CN108322406A - 一种基于链路性能和流分类的sdn数据平面故障恢复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及通信领域,更具体地,涉及一种基于链路性能和流分类的SDN数据平面故障恢复方法。包括以下步骤:S1.选取备份路径的性能参数,对衡量链路性能的参数进行定义;S2.根据数据流的QoS请求将数据流划分为多个等级;S3.对不同优先级数据流部署恢复策略。在本发明中,该方法能够选取性能更加优越的备份路径,并且能够科学地将数据流划分等级,除此以外为不同等级的数据流部署相应的恢复策略。性能优越的备份路径的选取使得故障恢复后数据流的平均吞吐量最大化,数据流的分类和相应的恢复策略使得故障造成的损失最小化。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域,更具体地,涉及一种基于链路性能和流分类的SDN数据平面故障恢复方法。
背景技术
软件定义网络(SDN,Software Defined Network)是一种重要的新型网络技术。该技术将转发节点的数据转发功能和控制功能相分离,控制功能集中到一个中心化的控制器上,控制器拥有对整个SDN网络的宏观视角并提供可编程的接口来控制整个网络。SDN网络是可编程化的,网络管理人员可以通过编程控制网络组件的行为,这使得网络能够快速地在故障发生后恢复通信。检测到故障后,根据恢复策略预先部署的流表规则被触发,数据包沿预先配置的备份路径到达目的地。
然而,备份路径的性能有可能成为故障恢复效果的瓶颈。备份路径本身也承载着数据通信的任务,在故障发生之后,备份路径额外承担着转发受故障影响的数据流的任务。当网络繁忙通信数据流巨大,故障的发生将增加备份路径的负担,如果在选取备份路径时没有考虑到备份路径的性能,没有充分考虑备份路径的各方面指标,则可能造成故障发生后部分路径负载过高,导致网络拥塞。除此以外,不同数据流的重要性不同,故障的发生对不同数据流造成的损失不同,且备份资源有限,为重要性高的数据流配置部署更多的备份资源,使得通信双方更快地恢复通信,对重要性低的数据流部署较少的备份资源,使得通信双方能够在忍受的范围内恢复通信,这能够在备份资源有限的情况下有效减少故障造成的损失。因此划分数据流并配置不同恢复策略十分重要。
数据平面故障的恢复效果与备份路径的选取有关,也与配置的恢复策略有关。在给定一个SDN网络的情况下,怎么选取备份路径,怎样配置恢复策略使得故障造成的损失最小成为了数据平面故障恢复的关键问题,该问题称为数据平面故障恢复问题。已有的许多文献从不同角度对数据平面故障恢复问题进行建模,尽可能提供实用有效的数据平面故障恢复方法。对已有的文献进行检索、比较和分析,筛选出如下与本发明相关度比较高的技术信息:
文献方案1:《Enabling Fast Failure Recovery in OpenFlow Networks》使用被动式策略来进行故障恢复,链路发生故障,故障链路直连的节点通过端口状态的变化检测到故障,并将故障事件发送给控制器,控制器更新拓扑计算备份路径并下发备份路径流表项,原工作路径流表项被删除后实现重路由,数据通信得以恢复。
文献方案2:《Class–based Traffic Recovery with Load Balancing inSoftware–Defined Networks》以端口负载和链路利用率为参数得到链路成本,然后利用可变的成本分配策略和Dijkstra算法实现负载均衡,除此以外该作者将数据流分成3个等级,并为其配置不同恢复策略。
文献方案3:《OpenFlow-Based Segment Protection in Ethernet Networks》为备份路径和工作路径设置了不同的优先级,除此以外拓展了OpenFlow协议实现故障的本地恢复,恢复过程无需控制器干涉。
文献方案4:《Fast Recovery in Software-Defined Networks》中,作者利用Bidirectional Forwarding Detection(BFD)协议来减少故障检测时间,利用组表来实现工作路径与备份路径的切换,除此以外,为了预防链路故障,对于一条流配置多条备份路径,备份路径连接目的地和工作路径上的每一节点。
文献方案5:《Failure Recovery Using Vlan-tag in SDN:High Speed with LowMemory Requirement》提出一种减少资源消耗的故障恢复策略,故障发生后利用标签技术聚合数据流,并将数据流发往故障链路的另一端。
上述文献方案1属于被动式恢复方法,故障恢复由控制器实现,但由于交换机与控制器之间的通信大大增加了故障恢复的时延。
上述文献方案2-5都属于主动式恢复方法,文献2主要依赖链路成本选取备份路径以实现负载均衡,但是没有考虑到链路的其他指标,有可能导致备份路径整体性能不佳,影响故障恢复效果,除此以外文献2没有提出具体地将流划分等级的方法或者指标,并且其为优先级最高的流配置1+1策略(即数据流同时在工作路径和备份路径上传输,工作路径发生故障不会中断数据通信),过于浪费带宽资源。对于文献3,OpenFlow协议的拓展复杂度过高,并且文献3和文献4在部署备份路径时没有考虑到数据流的重要性,所有数据流部署相同的恢复策略,增加恢复所需资源。对于文献5,备份路径的选取没有考虑到链路多方面指标。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种基于链路性能和流分类的SDN数据平面故障恢复方法,能够选取性能更加优越的备份路径,并且能够科学地将数据流划分等级,为不同等级的数据流部署相应的恢复策略,使得故障恢复后数据流的平均吞吐量最大化。
为解决上述问题,本发明提供的技术方案为:一种基于链路性能和流分类的SDN数据平面故障恢复方法,其中,包括以下步骤:
S1.选取备份路径的性能参数,对衡量链路性能的参数进行定义;
S2.根据数据流的QoS请求将数据流划分为多个等级;
S3.对不同优先级数据流部署恢复策略。
在本发明中,该方法能够选取性能更加优越的备份路径,并且能够科学地将数据流划分等级,除此以外为不同等级的数据流部署相应的恢复策略。性能优越的备份路径的选取使得故障恢复后数据流的平均吞吐量最大化,数据流的分类和相应的恢复策略使得故障造成的损失最小化。
进一步地,所述的S1步骤中选取的备份路径的性能参数包括链路l的时延Tl、链路l的可用带宽BWl、链路l的丢包率PLl、链路l的可靠性Rl(t)。
进一步地,对于一个SDN网络G G=(V,E),定义链路l的性能指标为:
其中链路可靠性Rl(t)的定义为:
其中,N(t)代表在时间段[0,t]内进行的检测链路是否故障的次数,nw(t)代表在时间段[0,t]内检测过程中没有出现故障的次数。时延越短、可用带宽越多、丢包率越小,可靠性越高,参数LPFP(l)越小,链路l性能越高。使用Dijkstra算法选取备份路径时性能更加优越的链路更容易被选上。
进一步地,所述的S2步骤选取3个QoS指标恢复时延、丢包率、可用带宽,根据数据流的QoS请求将数据流划分为3个等级。不同等级的数据流对QoS有着不同的要求,有的数据流对恢复时延十分敏感,如视频通信的数据流,有的数据流能够忍受较长的恢复时延,如电子邮件的数据流。
进一步地,设frc(f)代表数据流f的恢复时延要求,fb(f)代表数据流f的可用带宽要求,fpl(f)代表数据流f的丢包率要求;LPS代表低优先级数据流的集合,MPS代表中等优先级数据流的集合,HPS代表高优先级数据流的集合;其划分数据流等级的具体步骤包括:
S201.开始整个流程;
S202.输入数据流集合F、网络平均带宽NVB、数据流的QoS要求函数frc、fb、fpl、存储各优先级数据流的集合LPS、MPS、HPS置为
S203.从F-LPS-MPS-HPS中选取出一条流f;
S204.先判断数据流f的恢复时延要求是否小于规定数值;
S205.如果不满足,即数据流f的恢复时延要求大于规定数值,这代表该数据流对恢复时延的要求较低,则将该数据流放入低优先级数据流集合LPS;
S206.判断数据流f的带宽要求是否小于NVB;
S207.如果不满足,即数据流f的带宽要求大于网络平均带宽(NVB),这代表数据流f有较高的带宽资源需求,则将该数据流放入高优先级数据流集合HPS;
S208.将数据流放入中等优先级数据流集合MPS;
S209.判断数据流集合F是否等于LPS+MPS+HPS,如果不相等,即存在数据流f∈F没有被判定优先级,则重新执行步骤S203至S209;
S210.输出数据流集合LPS,MPS,HPS;
S211.结束整个流程。
进一步地,对低优先级数据流采用反应式恢复策略;对中等优先级数据流采用主动式恢复策略;对高等优先级数据流采用主动式恢复策略。对于低优先级数据流,因为可以忍受较长的故障恢复时延,因此采用反应式恢复策略,即故障发生后,检测到故障的交换机将故障信息报告给控制器,控制器更新网络拓扑后为受故障影响的数据流计算新的备份路径,然后下发备份资源实现重路由,通信得以恢复。对于中等优先级数据流,对恢复时延有着较高要求,采用主动式恢复策略,即备份资源提前下发,为预防故障提前部署备份路径。对于中等优先级数据流,为预防其工作路径上的某一条链路故障,提前部署一条备份路径,该备份路径的目的地为故障链路另一端。对于高等优先级数据流,对恢复时延有着较高要求,采用主动式恢复策略,且对带宽资源有着较高要求。如果数据流为高等优先级数据流,为预防某一条链路故障,我们为该数据流预先部署两条备份路径,第一条备份路径目的地为故障链路另一端,第二条备份路径的目的地为另一端通信主机。
与现有技术相比,有益效果是:本发明提供的一种基于链路性能和流分类的SDN数据平面故障恢复方法,利用时延、可用带宽、丢包率和可靠性得到链路的性能指标,基于该指标选取出的备份路径性能更加优越,故障恢复后数据流的平均吞吐量更高;利用QoS请求将数据流分类,并为其部署不同恢复策略,使得在备份资源有限的情况下优先级高的数据流得到较多的备份资源,优先级低的数据流得到较少的备份资源,从而在备份资源有限的情况下有效减少故障造成的损失。
附图说明
图1为本发明方法流程图。
图2为本发明基于链路性能选取备份路径案例图。
图3为本发明算法流程图。
图4为本发明基于流分类部署备份路径案例图。
图5为本发明链路性能指标效果图。
图6为本发明流分类效果图。
具体实施方式
如图1所示,一种基于链路性能和流分类的SDN数据平面故障恢复方法,其中,包括以下步骤:
S1.选取备份路径的性能参数,对衡量链路性能的参数进行定义;
S2.根据数据流的QoS请求将数据流划分为多个等级;
S3.对不同优先级数据流部署恢复策略。
在本发明中,该方法能够选取性能更加优越的备份路径,并且能够科学地将数据流划分等级,除此以外为不同等级的数据流部署相应的恢复策略。性能优越的备份路径的选取使得故障恢复后数据流的平均吞吐量最大化,数据流的分类和相应的恢复策略使得故障造成的损失最小化。
具体地,S1步骤中选取的备份路径的性能参数包括链路l的时延Tl、链路l的可用带宽BWl、链路l的丢包率PLl、链路l的可靠性Rl(t)。如图2所示,T代表链路时延,BW代表链路可用带宽,数据流的工作路径为<source,s1,s2,s3,destination>,如果按照文献方案4中的要求,备份路径与工作路径不相交,且和大部分文献一样仅根据链路时延选取备份路径,该流的备份路径存在两种选择<s1,s6,s7,s3>和<s1,s4,s5,s3>。但是考虑到可用带宽,明显后者性能更加优越,因此在选取备份路径时需要考虑到链路的各方面属性。
其中,对于一个SDN网络G G=(V,E),定义链路l的性能指标为:
其中链路可靠性Rl(t)的定义为:
其中,N(t)代表在时间段[0,t]内进行的检测链路是否故障的次数,nw(t)代表在时间段[0,t]内检测过程中没有出现故障的次数。时延越短、可用带宽越多、丢包率越小,可靠性越高,参数LPFP(l)越小,链路l性能越高。使用Dijkstra算法选取备份路径时性能更加优越的链路更容易被选上。
另外,S2步骤选取3个QoS指标恢复时延、丢包率、可用带宽,根据数据流的QoS请求将数据流划分为3个等级。不同等级的数据流对QoS有着不同的要求,有的数据流对恢复时延十分敏感,如视频通信的数据流,有的数据流能够忍受较长的恢复时延,如电子邮件的数据流。
具体地,设frc(f)代表数据流f的恢复时延要求,fb(f)代表数据流f的可用带宽要求,fpl(f)代表数据流f的丢包率要求;LPS代表低优先级数据流的集合,MPS代表中等优先级数据流的集合,HPS代表高优先级数据流的集合;如图3所示,其划分数据流等级的具体步骤包括:
S201.开始整个流程;
S202.输入数据流集合F、网络平均带宽NVB、数据流的QoS要求函数frc、fb、fpl、存储各优先级数据流的集合LPS、MPS、HPS置为
S203.从F-LPS-MPS-HPS中选取出一条流f;
S204.先判断数据流f的恢复时延要求是否小于规定数值;
S205.如果不满足,即数据流f的恢复时延要求大于规定数值,这代表该数据流对恢复时延的要求较低,则将该数据流放入低优先级数据流集合LPS;
S206.判断数据流f的带宽要求是否小于NVB;
S207.如果不满足,即数据流f的带宽要求大于网络平均带宽(NVB),这代表数据流f有较高的带宽资源需求,则将该数据流放入高优先级数据流集合HPS;
S208.将数据流放入中等优先级数据流集合MPS;
S209.判断数据流集合F是否等于LPS+MPS+HPS,如果不相等,即存在数据流f∈F没有被判定优先级,则重新执行步骤S203至S209;
S210.输出数据流集合LPS,MPS,HPS;
S211.结束整个流程。
另外,对低优先级数据流采用反应式恢复策略;对中等优先级数据流采用主动式恢复策略;对高等优先级数据流采用主动式恢复策略。对于低优先级数据流,因为可以忍受较长的故障恢复时延,因此采用反应式恢复策略,即故障发生后,检测到故障的交换机将故障信息报告给控制器,控制器更新网络拓扑后为受故障影响的数据流计算新的备份路径,然后下发备份资源实现重路由,通信得以恢复。对于中等优先级数据流,对恢复时延有着较高要求,采用主动式恢复策略,即备份资源提前下发,为预防故障提前部署备份路径。对于中等优先级数据流,为预防其工作路径上的某一条链路故障,提前部署一条备份路径,该备份路径的目的地为故障链路另一端。如图4所示,工作路径为<source,s1,s2,s3,destination>。如果数据流优先级为中等,为预防链路<s1,s2>故障,给该数据流预先部署备份路径<s1,s4,s2>。如果链路<s1,s2>故障,数据流沿着路径<s1,s4,s2,s3,destination>传输,如此后续工作路径(s2-s3)的带宽资源仍可得到利用。对于高等优先级数据流,对恢复时延有着较高要求,采用主动式恢复策略,且对带宽资源有着较高要求。如果数据流为高等优先级数据流,为预防某一条链路故障,我们为该数据流预先部署两条备份路径,第一条备份路径目的地为故障链路另一端,第二条备份路径的目的地为另一端通信主机。如图4所示,工作路径为<source,s1,s2,s3,destination>,如果数据流为高优先级数据流,为预防链路<s1,s2>故障,我们为该数据流预先部署两条备份路径,第一条备份路径为<s1,s4,s2>,第二条备份路径为<s1,s6,s7,s3>。如果链路<s1,s2>故障,数据流优先沿着第一条备份路径<s1,s4,s2,s3,destination>到达目的地,如果第一条备份路径带宽资源不够,数据流的部分数据包沿着第二条备份路径<s1,s6,s7,s3,destination>到达目的地。
在本发明实施例中,使用Atalanta、German、Polska骨干网络拓扑进行仿真实验,我们使用Mininet模拟网络,使用Floodlight作为控制器,其能支持OpenFlow 1.3协议。流量模型为随机模型,每一台主机随机向另一台主机发送恒定带宽的数据流,数据流的产生使用Iperf。
如图5、图6所示,第一个实验我们评估性能指标LPFP的有效性。对比实验依靠时延DL选取备份路径,评价指标为故障恢复后数据流的平均吞吐量。
第二个实验我们评估数据流分类并部署不同恢复策略的有效性,对比实验为不将数据流分类,故障发生将数据流沿着一条备份路径发往故障链路另一端。评价指标为故障给数据流造成的平均损失avgLoss,其定义如下:
其中ldl(f)代表低优先级数据流f的恢复时延,mdl(f)代表中等优先级数据流f的恢复时延,hdl(f)代表高优先级数据流f的恢复时延。n代表数据流的数量,Loss代表故障造成的总损失,avgLoss代表故障给每条流造成的平均损失。
在实验中我们设置:α:β:γ=4:2:1。
显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于链路性能和流分类的SDN数据平面故障恢复方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1.选取备份路径的性能参数,对衡量链路性能的参数进行定义;
S2.根据数据流的QoS请求将数据流划分为多个等级;
S3.对不同优先级数据流部署恢复策略。
2.根据权利要求1所述的一种基于链路性能和流分类的SDN数据平面故障恢复方法,其特征在于,所述的S1步骤中选取的备份路径的性能参数包括链路l的时延Tl、链路l的可用带宽BWl、链路l的丢包率PLl、链路l的可靠性Rl(t)。
3.根据权利要求2所述的一种基于链路性能和流分类的SDN数据平面故障恢复方法,其特征在于,对于一个SDN网络G G=(V,E),定义链路l的性能指标为:
其中链路可靠性Rl(t)的定义为:
其中,N(t)代表在时间段[0,t]内进行的检测链路是否故障的次数,nw(t)代表在时间段[0,t]内检测过程中没有出现故障的次数。
4.根据权利要求3所述的一种基于链路性能和流分类的SDN数据平面故障恢复方法,其特征在于,所述的S2步骤选取3个QoS指标恢复时延、丢包率、可用带宽,根据数据流的QoS请求将数据流划分为3个等级。
5.根据权利要求4所述的一种基于链路性能和流分类的SDN数据平面故障恢复方法,其特征在于,设frc(f)代表数据流f的恢复时延要求,fb(f)代表数据流f的可用带宽要求,fpl(f)代表数据流f的丢包率要求;LPS代表低优先级数据流的集合,MPS代表中等优先级数据流的集合,HPS代表高优先级数据流的集合;其划分数据流等级的具体步骤包括:
S201.开始整个流程;
S202.输入数据流集合F、网络平均带宽NVB、数据流的QoS要求函数frc、fb、fpl、存储各优先级数据流的集合LPS、MPS、HPS置为
S203.从F-LPS-MPS-HPS中选取出一条流f;
S204.先判断数据流f的恢复时延要求是否小于规定数值;
S205.如果不满足,即数据流f的恢复时延要求大于规定数值,这代表该数据流对恢复时延的要求较低,则将该数据流放入低优先级数据流集合LPS;
S206.判断数据流f的带宽要求是否小于NVB;
S207.如果不满足,即数据流f的带宽要求大于网络平均带宽(NVB),这代表数据流f有较高的带宽资源需求,则将该数据流放入高优先级数据流集合HPS;
S208.将数据流放入中等优先级数据流集合MPS;
S209.判断数据流集合F是否等于LPS+MPS+HPS,如果不相等,即存在数据流f∈F没有被判定优先级,则重新执行步骤S203至S209;
S210.输出数据流集合LPS,MPS,HPS;
S211.结束整个流程。
6.根据权利要求5所述的一种基于链路性能和流分类的SDN数据平面故障恢复方法,其特征在于,对低优先级数据流采用反应式恢复策略;对中等优先级数据流采用主动式恢复策略;对高等优先级数据流采用主动式恢复策略。
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