CN107147539A - 软件定义网络中判定关键链路提供快速故障恢复的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在软件定义网络中判定关键链路提供快速故障恢复的方法及装置，所述方法为:根据控制器实时探测获取网络拓扑；根据交换机发送的PACKET_IN消息统计每条链路承载的业务流的数目；在当前网络拓扑中，运用线性规划算法HILPR进行迭代求解，获取关键链路；接着，根据从网络中去除单条链路后减少的连接对数目，为链路赋予关键指标；再结合关键链路的关键指标和其上承载的业务流数指标，得出其综合分数；然后根据链路所得分数，将链路分为不同的级别，并提供不同的链路保障机制：为级别高的链路提供基于备用路径的保护机制，而为级别较低的链路提供由控制器介入的恢复机制。
Description
技术领域
本发明涉及软件定义网络中链路保障技术领域，特别是一种软件定义网络中判定关键链路提供快速故障恢复的方法及装置。
背景技术
目前，互联网时代的到来衍生了很多新型业务，并且为了更好满足用户的需求，业务的各项指标也越来越高，同时对承载这些业务的网络提出了新的要求。其中，运营商网络为了保证语音通信的服务质量，要求业务流的延迟时间在50ms之内。同时，为了保证业务的可持续运转，必须为链路提供保障使得链路出现故障时能够快速恢复。
现有关于链路的快速恢复方案主要分为两类：一类是恢复策略，即当链路出现故障时，控制器只有接收到交换机的通知后才会为受影响的业务流计算新的路由并下发新路由，但是由于这个过程通常包括链路故障被控制器感知的时间以及控制器与交换机交互的时间，恢复时间一般较长；一类是保护策略，即预先为业务流经过的链路提供备用路径，当链路发生故障时，不需要控制器介入，交换机会自动切换到备用路由从而实现快速切换。但是，为业务流经过的每条链路提供备份路径会导致网络中备用路径的流表项快速增长，从而导致流表项有效利用率不高。另外，交换机中用来存储流表项的TCAM(Ternary content-addressable memory)的空间是有限的，而且相对昂贵，因此需要合理利用。
为了解决备用路径引起流表项快速增长的问题，现有研究提出了不同的方案。其中一种是通过控制器实时获取链路承载的带宽和业务流数，通过这两个指标将链路分级，从而为不同等级链路提供不同程度的保障。这种方案能够减少网络中的备用流表项，但是需要控制器实时与交换机交互获取相应的带宽和流表信息，无疑会给控制器带来较大负担。另外一种方案是使用流表项中的VLAN_ID匹配项，将经过相同节点的备用路由的流表项汇聚从而减少了备用流表项数目。OpenFlow1.3协议中的VLAN_ID最大不超过4096，因此这种方案只能适用于小型网络。
发明内容
本发明实施例提供一种在软件定义网络中判定关键链路提供快速故障恢复的方法及装置。在综合考虑链路在网络拓扑中的关键程度和其实际承载的业务流数目这两方面因素后，获得其综合分数，根据该链路综合分数提供不同程度的链路保障，从而在保证网络可靠性的同时减少网络中的备用路径流表项。
本发明实施例公开了在软件定义网络中判定关键链路提供快速故障恢复的方法，包括：根据控制器获取网络实时拓扑和统计链路中承载的业务流数；根据网络拓扑建立关键链路模型，目标函数为网络中的连接对最少，约束条件为节点之间的连接约束和关键链路数目约束；使用HILPR算法对关键链路模型进行线性规划求解，不断迭代得到所需的关键链路；获取实际承载业务流的关键链路，并计算其关键链路指标；获取实际承载业务流的链路中承载的业务流数指标；根据链路的关键链路指标和业务流数指标计算链路的综合分数；根据综合分数将链路分级；当有新的业务流进入到网络中时，判断其路由所经过的链路所属等级，只为一级链路提供备份路径保护。
从上述本发明的实施例可以看出，本发明实施例考虑了网络拓扑中的关键链路和链路上的业务流表数。考虑链路在网络拓扑中的关键程度的原因是，通常越关键的链路其连接的连接对(连接对定义为网络中任意两个连通节点构成一个连接对)越多，从而越有可能被更多的业务流经过，通过只为等级较高的链路配置备用路径既提升了网络的可靠性，又可以缩小备用路由的流表项在交换机中的比例；关键链路的计算和链路上的业务流表数都不需要实时计算和更新，业务流表数的统计只在新的业务流进入到网络或者业务流相对应的流表项过期时才会更新，因此整个信息的获取并不需要控制器实时与交换机频繁交互，从而不会给交换机带来过多额外负担；另外本方案没有占用流表匹配项的特殊字段(如VLAN_ID)，因此应用场景更加广泛。
附图说明
图1为本发明实现SDN单条链路快速恢复的优化方法实施例的流程图；
图2为本发明建立ILP模型并求解部分关键链路的流程图；
图3为本发明实现HILPR算法获取网络拓扑关键链路的流程图；
图4为本发明获取链路的综合分数并对其分级的流程图；
图5为本发明根据业务流路由中链路等级采取不同保障机制的流程图；
图6为本发明装置的实施例结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
请参阅图1,为本发明实现SDN单条链路快速恢复的优化方法实施例的流程图，包括以下步骤：
步骤101:根据LLDP消息及时更新网络拓扑信息；
步骤102:按需更新链路中的流表数信息，当新的业务流进入到网络中时或者当前业务流相关的流表项过期时需要更新链路中的流表数信息；
步骤103:根据当前的网络拓扑信息对其建立ILP(Integral LinearProgramming)模型，并使用HILPR算法求解网络拓扑中的关键链路；
步骤104:对步骤103中的关键链路根据单个链路减少的连接对多少赋予链路关键指标；
步骤105:考虑链路的关键指标和通过此链路的业务流数计算链路的综合分数；
步骤106:根据综合分数将链路分级，在下发路由时为不同等级提供不同的保障机制。
上述步骤103中，根据网络拓扑信息建立ILP模型的具体实现方式请参阅图2,包括以下步骤：
步骤201：选定参数λ，建立ILP模型。
本实施例将网络拓扑当成一个无向连通图G(V,E)，其中V为顶点集合，
E为边的集合。ILP模型的建立过程为将每对顶点之间的连接状态设置为变量，然后通过调整这些变量值使得最终连接对数最小，同时又满足处于断开状态的链路数目小于等于λ，其中链路对应的变量由1变为0时表示处于该链路最终处于断开状态，同时此链路将被判定为关键链路。以下数学模型参考自HILPR算法中的ILP建模流程。
目标函数：
约束条件：
cij∈{0,1}
其中cij表示拓扑中顶点i与顶点j是否处于连接状态，处于连接状态则为1,否则为0。第一个约束条件是为了保证顶点与顶点之间的连接传递性，第二个约束是保证一次求解最多求解λ个关键链路，其中mij在实际实施时设置为1。
步骤202:从步骤201中可以得知，目标函数每个变量的因子为1，因此目标函数参数矩阵中对应的每个变量的参数均为1。
步骤203:在第一个约束条件中，每三个变量之间就有两个变量的参数为1,另外一个为-1；在第二个约束条件中，每个变量的参数均为-1。通过以上规律为不等式构建参数矩阵。
步骤204:在初始阶段，拓扑为连通图，所有的节点均连接，而在经过第一轮迭代后，拓扑就可能不再是连通图，此时有的顶点之间并不一定连接，对于处于连接状态的变量将其范围设置为0到1.0，并将这些变量命名为有效变量。而对于那些本身已经处于断开的变量，则将这些变量的值直接设置为0。
步骤205:对上述建立的ILP模型，使用线性规划中Simplex方法进行求解。
步骤206:经过步骤205，最终会得到各个变量的值，并提取出链路所对应的变量值进行由小到大排序，获取前λ个最小变量对应的链路，将这些链路对应的变量rounding到0,这些链路即为在这一次迭代中找到的关键链路。
上述步骤103中，使用HILPR求解网络拓扑中的关键链路的具体实现方式请参阅图3,包括以下步骤：
步骤301:算法输入参数需要设定网络可靠性参数ρ，这个参数又公式如下定义：
ρ＝ConnectedPairs(G\CL)/ConnectedPairs(G)
其中G表示网络的初始拓扑，G\CL表示从初始网络中删除已选中的关键链路集后的拓扑，ConnectedPairs()函数用于计算所输入拓扑的连接对数目。因此网络可靠性ρ定义为从网络中删除一定关键链路后，网络的连接对数目比上初始状态网络全部连接对数目。ρ也可看作网络管理者需要保障链路的力度。从而在每次迭代时，判断条件为当前网络的连接对数目与初始网络连接对的比值是否接近于ρ。
另外一个参数为λ,为每次迭代发现的关键链路数目，这个参数用于在算法的精确性和运行时间之间取得一个平衡。
步骤302:每次迭代前，判断当前拓扑的连接对数与初始状态相比是否已经到达ρ，如果已经达到则输出关键链路，否则进行下一步操作。
步骤303:使用图2的算法对当前拓扑求解λ个关键链路。
步骤304:优化关键链路，由于使用线性规划方法求解整数线性规划问题不一定能获得最优解，因此在此处加入Swapping操作优化得到的λ个关键链路，Swapping操作具体指的是将关键链路和邻居链路进行比较，如果邻居链路比关键链路更优，则将关键链路和邻居链路进行替换。
步骤305:将当前获取的关键链路从拓扑中删除，进行步骤302中的操作。
上述步骤104和105中，关键链路指标获取、链路综合分数获取以及链路分级请参阅图4,包括以下步骤：
步骤401:每条链路承载的业务流数在新的业务流进入网络时，控制器收到交换机的PACKET_IN消息后会将当前业务流数添加到其经过的链路上，而当业务流对应的流表项过期时，控制器同样通过交换机发送的消息将业务流数从其经过的链路中去除。
步骤402:使用图3中的HILPR算法获取当前网络的关键链路集，具体请参考图3。
步骤403:关键链路指标的计算范围为所有承载业务流的链路，对于其中不属于步骤402计算的关键链路集的链路，其关键指标为0，而对于属于步骤402计算的关键链路集的链路，其关键链路指标使用如下公式进行计算：
其中的PairNum(li)为只将链路li从拓扑中删除后拓扑减少的连接对数，由于有些关键链路从网络拓扑中删除后并不会减少网络拓扑的连接对数目，为了将这些链路与普通链路区分，将这些链路的关键指标的起始值设置为0.5。其中参数β用来控制曲线的形状。
步骤404:链路的综合分数为链路关键指标和业务流数指标，其中加权因子为a。计算公式如下：
Score(li)＝a*CriticalIndex(li)+(1-a)*FlowIndex(li)
其中FlowNum(li)为链路li中承载的业务流数；a为加权因子，范围在0到1之间；参数η用来控制FlowNum(li)与FlowIndex(li)之间对应关系的曲线形状。FlowIndex(li)即为当前链路的业务流数指标，Score(li)即为链路的综合分值。
步骤405:对链路进行分级，综合分值在0.5之上的被认定为一级链路，否则被认定为二级链路。
上述步骤106中，根据链路等级，在下发路由时为不同等级提供不同的保障机制请参阅图5,包括以下步骤：
步骤501:当业务流初次进入到网络中时，由于交换机中没有其相关的流表项，交换机将会给控制器发送PACKET_IN消息。
步骤502:控制器通过网络拓扑信息，网络状态的统计信息为业务流选择合适的路由，最常见的路由为源节点到目的节点的最短路径。
步骤503:使用步骤4计算出的链路的综合分数以及其等级，来判断当前业务流的路由经过链路哪些是一级链路，哪些是二级链路。
步骤504:对于普通的二级链路，只需要为相关交换机下发往返流表项。
步骤505:对于一级链路，对相应的交换机下发组表项，并为当前链路计算到目的节点的备用路径，组表项在正常情况下会将流量转发到步骤502计算的路径中，但是当此链路出现故障时，则会将流量转发到备用路径，因此还需为备用路径下发流表项。
步骤506:路由下发完毕后，控制器通过PACKET_OUT消息将之前阻塞的数据发送到交换机的某一端口使其通过上述路由传输。
本发明实施例还提供了在软件定义网络中判定关键链路提供快速故障恢复的装置，见图6，其包括：
链路业务流数统计模块1，用于统计并存储链路中的业务流数，同时计算链路业务流指标；
关键链路维护模块2，用于在拓扑发生变化时，更新网络中的关键链路集，并计算链路的关键指标；
链路综合分数计算模块3，在每次新的业务流初次进入网络时，此模块通过链路的业务流指标和关键指标计算链路的综合分数，并确定链路级别；
链路保障模块4，在每次为业务流下发路由流表时，判断路由经过链路的级别，如果链路级别为一级，将为链路提供基于备用路径的保护策略，否则为链路提供基于控制器介入的恢复策略。
进一步地，所述链路保障模块4还包括保护策略单元401和恢复策略单元402，所述保护策略单元401使用OpenFlow1.1+协议中的组表机制为链路提供基于备份路径的快速故障恢复机制，所述恢复策略单元402在控制器接收到故障通知后使用控制器实时计算的新路径为受影响的业务流实现故障恢复。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序包括如下步骤：根据控制器实时探测获取网络拓扑；根据交换机发送的PACKET_IN消息统计每条链路承载的业务流的数目；在当前网络拓扑，运用线性规划算法HILPR进行迭代求解获取关键链路；接着，根据从网络中去除单条链路后减少的连接对数目为链路赋予关键程度指标；再结合关键链路的关键指标和其上承载的业务流数指标两方面的因素得出其综合分数；然后根据链路所得分数将链路分为不同的级别并提供不同的链路保障机制。所述的存储介质，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种在软件定义网络中判定关键链路提供快速故障恢复的方法及装置，其特征在于，包括：
按需更新链路业务流数信息；
运用线性规划算法HILPR迭代求解网络拓扑的关键链路；
根据链路的关键指标和业务流数指标，计算所有链路的综合分数；
将链路分级，为不同级别的链路提供不同的保障机制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述按需更新链路业务流数包括：
每条链路承载的业务流数目只需在两种情况下进行更新：1)业务流初次进入网络时，2)业务流对应的流表项失效时，并且不用控制器主动与交换机频繁交互。
当业务流初次进入到网络时，由于交换机中没有为该业务流设置相应的流表项，交换机则向控制器发送PACKET_IN消息，控制器通过PACKET_IN消息获得业务流的源节点和目的节点，并根据当前网络拓扑为该业务流计算路由，同时根据路由更新每条链路上经过的业务流数目，并为此业务流下发路由流表项；
当业务流对应的流表项失效时，交换机会向控制器发送流表删除消息，控制器收到消息后，会更新此业务流经过的链路上的业务流数目。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述运用线性规划算法HILPR迭代求解网络拓扑的关键链路包括：
使用HILPR算法中的松弛整数线性规划模型，在满足约束条件的情况下，将网络拓扑的连接对数目降低到最小，其中连接对的定义是网络中任意两个连通的节点之间组成一个节点对，并对此模型不断迭代，直到达到终止条件，此迭代过程完毕，即找到了该网络的关键链路。
其中，所述松弛整数线性规划模型的目标函数为：
<mrow>
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<mrow>
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<mi>j</mi>
</mrow>
</msub>
</mrow>
其中cij表示顶点i和j的连接状态，若i和j连接则其为1，否则为0。V为拓扑中所有的顶点集合。
约束条件为：
<mrow>
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<mi>c</mi>
<mrow>
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</mrow>
</msub>
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</mrow>
</msub>
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</mrow>
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<mi>&lambda;</mi>
</mrow>
cij∈{0,1}
其中第一个约束公式是为了保证顶点之间的连接的传递性，比如，顶点i和j相连，顶点j和h相连，那么顶点i和h也应该处于连接状态。第二个约束公式用来限制每次迭代过程产生的关键链路的数目，其中mij为摧毁一条链路所需的代价，在本发明中将所有链路失效所需的代价设置为1。λ为每次迭代从拓扑中发现的关键链路数目。在实际求解上述整数线性规划的解时使用的线性规划算法，每个处于连接的节点对对应的变量的范围在0到1之间变化，而在整数线性规划中变量只能为整数，最后将链路对应的变量进行排序，选择其中最小的λ个变量进行rounding到0的操作，即利用线性规划方法求解整数线性规划问题，这就是所谓的“松弛整数线性规划”。但是在这一步中，线性规划算法并不保证获得最优值，HILPR算法为了提高运行效率，只会在所有迭代完成后，再将关键链路和邻居链路进行比较，如果邻居链路比关键链路更优，则将关键链路和邻居链路进行替换，这个过程称为Swapping。但是，前一轮选择的链路准确性影响后面迭代时链路选取的有效性，为了保证质量，本发明方法在每一次迭代后，对选取的链路进行Swapping操作，保证每次选取链路的有效性。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述不断迭代达到终止条件包括：
在HILPR算法中，需要输入参数：关键链路总数K，当获取的链路数目达到K时，则迭代过程截止。但是，对于实际网络，确定网络中存在的关键链路数目并不容易。因此，本发明提供了一种间接计算的方法。首先定义连接对为网络中任意两个连通节点构成连接对。定义网络可靠性ρ为：
ρ＝ConnectedPairs(G\CL)/ConnectedPairs(G)
其中G表示网络的初始拓扑，G\CL表示从初始网络中删除已选中的关键链路集后的拓扑，ConnectedPairs()函数用于计算所输入拓扑的连接对数目。因此网络可靠性ρ定义为从网络中删除一定关键链路后，网络的连接对数目比上初始状态网络全部连接对数目。ρ也可看作网络管理者需要保障链路的力度。从而在每次迭代时，判断条件变为：当前网络的连接对数目与初始网络连接对数目的比值是否接近于ρ。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算链路的综合分数包括：
网络中链路的关键指标和链路上承载的业务流数指标共同决定了链路的综合分数，综合分数由以下公式可得：
Score(li)＝a*CriticalIndex(li)+(1-a)*FlowIndex(li)
其中Score(li)为链路的综合分数；CriticalIndex(li)为链路在网络拓扑中的关键指标；FlowIndex(li)为链路中承载的业务流数指标；a为权重因子，取值范围在0到1之间。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述链路的关键指标包括：
首先判断链路li是否是关键链路，如果不是，其关键指标将会被置为0，否则，需要根据以下步骤赋予该链路关键指标。将此链路从网络中删除后减少的连接对数目记为PairNum(li)。接着，使用以下改进后的Sigmod函数将PairNum(li)转化为链路的关键指标：
<mrow>
<mi>C</mi>
<mi>r</mi>
<mi>i</mi>
<mi>t</mi>
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<mi>c</mi>
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</mrow>
<mo>+</mo>
<mn>0.5</mn>
</mrow>
此公式由两部分组成，其中偏移量0.5是为了防止有的关键链路从网络中删除后，网络节点对数并不为减少，因此需要加上偏移量0.5来将此类链路与非关键链路分开。因为关键链路对应的连接对数目与关键指标并不是一个线性关系，当关键链路对应的连接对数目变得很大时，链路的关键程度将一直保持在关键指标很高且平稳的状态,因此采用改进后的Sigmod函数来模拟这种对应关系，其中参数β用来控制曲线的形状。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述链路业务流数指标计算过程包括：
业务流数指标获得过程为，首先根据权利要求2中的方法，控制器在接收到交换机PACKET_IN消息或者流表删除消息后，按需更新链路中的流表数，记为FlowNum(li)，通过以下公式将FlowNum(li)转换为链路的流表数指标：
<mrow>
<mi>F</mi>
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<mo>+</mo>
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<mi>&eta;</mi>
<mi>F</mi>
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<mi>N</mi>
<mi>u</mi>
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<mo>(</mo>
<msub>
<mi>l</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
</msup>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，参数η用来控制FlowNum(li)与FlowIndex(li)之间对应关系的曲线形状。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将链路分级，为不同级别的链路提供不同的保障机制包括：
在实际实施时，只需对承载业务流的链路进行分级，将综合分数在0.5至1.0之间的链路标为一级链路，而将综合分数在0至0.5之间的链路标为二级链路。
为一级链路提供的保障机制是：当为新来的业务流计算路由时，会为路由经过的一级链路设置一条到目的节点的备份路径，在这些一级链路发生故障时，会使用OpenFlow1.1+协议中的组表机制，将业务流快速切换到备用路径上。
为二级链路提供的保障机制是：当二级链路发生故障时，控制器在接收到交换机的消息后会重新给当前经过当前链路的业务流计算新的路径并下发新的路由，此过程需要控制器的介入，耗时较长。
9.一种在软件定义网络中判定关键链路提供快速故障恢复的装置，其特征在于，包括：
链路业务流数统计模块，用于统计并存储链路中的业务流数，同时计算链路业务流指标；
关键链路维护模块，用于在拓扑发生变化时，更新网络中的关键链路集，并计算链路的关键指标；
链路综合分数计算模块，在每次新的业务流初次进入网络时，此模块通过链路的业务流指标和关键指标计算链路的综合分数，并确定链路级别；
链路保障模块，在每次为业务流下发路由流表时，判断路由经过的链路的级别，为一级链路提供基于备用路径的保护策略，为二级链路提供基于控制器介入的恢复策略。
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