CN107733719A - 一种软件定义抗毁网络无损路径恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种软件定义抗毁网络无损路径恢复方法，包括如下步骤：1、构建抗毁网络；抗毁网络包括SDN交换机组成的网络、网络抗毁控制器、网络抗毁控制器与所有SDN交换机之间的通信网络，网络抗毁控制器用于进行网络传输路径规划，SDN交换机根据网络流表转发数据实现网络端到端数据传递；2、部署抗毁网络；3、检测网络毁伤并进行局部恢复；网络抗毁控制器实时获取SDN交换机工作状态，当SDN交换机有链路毁伤时，进行网络毁伤局部恢复；4、对网络毁伤进行无损恢复；网络抗毁控制器对未优化路径进行无损恢复，直至端到端路径跳数最小。采用该方法能够实现快速抗毁恢复，且兼容传统网络，可满足恶劣环境下网络连通性要求高的应用需求。

Description

一种软件定义抗毁网络无损路径恢复方法

技术领域

本发明属于计算机网络运维技术领域，具体涉及一种软件定义抗毁网络无损路径恢复方法。

背景技术

随着网络环境复杂度的增加和网络应用的不断增多，传统的冗余备份技术可能出现以下问题：1)基于路由的冗余备份方法，由于路由节点需要交换路由表信息，在分区分域或网络规模大的情况下，无法实时进行备份网络切换；2)基于网络拓扑的抗毁性设计无法区分信息流的重要性，也就无法在网络毁伤时保障核心重要业务的运行；3)路由信息分布在各路由节点上，无法获得全局网络状态信息，拓扑调整只能局部进行，调整后的影响也无法快速准确获得。

软件定义网络(Software Defined Networking，SDN)是近年来提出的一种新型网络体系结构，能够实现数据平面和控制平面的解耦。在数据平面中，交换机等网络核心设备负责数据包的转发和处理；在控制平面中，存在集中式控制器，与各个交换机通过控制链路相连，通过控制交换机中的流表项来指导交换机工作。针对传统网络抗毁设计中的备份切换实时性差、全局信息获取难、路径控制难等问题，软件定义网络中的控制器能够通过OpenFlow协议实现对各交换机设备的访问控制。交换机依据流表对数据包进行处理，通过对数据流进行更加细粒度的进行路径规划和控制。软件定义网络技术对复杂网络环境的控制还体现在控制器的可编程性，可以通过控制器逻辑设计实现对网络的规划和控制。

文献1：《Survivable Virtual Infrastructure Mapping over TransportSoftware-Defined Networks(T-SDN)》提出了一种在软件定义网络基础上生成虚拟抗毁网络互联结构的算法，提升了网络传输的能力13％以上。

文献2：《Designing a Disaster-resilient Network with Software DefinedNetworking》2014.提出了一种基于软件定义网络的故障恢复算法，专注于降低网络基础设施的投入和维护管理的费用。

通常的网络恢复方法可能造成丢包，不适于对网络连通性要求高的应用场景。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明公开了一种软件定义抗毁网络无损路径恢复方法，该方法可以实现网络恢复切换后的路径无损优化，在不丢包的情况下完成网络的优化调整。

技术方案：本发明采用如下技术方案：

一种软件定义抗毁网络无损路径恢复方法，包括如下步骤：

(1)构建抗毁网络；所述抗毁网络包括SDN交换机组成的网络、网络抗毁控制器、网络抗毁控制器与所有SDN交换机之间的通信网络，所述网络抗毁控制器用于进行网络传输路径规划，所述SDN交换机根据网络流表转发数据实现网络端到端数据传递；

(2)部署抗毁网络；

(3)检测网络毁伤并进行局部恢复；网络抗毁控制器实时获取SDN交换机工作状态，当SDN交换机有链路毁伤时，进行网络毁伤局部恢复；

(4)对网络毁伤进行无损恢复；网络抗毁控制器对未优化路径进行无损恢复，直至端到端路径跳数最小。

所述网络抗毁控制器与所有SDN交换机之间采用传统IP网络构建，网络抗毁控制器与SDN交换机之间通过Openflow协议通信，网络抗毁控制器实时获取SDN交换机之间的连接情况，包括SDN交换机的加入、退出和链路的断开情况。

部署抗毁网络具体包括如下步骤：

(2-1)网络抗毁控制器为SDN交换机配置IP地址；

(2-2)网络抗毁控制器为SDN交换机之间连接的每条链路分配逻辑网络地址，链路两端的SDN交换机分别为该网段的第1个地址和第2个地址；

(2-3)网络抗毁控制器根据IP地址及拓扑关系计算网络路由并获得路由表，然后将路由表转换成网络流表下发至各SDN交换机；具体地，网络抗毁控制器通过感知SDN交换机组成的网络拓扑，并根据所有分配的IP地址进行网络最短路径路由规划。

所述路由表包括目的网络地址、下一跳交换机的IP地址、路由表项ID，路由表存储于本地，所述网络流表包括匹配网络地址、出口端口号。

所述步骤(3)包括如下步骤：

(3-1)用G表示网络拓扑，根据最短路径算法计算网络最短路径矩阵spa1；从最短路径矩阵获得端到端最短路径，从而可以建立所有节点对之间的路由；

(3-2)当路径毁伤断开时，抗毁控制器检测到断开链路两端的交换机的dpid和IP地址，分别是dpid1和dpid2、ip1和ip2；

(3-3)查询网络最短路径矩阵spa1，找到通过dpid1和dpid2的路由，即为链路毁伤后受影响的路由，从dpid1到dpid2方向记录为route1，从dpid2到dpid1方向记录为route2，从G中删除链路(dpid1，dpid2)，计算dpid1到dpid2的最短路径P；

(3-4)对节点dpid1上通过链路(dpid1，dpid2)的路由，更新流表转为dpid1在路径P上的下一跳节点，针对路径P上的其他节点依次更新相应的流表；对节点dpid2上通过链路(dpid2，dpid1)的路由，更新流表转为dpid2在路径P上的下一跳节点，针对路径P上的其他节点依次更新相应的流表。

所述步骤(4)包括如下步骤：

(4-1)遍历整个网络拓扑G，找出可以优化调整的非最短路径及与之相应的最短路径：记步骤(3)中局部恢复的路径两端的交换机为dpid1和dpid2，通过dpid1和dpid2的路由为集合routes，遍历routes中的每一条路由r，记路由r的起点和终点分别是a和b，分别计算a到dpid1的最短路径left、dpid2到b的最短路径right、dpid1到dpid2的最短路径middle、a到b的最短路径s；比较s与(left+middle+right)的大小，如果s小于(left+middle+right)，那么该条路由r为非最短路径，s为与所述非最短路径r对应的最短路径；

(4-2)对找到的最短路径，反向逐跳建立新的流表，并以低优先级方式添加流表：对于找到的一条最短路径s，反向遍历s中的每个节点，如果节点n属于原先已经运行的路由，则以低优先级方式添加流表，添加步骤为：

dest＝r.dest；

next＝节点n在路径s中的下一跳节点；

其中dest表示目标地址，r.dest表示非最短路径r的目标地址，next表示下一个转发节点地址；

(4-3)将非最短路径的路由流表删除；

(4-4)对网络毁伤恢复前的原有路径进行流表清理。

有益效果：与现有技术相比，本发明公开的软件定义抗毁网络无损路径恢复方法具有以下优点：1、采用软件定义的方式进行抗毁监测和恢复，能够快速检测并恢复流量，与传统分布式路由相比具有较强的时效性；2、所述方法可以以较快速度进行网络故障恢复，且恢复后的路径能够保持最优；3、所述方法可以快速对毁伤范围进行边界划分，合理安排通过毁伤区域的流量。

附图说明

图1是实施例最短路径恢复示意图；

图2是实施例最短路径恢复流程图；

图3是实施例无损恢复示意图；

图4是实施例无损恢复流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。

一种软件定义抗毁网络无损路径恢复方法，包括如下步骤：

步骤1、构建抗毁网络；所述抗毁网络包括SDN交换机组成的网络、网络抗毁控制器、网络抗毁控制器与所有SDN交换机之间的通信网络，所述网络抗毁控制器用于进行网络传输路径规划，所述SDN交换机根据网络流表转发数据实现网络端到端数据传递；

所述网络抗毁控制器与所有SDN交换机之间采用传统IP网络构建，网络抗毁控制器与SDN交换机之间通过Openflow协议通信，网络抗毁控制器实时获取SDN交换机之间的连接情况，包括SDN交换机的加入、退出和链路的断开情况。

步骤2、部署抗毁网络；具体包括如下步骤：

(2-1)网络抗毁控制器为SDN交换机配置IP地址；

(2-2)网络抗毁控制器为SDN交换机之间连接的每条链路分配逻辑网络地址，链路两端的SDN交换机分别为该网段的第1个地址和第2个地址；

(2-3)网络抗毁控制器根据IP地址及拓扑关系计算网络路由并获得路由表，然后将路由表转换成网络流表下发至各SDN交换机；具体地，网络抗毁控制器通过感知SDN交换机组成的网络拓扑，并根据所有分配的IP地址进行网络最短路径路由规划。

所述路由表包括目的网络地址、下一跳交换机的IP地址、路由表项ID，路由表存储于本地，所述网络流表包括匹配网络地址、出口端口号。

步骤3、检测网络毁伤并进行局部恢复；网络抗毁控制器实时获取SDN交换机工作状态，当SDN交换机有链路毁伤时，进行网络毁伤局部恢复；如图2所示，具体包括如下步骤：

(3-1)用G表示网络拓扑，根据最短路径算法，(Bellman-Ford算法)计算网络最短路径矩阵spa1；从最短路径矩阵获得端到端最短路径，从而可以建立所有节点对之间的路由；如图1(a)中，虚线表示交换机节点之间存在通路，实线表示交换机节点n1到n4的流量经过路径n1→n2→n3→n4。

(3-2)当路径毁伤断开时，抗毁控制器检测到断开链路两端的交换机的dpid和IP地址，分别是dpid1和dpid2、ip1和ip2；如图1(b)中，检测到节点n2到n3之间的链路断开，即节点n2为dpid1，其IP地址为ip1，节点n3为dpid2，其IP地址为ip2；

(3-3)查询网络最短路径矩阵spa1，找到通过dpid1和dpid2的路由，即为链路毁伤后受影响的路由，从dpid1到dpid2方向记录为route1，从dpid2到dpid1方向记录为route2，从G中删除链路(dpid1，dpid2)，计算dpid1到dpid2的最短路径P；如图1(c)所示，找到节点n2到n3的最短路径P为n2→n5→n3；

(3-4)对节点dpid1上通过链路(dpid1，dpid2)的路由，更新流表转为dpid1在路径P上的下一跳节点，针对路径P上的其他节点依次更新相应的流表；对节点dpid2上通过链路(dpid2，dpid1)的路由，更新流表转为dpid2在路径P上的下一跳节点，针对路径P上的其他节点依次更新相应的流表；如图1(d)所示，节点n1到n4的流量被切换至路径n1→n2→n5→n3→n4上。

步骤4、对网络毁伤进行无损恢复；网络抗毁控制器对未优化路径进行无损恢复，直至端到端路径跳数最小；网络无损路径恢复策略的前提是存在可以优化调整的非最短路由路径。如图3(a)所示，n1→n2→n5→n3→n4为链路n2→n3毁伤后进行局部恢复后的路由路径，因为存在路径n1→n7→n8→n4，所以n1→n2→n5→n3→n4为非最短路径，可以进行无损调整。具体包括如下步骤：

(4-1)遍历整个网络拓扑G，找出可以优化调整的非最短路径及与之相应的最短路径：记步骤(3)中局部恢复的路径两端的交换机为dpid1和dpid2，通过dpid1和dpid2的路由为集合routes，遍历routes中的每一条路由r，记路由r的起点和终点分别是a和b，分别计算a到dpid1的最短路径left、dpid2到b的最短路径right、dpid1到dpid2的最短路径middle、a到b的最短路径s；比较s与(left+middle+right)的大小，如果s小于(left+middle+right)，那么该条路由r为非最短路径，s为与所述非最短路径r对应的最短路径；

(4-2)对找到的最短路径，反向逐跳建立新的流表，并以低优先级方式添加流表：对于找到的一条最短路径s，反向遍历s中的每个节点，如果节点n属于原先已经运行的路由，则以低优先级方式添加流表，添加步骤为：

dest＝r.dest；

next＝节点n在路径s中的下一跳节点；

其中dest表示目标地址，r.dest表示非最短路径r的目标地址，next表示下一个转发节点地址；如图3(b)(c)(d)所示，需要调整的路由是n1→n4，最短路径为n1→n7→n8→n4。反向遍历节点顺序为n4、n8、n7、n1，分别建立了目标地址为n4的路由：n8→n4、n7→n8、n1→n7。

(4-3)将非最短路径的路由流表删除；如图3(e)所示，节点n1上存在两个到达节点n4的路由，分别是原先的路由n1→n2→n5→n3→n4和新建的路由n1→n7→n8→n4，由于流表是低优先级方式添加，所以调整后的路由还没有工作，需要将高优先级流表删除，流量将不再经过原有路径。

(4-4)对网络毁伤恢复前的原有路径进行流表清理；虽然流量不再经过原有路径，但路径中每个节点上的路由流表并未全部清除，需要逐个清除，最终结果如图3(f)所示。

Claims (8)

1.一种软件定义抗毁网络无损路径恢复方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)构建抗毁网络；所述抗毁网络包括SDN交换机组成的网络、网络抗毁控制器、网络抗毁控制器与所有SDN交换机之间的通信网络，所述网络抗毁控制器用于进行网络传输路径规划，所述SDN交换机根据网络流表转发数据实现网络端到端数据传递；

(2)部署抗毁网络；

(3)检测网络毁伤并进行局部恢复；网络抗毁控制器实时获取SDN交换机工作状态，当SDN交换机有链路毁伤时，进行网络毁伤局部恢复；

(4)对网络毁伤进行无损恢复；网络抗毁控制器对未优化路径进行无损恢复，直至端到端路径跳数最小。

2.根据权利要求1所述的软件定义抗毁网络无损路径恢复方法，其特征在于，所述网络抗毁控制器与所有SDN交换机之间采用传统IP网络构建。

3.根据权利要求1所述的软件定义抗毁网络无损路径恢复方法，其特征在于，网络抗毁控制器与SDN交换机之间通过Openflow协议通信，网络抗毁控制器实时获取SDN交换机之间的连接情况，包括SDN交换机的加入、退出和链路的断开情况。

4.根据权利要求1所述的软件定义抗毁网络无损路径恢复方法，其特征在于，部署抗毁网络具体包括如下步骤：

(2-1)网络抗毁控制器为SDN交换机配置IP地址；

(2-2)网络抗毁控制器为SDN交换机之间连接的每条链路分配逻辑网络地址，链路两端的SDN交换机分别为该网段的第1个地址和第2个地址；

(2-3)网络抗毁控制器根据IP地址及拓扑关系计算网络路由并获得路由表，然后将路由表转换成网络流表下发至各SDN交换机。

5.根据权利要求4所述的软件定义抗毁网络无损路径恢复方法，其特征在于，所述步骤(2-3)中网络抗毁控制器通过感知SDN交换机组成的网络拓扑，并根据所有分配的IP地址进行网络最短路径路由规划。

6.根据权利要求4所述的软件定义抗毁网络无损路径恢复方法，其特征在于，所述路由表包括目的网络地址、下一跳交换机的IP地址、路由表项ID，路由表存储于本地，所述网络流表包括匹配网络地址、出口端口号。

7.根据权利要求6所述的软件定义抗毁网络无损路径恢复方法，其特征在于，所述步骤(3)包括如下步骤：

(3-1)用G表示网络拓扑，根据最短路径算法计算网络最短路径矩阵spa1；从最短路径矩阵获得端到端最短路径，从而可以建立所有节点对之间的路由；

(3-2)当路径毁伤断开时，抗毁控制器检测到断开链路两端的交换机的dpid和IP地址，分别是dpid1和dpid2、ip1和ip2；

(3-3)查询网络最短路径矩阵spa1，找到通过dpid1和dpid2的路由，即为链路毁伤后受影响的路由，从dpid1到dpid2方向记录为route1，从dpid2到dpid1方向记录为route2，从G中删除链路(dpid1，dpid2)，计算dpid1到dpid2的最短路径P；

(3-4)对节点dpid1上通过链路(dpid1，dpid2)的路由，更新流表转为dpid1在路径P上的下一跳节点，针对路径P上的其他节点依次更新相应的流表；对节点dpid2上通过链路(dpid2，dpid1)的路由，更新流表转为dpid2在路径P上的下一跳节点，针对路径P上的其他节点依次更新相应的流表。

8.根据权利要求7所述的软件定义抗毁网络无损路径恢复方法，其特征在于，所述步骤(4)包括如下步骤：

(4-1)遍历整个网络拓扑G，找出可以优化调整的非最短路径及与之相应的最短路径：记步骤(3)中局部恢复的路径两端的交换机为dpid1和dpid2，通过dpid1和dpid2的路由为集合routes，遍历routes中的每一条路由r，记路由r的起点和终点分别是a和b，分别计算a到dpid1的最短路径left、dpid2到b的最短路径right、dpid1到dpid2的最短路径middle、a到b的最短路径s；比较s与(left+middle+right)的大小，如果s小于(left+middle+right)，那么该条路由r为非最短路径，s为与所述非最短路径r对应的最短路径；

(4-2)对找到的最短路径，反向逐跳建立新的流表，并以低优先级方式添加流表：对于找到的一条最短路径s，反向遍历s中的每个节点，如果节点n属于原先已经运行的路由，则以低优先级方式添加流表，添加步骤为：

dest＝r.dest；

next＝节点n在路径s中的下一跳节点；

其中dest表示目标地址，r.dest表示非最短路径r的目标地址，next表示下一个转发节点地址；

(4-3)将非最短路径的路由流表删除；

(4-4)对网络毁伤恢复前的原有路径进行流表清理。