CN107995121B - 基于通配符的软件定义网络中流量统计方法 - Google Patents

基于通配符的软件定义网络中流量统计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于通配符的软件定义网络中流量统计方法，控制器以通配符为单位将软件定义网络中SDN交换机上的流划分流集合；以最小化各SDN交换机的流量统计代价为优化目标，计算各SDN交换机上待收集的流集合的信息；根据各SDN交换机上待收集的流集合的信息，向所有SDN交换机发送流量统计请求，每个请求指定某SDN交换机上的一个通配符；SDN交换机根据流量统计请求解析其中的通配符字段，将匹配该通配符的所有流的流量信息打包，生成应答包发送给控制器；控制器根据收集到的所有SDN交换机的应答包生成流量统计信息。本发明可以根据当前网络的流量状况及资源状况给每个交换机分配相应的统计任务，避免了控制信道拥塞。

Description

基于通配符的软件定义网络中流量统计方法
技术领域
本发明属于网络流量统计技术领域，具体涉及一种在软件定义网络(SoftwareDefined Network，SDN)中基于通配符的流量统计方法。
背景技术
由于现有网络架构的种种局限性，催生了软件定义网络(Software DefinedNetwork，SDN)的产生。SDN是一种基于软件的网络架构，它的核心思想是网络数据转发平面和控制管理平面的分离。在传统IP网络中，网络传输设备(例如路由器)需要分别负责数据转发功能和控制逻辑功能，因此传统网络的控制管理逻辑非常复杂。而在软件定义网络中，控制平面和数据平面分离的这种架构使得网络传输设备的功能变得简单，只需要负责转发数据，网络传输设备原本的控制功能则都交由上层的控制实体来完成。在这样的架构下，网络管理员和科研工作者只需要在控制实体中进行编程就可以对网络进行管理、配置以及研究。因此SDN不仅提高了网络的传输性能同时也使得网络的管理控制变得灵活可扩展。
控制器进行决策时需要获得当前网络的情况，而当前网络的情况是由SDN交换机收集到的统计信息(如流量信息)汇总后处理生成的，控制器汇总SDN交换机收集的流量信息的行为称为流量统计。控制器根据流量信息进行决策可以提高网络的性能，而收集流量信息需要耗费大量的网络资源，如交换机的处理能力，控制链路的带宽。这些资源是有限且珍贵的，过多的资源被流量统计任务占用会影响到网络的路由性能，因此如何有效得利用资源进行流量统计任务是个需要仔细对待的问题。
现有的流量统计策略有两种，(1)Push-based策略：控制器被动的接收SDN交换机发来的流量统计信息；(2)Pull-based策略：控制器向每个SDN交换机发送Read-State请求信息，交换机根据请求的内容，向控制器汇报相应的流量信息。由于Push-based策略导致SDN交换机向控制器频繁地发送统计信息，会耗费大量的控制器CPU资源并导致控制链路的拥塞。因此Pull-based策略成为当前SDN流量统计的首选。
现有的Pull-based策略主要有两种具体方式：(1)per-flow收集：收集每一条流信息都需要控制器发送一条Read-State请求；(2)per-switch收集：一条Read-State请求可以收集一个SDN交换机上的所有流量信息。这两种方法都会消耗大量的控制链路带宽，并且造成较长的交换机处理延迟。这将会进一步影响整个网络的包转发和路由更新。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明目的是：提供了一种基于通配符的软件定义网络中流量统计方法，可以根据当前网络的流量状况以及网络资源状况给每个交换机分配相应的统计任务。从而均衡地使用有限的网络资源，避免由于单点上资源过度使用造成的网络故障。克服了传统的流量统计方法中SDN交换机的高延迟、控制信道占用率高等缺点，可以将更多的交换机运算资源用于数据转发，从而提高了数据的传输效率，同时避免了控制信道拥塞；本发明拥有良好的拓展性，具有广阔的应用前景。
本发明的技术方案是：
一种基于通配符的软件定义网络中流量统计方法，包括以下步骤：
S01：控制器以通配符为单位将软件定义网络中SDN交换机上的流划分流集合；
S02：以最小化各SDN交换机的流量统计代价为优化目标，计算各SDN交换机上待收集的流集合的信息；
S03：根据各SDN交换机上待收集的流集合的信息，向所有SDN交换机发送流量统计请求，每个请求指定某SDN交换机上的一个通配符；
S04：SDN交换机根据流量统计请求解析其中的通配符字段，将匹配该通配符的所有流的流量信息打包，生成应答包发送给控制器；
S05：控制器根据收集到的所有SDN交换机的应答包生成流量统计信息。
优选的，所述软件定义网络采用OpenFlow协议，SDN交换机根据数据报头的匹配结果选择转发路由，并在流通过交换机时更新其统计信息。
优选的，划分的流集合满足两个约束：1)经过该交换机的每条流属于一个流集合；2)任意两个通配符对应的流集合没有交集。
优选的，所述步骤S02包括，在流量统计代价Di最小的SDN交换机上选择
Figure GDA0003116423810000031
最大的通配符，从流集合中去除该最大的通配符匹配的流，并重新计算各通配符对应的流集合的收益
Figure GDA0003116423810000032
同时将该SDN交换机的Di更新为
Figure GDA0003116423810000033
直到所有流都被选中，其中
Figure GDA0003116423810000034
为耗费的资源代价。
优选的，所述资源代价为交换机端统计延迟或者是控制链路带宽。
本发明还公开了一种基于通配符的软件定义网络中流量统计系统，包括：
流集合划分模块，通过控制器以通配符为单位将软件定义网络中SDN交换机上的流划分流集合；
待收集的流集合的信息计算模块，以最小化各SDN交换机的流量统计代价为优化目标，计算各SDN交换机上待收集的流集合的信息；
流量统计请求发送模块，根据各SDN交换机上待收集的流集合的信息，向所有SDN交换机发送流量统计请求，每个请求指定某SDN交换机上的一个通配符；
应答模块，SDN交换机根据流量统计请求解析其中的通配符字段，将匹配该通配符的所有流的流量信息打包，生成应答包发送给控制器；
统计模块，控制器根据收集到的所有SDN交换机的应答包生成流量统计信息。
优选的，所述软件定义网络采用OpenFlow协议，SDN交换机根据数据报头的匹配结果选择转发路由，并在流通过交换机时更新其统计信息。
优选的，划分的流集合满足两个约束：1)经过该交换机的每条流属于一个流集合；2)任意两个通配符对应的流集合没有交集。
优选的，所述待收集的流集合的信息计算模块还包括，在流量统计代价Di最小的SDN交换机上选择
Figure GDA0003116423810000035
最大的通配符，从流集合中去除该最大的通配符匹配的流，并重新计算各通配符对应的流集合的收益
Figure GDA0003116423810000036
同时将该SDN交换机的Di更新为
Figure GDA0003116423810000037
直到所有流都被选中，其中
Figure GDA0003116423810000038
为耗费的资源代价。
优选的，所述资源代价为交换机端统计延迟或者是控制链路带宽。
与现有技术相比，本发明的优点是：
(1)控制链路带宽使用率低：本方法流量统计的粒度是匹配通配符的流集合，相比于per-flow方法每个Read-State请求只能收集一条流的统计信息，本方法中控制器的每一条Read-State请求可以收集多条流的流量信息。避免了控制器过于频繁地发送请求，减少了对一些流更新任务的影响；相比于per-switch每次收集所有流的信息，本方法避免了一些没有必要的工作，大幅度减少了控制平面与交换机之间的交互数据。有效减少了流量统计任务使用的控制链路带宽。
(2)数据平面的资源使用率低：本方法利用各交换机上流量信息的冗余性，在不丢失统计信息的前提下，只统计每一个SDN交换机上的部分流量信息，相比于per-switch方法收集每个SDN交换机上的所有流量信息，每个SDN交换机上用于流量统计的运行代价更小，降低了SDN交换机上流量统计任务耗费的资源对于转发任务的影响。
(3)拓展性强：流量统计会耗费网络中的多种资源，如控制链路带宽，交换机的处理能力等。控制器可以根据需求改变待收集的流集合的信息计算模块优化的具体代价，从而在不同场景下有针对性的优化不同的资源，本方法的拓展性强，可以在不同的需求下都能达到令人满意的结果。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1是本发明基于通配符的软件定义网络中流量统计方法的流程图；
图2是本发明网络拓扑图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
实施例：
如图1所示，一种基于通配符的软件定义网络流量统计方法，该方法以通配符为单位在控制器端计算出需要在各个交换机上待收集流的流量信息，根据计算结果向每个SDN交换机发送相应的Read-State请求，每个Read-State请求包含一个通配符(wild-card)，通配符可以匹配经过某交换机的多条具有共同特征的流；每个交换机根据请求中的通配符字段打包部分流量信息，并发送给控制器；控制器汇总后得到全网流量统计信息，据此可以进行细粒度的包转发、路由更新等任务，以提高网络的服务质量。
通配符指定比较粗的流粒度，每个通配符可以匹配经过某交换机的具有相同特征的流，如匹配源ip地址及目的ip地址相同的所有流，因此SDN交换机接收到Read-State请求后需要应答多条流的信息。
软件定义网络可以采用OpenFlow协议，SDN交换机根据数据报头(packet header)的匹配结果选择转发路由。并在流通过交换机时更新其统计信息。控制器发送的Read-State请求属于OpenFlow中定义的Multipart Messages。
网络中的交换机记为S＝{S1，...，Sn}，n＝|S|，由于各条流的转发路径是由控制器计算的，控制器知道各个交换机上经过哪些流，将各SDN交换机上的流以通配符为单位划分流集合，划分的流集合满足两个约束：1)经过该交换机的每条流属于一个流集合；2)任意两个通配符对应的流集合没有交集。
Figure GDA0003116423810000051
代表交换机i上通配符j包含的流构成的集合，在交换机i上选择
Figure GDA0003116423810000052
获得的收益为
Figure GDA0003116423810000053
需要耗费的资源代价为
Figure GDA0003116423810000054
收益为该通配符对应的流集合含的流数
Figure GDA0003116423810000055
随着算法进行，会发生改变，初始值见表2。
资源代价有多种，可以根据应用场景变化，可以是交换机端统计延迟或者是控制链路带宽，本实施例采用统计造成的交换机端延迟作为资源代价，经过大量实验得出其代价计算公式为：
Figure GDA0003116423810000056
资源代价一经计算不再变化，每个交换机i上的通配符j被选中都会增加该交换机的总统计代价，记为Di。
(1)控制器请求：控制器以最小化max{D1，...，Dn}为目标为每个交换机选择多个通配符发送Read-State请求获取各交换机上匹配这些通配符的流的流量信息，具体计算步骤如下；
A.在Di最小的SDN交换机(若有多个交换机最小，则可以从中任选一个)上选择
Figure GDA0003116423810000061
最大的通配符(若有多个通配符的
Figure GDA0003116423810000062
最大，则可以从中任选一个)，记录下该通配符，称该通配符匹配的流被选择，将这些流从它们属于的通配符对应的流集合中去除，并重新计算各通配符对应的流集合的收益
Figure GDA0003116423810000063
同时将该SDN交换机的Di更新为
Figure GDA0003116423810000064
若还有流未被选择，控制器重新执行步骤A。
B.若所有流都被选择后，控制器向相应SDN交换机发送选择的通配符的Read-State请求。
(2)交换机应答：SDN交换机在收集到Read-State请求时，根据请求中的通配符，将匹配了该通配符的流的流量信息打包，发送给控制器。
(3)控制器汇总：控制器每收到一条应答，就将其中包含的流量信息更新，当所有流的流量信息都被更新后，本轮流量统计任务结束，根据当前网络的流量统计信息进行路由更新等操作。
为了更详细说明本发明框架，本实施例使用了如图2所示的网络，当前网络中所有流的路由信息如表1所示：
Figure GDA0003116423810000065
Figure GDA0003116423810000071
表1
各交换机上的通配符信息如表2所示：
Figure GDA0003116423810000072
Figure GDA0003116423810000081
表2
在各SDN交换机上选择收集通配符的规则是使资源利用最均衡，假设所有SDN交换机所拥有的资源都相同，具体实施步骤如下：
(1)在实施例的整个过程中，在图2所示的拓扑中，共有16条流，控制器为它们计算出了表1所示的路由路径，并在SDN交换机上部署了相应的流表项；
(2)流集合划分模块启动，控制器根据表1所示的路径，以源主机、目的主机为特征划分通配符，各通配符涵盖的流如表2所示，计算交换机上各通配符被选中耗费的交换机端处理延迟代价
Figure GDA0003116423810000082
以及获得的收益
Figure GDA0003116423810000083
(3)待收集的流集合的信息计算模块启动，控制器循环地在当前资源消耗最小的SDN交换机上选择
Figure GDA0003116423810000084
值最大的通配符，直到所有流都被选中。
(3.1)算法开始时，所有交换机流量统计延迟都为0，故可以选择任意交换机，本实施例中首先选择S1上的
Figure GDA0003116423810000085
值最大的通配符101，由于通配符101涵盖流F1、F2，发送后表2中修改所有包含F1，F2的通配符的收益，即通配符101、201、301的收益
Figure GDA0003116423810000086
修改为0，更新S1的统计延迟D1为1.59ms；
(3.2)当前流量统计延迟最小的交换机为S2、S3、S4，对应的流量统计延迟都为0，选择S2上
Figure GDA0003116423810000087
值最大的通配符204，并修改所有包含F6、F7的通配符的收益，即通配符204、303、401的收益
Figure GDA0003116423810000088
修改为0，更新S2的统计延迟D2为1.59ms；
(3.3)当前流量统计延迟最小的交换机为S3、S4，对应的流量统计延迟都为0，选择S3上
Figure GDA0003116423810000091
值最大的通配符306，并修改所有包含F11、F12的通配符的收益，即通配符306、207、403的收益
Figure GDA0003116423810000092
修改为0，更新S2的统计延迟D3为1.59ms；
(3.4)当前流量统计延迟最小的交换机为S4，对应的流量统计延迟为0，选择S4上
Figure GDA0003116423810000093
值最大的通配符402，并修改所有包含F8、F9的通配符的收益，即通配符402、205、304的收益
Figure GDA0003116423810000094
修改为0，更新S2的统计延迟D4为1.59ms；
(3.5)当前流量统计延迟最小的交换机为S1、S2、S3、S4，对应的流量统计延迟都为1.59ms，选择S1上
Figure GDA0003116423810000095
值最大的通配符102，并修改所有包含F3、F4的通配符的收益，即通配符102、202、302的收益
Figure GDA0003116423810000096
修改为0，更新S1的统计延迟D1为3.18ms；
(3.6)当前流量统计延迟最小的交换机为S2、S3、S4，对应的流量统计延迟都为1.59ms，选择S2上
Figure GDA0003116423810000097
值最大的通配符203，并修改所有包含F5的通配符的收益，即通配符203、103的收益
Figure GDA0003116423810000098
修改为0，更新S2的统计延迟D2为2.99ms；
(3.7)当前流量统计延迟最小的交换机为S3、S4，对应的流量统计延迟都为1.59ms，选择S3上
Figure GDA0003116423810000099
值最大的通配符305，并修改所有包含F10的通配符的收益，即通配符305、104、206的收益
Figure GDA00031164238100000910
修改为0，更新S3的统计延迟D3为2.99ms；
(3.8)当前流量统计延迟最小的交换机为S4，对应的流量统计延迟为1.59ms，选择S4上
Figure GDA00031164238100000911
值最大的通配符404，并修改所有包含F13的通配符的收益，即通配符404、208、307的收益
Figure GDA0003116423810000101
修改为0，更新S4的统计延迟D4为2.99ms；
(3.9)当前流量统计延迟最小的交换机为S2、S3、S4，对应的流量统计延迟都为2.99ms，选择S2上
Figure GDA0003116423810000102
值最大的通配符209，并修改所有包含F15的通配符的收益，即通配符209、406的收益
Figure GDA0003116423810000103
修改为0，更新S2的统计延迟D2为4.39ms；
(3.10)当前流量统计延迟最小的交换机为S3、S4，对应的流量统计延迟都为2.99ms，选择S3上
Figure GDA0003116423810000104
值最大的通配符308，并修改所有包含F14的通配符的收益，即通配符308、105、405的收益
Figure GDA0003116423810000105
修改为0，更新S3的统计延迟D3为4.39ms；
(3.11)当前流量统计延迟最小的交换机为S4，对应的流量统计延迟为2.99ms，选择S4上
Figure GDA0003116423810000106
值最大的通配符407，并修改所有包含F16的通配符的收益，即通配符407、309的收益
Figure GDA0003116423810000107
修改为0，更新S4的统计延迟D4为4.39ms。至此所有的流的流量信息都被选择，计算结束；
(4)流量统计请求发送模块启动，控制器向S1发送两条Read-State请求，分别请求通配符101、102代表的流集合
Figure GDA0003116423810000108
中流的流量信息；向S2发送三条Read-State请求，分别请求通配符203、204、209代表的流集合
Figure GDA0003116423810000109
中流的流量信息；向S3发送三条Read-State请求，分别请求通配符305、306、308代表的流集合
Figure GDA00031164238100001010
中流的流量信息；向S4发送三条Read-State请求，分别请求通配符402、404、407代表的流集合
Figure GDA00031164238100001011
中流的流量信息；
(5)各SDN交换机收到Read-State请求后，启动应答模块，将匹配请求中通配符涵盖的流量信息打包发送给控制器；
(6)控制器收到所有请求的应答后，启动统计模块，将流量统计信息汇总，构造出网络中所有流的流量统计信息，可以根据这些信息进行路由更新等操作，提高网络性能。
本发明的软件定义网络中控制器基于通配符选择的流量统计方法，可以有效地使用网络资源收集网络中所有流的流量信息。由于各条流的转发路径是由控制器计算的，控制器知道各交换机上经过的流，借此让每个SDN交换机选择部分流量信息上报给控制，控制器接收到所有交换机上报的流量信息后可以汇总生成整个网络的流量统计信息，进行更加有效的路由选择。
上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于通配符的软件定义网络中流量统计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01：控制器以通配符为单位将软件定义网络中SDN交换机上的流划分流集合；
S02：以最小化各SDN交换机的流量统计代价为优化目标，计算各SDN交换机上待收集的流集合的信息；在流量统计代价Di最小的SDN交换机上选择
Figure FDA0003116423800000011
最大的通配符，从流集合中去除该最大的通配符匹配的流，并重新计算各通配符对应的流集合的收益
Figure FDA0003116423800000012
同时将该SDN交换机的Di更新为
Figure FDA0003116423800000013
直到所有流都被选中，其中
Figure FDA0003116423800000014
为耗费的资源代价；其中,Di为交换机i的流量总统计代价,i＝1,2,...n；
Figure FDA0003116423800000015
为在交换机上选择
Figure FDA0003116423800000016
获得的收益,
Figure FDA0003116423800000017
为在交换i上选择
Figure FDA0003116423800000018
要耗费的资源代价；
Figure FDA0003116423800000019
为交换机i上通配符j包含的流构成的集合；
S03：根据各SDN交换机上待收集的流集合的信息，向所有SDN交换机发送流量统计请求，每个请求指定某SDN交换机上的一个通配符；
S04：SDN交换机根据流量统计请求解析其中的通配符字段，将匹配该通配符的所有流的流量信息打包，生成应答包发送给控制器；
S05：控制器根据收集到的所有SDN交换机的应答包生成流量统计信息。
2.根据权利要求1所述的基于通配符的软件定义网络中流量统计方法，其特征在于，所述软件定义网络采用OpenFlow协议，SDN交换机根据数据报头的匹配结果选择转发路由，并在流通过交换机时更新其统计信息。
3.根据权利要求1所述的基于通配符的软件定义网络中流量统计方法，其特征在于，划分的流集合满足两个约束：1)经过该交换机的每条流属于一个流集合；2)任意两个通配符对应的流集合没有交集。
4.根据权利要求3所述的基于通配符的软件定义网络中流量统计方法，其特征在于，所述资源代价为交换机端统计延迟或者是控制链路带宽。
5.一种基于通配符的软件定义网络中流量统计系统，其特征在于，包括：
流集合划分模块，通过控制器以通配符为单位将软件定义网络中SDN交换机上的流划分流集合；
待收集的流集合的信息计算模块，以最小化各SDN交换机的流量统计代价为优化目标，计算各SDN交换机上待收集的流集合的信息；在流量统计代价Di最小的SDN交换机上选择
Figure FDA00031164238000000110
最大的通配符，从流集合中去除该最大的通配符匹配的流，并重新计算各通配符对应的流集合的收益
Figure FDA00031164238000000111
同时将该SDN交换机的Di更新为
Figure FDA00031164238000000112
直到所有流都被选中，其中
Figure FDA00031164238000000113
为耗费的资源代价；其中,Di为交换机i的流量总统计代价,i＝1,2,...n；
Figure FDA0003116423800000021
为在交换机上选择
Figure FDA0003116423800000022
获得的收益,
Figure FDA0003116423800000023
为在交换i上选择
Figure FDA0003116423800000024
要耗费的资源代价；
Figure FDA0003116423800000025
为交换机i上通配符j包含的流构成的集合；
流量统计请求发送模块，根据各SDN交换机上待收集的流集合的信息，向所有SDN交换机发送流量统计请求，每个请求指定某SDN交换机上的一个通配符；
应答模块，SDN交换机根据流量统计请求解析其中的通配符字段，将匹配该通配符的所有流的流量信息打包，生成应答包发送给控制器；
统计模块，控制器根据收集到的所有SDN交换机的应答包生成流量统计信息。
6.根据权利要求5所述的基于通配符的软件定义网络中流量统计系统，其特征在于，所述软件定义网络采用OpenFlow协议，SDN交换机根据数据报头的匹配结果选择转发路由，并在流通过交换机时更新其统计信息。
7.根据权利要求5所述的基于通配符的软件定义网络中流量统计系统，其特征在于，划分的流集合满足两个约束：1)经过该交换机的每条流属于一个流集合；2)任意两个通配符对应的流集合没有交集。
8.根据权利要求7所述的基于通配符的软件定义网络中流量统计系统，其特征在于，所述资源代价为交换机端统计延迟或者是控制链路带宽。
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