CN108600104A - 一种基于树状路由的sdn物联网流量聚合方法 - Google Patents

一种基于树状路由的sdn物联网流量聚合方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于树状路由的SDN物联网流量聚合方法，该方法在图中选取容量最大的链路构成最大生成树，之后尽量让流配置在树上运行以尽可能聚合流表项，这时采用的流表项为缺省流表项或目的地址匹配的中优先级的流表项，数目很少。该方法能够极强地聚合流表项从而减少对TCAMs大小的要求，通过设置生成一棵主干树，让大量的流集中在主干的生成树中，在结合各个节点对最大流量端口使用默认流表项，将能极大程度地聚合流从而减少流表项，而对于主干树容量不足时的情况，也能利用其它节点与链路保证流的成功配置。

Description

一种基于树状路由的SDN物联网流量聚合方法
技术领域
本发明属于物联网技术领域，具体涉及一种基于树状路由的SDN物联网流量聚合方法。
背景技术
物联网(Internet of Things，IoT)由具有异构特征的许多设备(比如传感器、智能手机和嵌入式系统等)组成，因此需要新的网络架构来适应数据爆炸式增长并控制物联网中的远程设备。软件定义网络(Software Defined Network)是一个合适的选择，因为它能提供物联网服务所需要的可扩展性与多功能性，SDN架构采用集中的控制器配置SDN交换机的流表项，支持流的动态部署。然而，流表项存储在昂贵且能耗极高的三态内容可寻址存储器(Ternary Content Addressable Memory，TCAM)中，其大小有限，这在具有大量设备连接的物联网背景中成了制约网络能力的瓶颈。
然而，现有的很多SDN物联网技术中均没有考虑这个问题，现有的一个研究方向中提出将SDN应用于IoT的安全架构，然后并没有考虑流表项数目限制这样的性能相关的问题；另一研究中为了处理物联网的大量设备，提出了一个基于云的基础设施共享机制，然而也没有考虑每个交换机的TCAMs在物理上容量受限的问题。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的基于树状路由的SDN物联网流量聚合方法解决了现有的SDN物联网流表项短缺的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于树状路由的SDN物联网流量聚合方法，包括以下步骤，
S1、输入网络拓扑图G(V，E，W)，根据输入图G(V，E，W)的内容，生成一棵链路容量最大的树GT(VT，ET)；
其中V为SDN交换机节点集合，E为链路集合，W为各链路容量集合；VT为树中所有节点的集合，ET为树中所有链路的集合；
S2、根据生成树，进行树上流的初分配；
S3、对树中所有节点判断其流表项数目是否超过容量限制，若是进入步骤S31，否则进入步骤S4；
S31、撤销超过容量限制的节点的流在树上的路径配置，直到节点的流表项数目不再超过容量限制，并进入步骤S4；
S4、对树中的每条链路，判断其经过的流的总大小是否超过链路容量限制，若是则进入步骤S41，否则进入步骤S5；
S41、撤销超过链路容量限制的链路的流在树上的路径配置，链路的流的总大小不再超过链路容量限制，并进入步骤S5；
S5、判断树中的待分配的流的集合Fw是否为空集，若是则进入步骤S6，否则进入步骤S51；
S51、对树中待分配的流进行再分配，直到Fw为空集，并进入步骤S6；
S6、完成树中所有流的分配，实现SDN物联网的流量聚合。
进一步地，所述步骤S1具体为输入G(V，E，W)，初始化地令VT＝V，ET为空集；然后对E中所有链路按链路容量W从大到小排序，依次对E中所有的链路(u,v)循环；判断该链路(u,v)是否在树中属于同一连通分支，是则进行下一条链路(u,v)的循环判断，否则令ET＝ET∪(u,v)，直到当|ET|＝|VT|-1时结束链路(u,v)的循环，输出树GT(VT，ET)，实现生成一个链路容量最大的树。
进一步地，所述步骤S2具体为：
S21、对树中所有流f，将其路径设置为树上的唯一路径pft；
其中f∈F，F为树中所有流的集合；
S22、对树中每个交换机节点u，统计其需要转发向各端口的流的数目，选择最大的端口作为该节点需新增的匹配域为“Default”的流表项的转发端口，新增该“Default”流表项并设置其优先级为“Low”；
其中，u∈VT，VT为树中所有节点的集合；
S23、对输出向其它端口的流，为其新增按目的地址匹配的流表项，并设置优先级为“Middle”。
进一步地，所述步骤S31具体为：
设该超过容量限制的节点为u，首先对经过该节点且输出端口不是默认端口的所有流fu按从小到大排序，依次删除fu在树上的路径配置，直到节点u的流表项数目不再超过容量限制Cu；
其中，fu∈Fw，Fw表示待分配的流的集合。
进一步地，所述步骤S41具体为：
设该超过链路容量限制的链路为(u，v)，对经过该链路的所有流f(u,w)按从大到小排序，依次删除f(u,w)在树上的路径分配，直到经过链路(u，v)的流的总大小不再超过链路容量限制C(u，v)；
其中，f(u,w)∈Fw，Fw表示待分配的流的集合。
进一步地，所述步骤S5中的待分配的流的集合Fw包括步骤S31和步骤S41中撤销的流。
进一步地，所述步骤S51具体为：
将所有流f∈Fw，按流f的大小Cf从大到小进行排序，依次对每条流f在G(V，E，W)中确定一条可行最短路，对该条路上需要新建流表项的各节点，新建源宿地址精确匹配的流表项，并设置优先级为“High”，然后将该流f从Fw中删除。
进一步地，每条所述流f在G(V，E，W)中确定的可行最短路为该路的组成链路需满足的条件为：该链路容量能够承载该流f，且对于所有流表项容量满载节点u*，以其为起点的邻接链路中，除了对该流f的默认转发端口指向的链路外，其余链路均不可成为该流f在G(V，E，W)的可行最短路的组成链路。
本发明的有益效果为：本发明提供的基于树状路由的SDN物联网流量聚合方法能够极强地聚合流表项从而减少对TCAMs大小的要求，通过设置生成一棵主干树，让大量的流集中在主干的生成树中，在结合各个节点对最大流量端口使用默认流表项，将能极大程度地聚合流从而减少流表项，而对于主干树容量不足时的情况，也能利用其它节点与链路保证流的成功配置。
附图说明
图1为本发明提供的实施例中基于树状路由的SDN物联网流量聚合方法实现流程图。
图2为本发明提供的实施例中树上流初分配实现流程图。
图3为本发明提供的实施例中网络拓扑图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种基于树状路由的SDN物联网流量聚合方法，包括以下步骤，
S1、输入网络拓扑图G(V，E，W)，根据输入图G(V，E，W)的内容，生成一棵链路容量最大的树GT(VT，ET)；
其中V为SDN交换机节点集合，E为链路集合，W为各链路容量集合；VT为树中所有节点的集合，ET为树中所有链路的集合；
上述图G为需要进行流量聚合的SDN物联网的网络拓扑图；
上述步骤S1具体为：输入G(V，E，W)，初始化地令VT＝V，ET为空集；然后对E中所有链路按链路容量W从大到小排序，依次对E中所有的链路(u,v)循环；判断该链路(u,v)是否在树中属于同一连通分支，是则进行下一条链路(u,v)的循环判断，否则令ET＝ET∪(u,v)，直到当|ET|＝|VT|-1时结束链路(u,v)的循环，输出树GT(VT，ET)，实现生成一个链路容量最大的树。
上述生成链路容量最大的树的过程，实际上是调用修改了的用来求最小生成树的Kruskal算法。
S2、根据生成树，进行树上流的初分配。
如图2所示，上述步骤S2具体为：
S21、对树中所有流f，将其路径设置为树上的唯一路径pft；
其中f∈F，F为树中所有流的集合；
S22、对树中每个交换机节点u，统计其需要转发向各端口的流的数目，选择最大的端口作为该节点需新增的匹配域为“Default”的流表项的转发端口，新增该“Default”流表项并设置其优先级为“Low”；
其中，u∈VT，VT为树中所有节点的集合；
S23、对输出向其它端口的流，为其新增按目的地址匹配的流表项，并设置优先级为“Middle”。
S3、对树中所有节点判断其流表项数目是否超过容量限制，若是进入步骤S31，否则进入步骤S4。
上述容量限制是根据输入的中各个交换机节点的TCAMs空间大小确定的，输入的G确定，即容量限制已确定。
S31、撤销超过容量限制的节点的流在树上的路径配置，直到节点的流表项数目不再超过容量限制，并进入步骤S4；
上述步骤S31具体为：
设该超过容量限制的节点为u，首先对经过该节点且输出端口不是默认端口的所有流fu按从小到大排序，依次删除fu在树上的路径配置，直到节点u的流表项数目不再超过容量限制Cu；
其中，fu∈Fw，Fw表示待分配的流的集合。
S4、对树中的每条链路，判断其经过的流的总大小是否超过链路容量限制，若是则进入步骤S41，否则进入步骤S5。
S41、撤销超过链路容量限制的链路的流在树上的路径配置，直到链路的流的总大小不再超过链路容量限制，并进入步骤S5。
上述步骤S41具体为：
设该超过链路容量限制的链路为(u，v)，对经过该链路的所有流f(u，v)按从大到小排序，依次删除f(u，v)在树上的路径分配，直到经过链路(u，v)的流的总大小不再超过链路容量限制C(u，v)；
其中，f(u，v)∈Fw，Fw表示待分配的流的集合。
S5、判断树中的待分配的流的集合Fw是否为空集，若是则进入步骤S6，否则进入步骤S51。
上述步骤S5中的待分配的流的集合Fw包括在步骤S2中进行树上流初分配后在步骤S31和步骤S41中撤销的流。
S51、对树中待分配的流进行再分配，直到Fw为空集，并进入步骤S6。
上述步骤S51具体为：
将所有流f∈Fw，按流f的大小Cf从大到小进行排序，依次对每条流f在G(V，E，W)中确定一条可行最短路，对该条路上需要新建流表项的各节点，新建源宿地址精确匹配的流表项，并设置优先级为“High”，然后将该流f从Fw中删除。
每条所述流f在G(V，E，W)中确定的可行最短路的组成链路需满足的条件为：该链路的链路容量能够承载该流f，且对于所有流表项容量满载的节点u*，以其为起点的邻接链路中，除了对该流f的默认转发端口指向的链路外，其余链路均不可成为该流f在G(V，E，W)的可行最短路的组成链路。若该流仍分配失败，则令该流f∈Fd，Fd表示无法分配的流的集合，待将能够分配的流完全分配后将Fd输出用来提醒控制者，但一般来说实际的物联网中很少会存在无法分配的情况，除非网络性能很差。
S6、完成树中所有流的分配，实现SDN物联网的流量聚合。
需要说明的是，在上述SDN物联网流量聚合方法实现的过程中，在整个流的寻路机制中，流是根据匹配的流表项进行转发的，当有多个流标项都匹配某条流时，按照设置的优先级进行转发，即对一条流f，先查看是否匹配“High”优先级的流表项，如果匹配则转发，如果没有则查看“Middle”优先级是否匹配，如果匹配则转发，否则再查看Low优先级，而本发明提供的方法中“Low”优先级是缺省流表项，是一定会匹配成功的。
在本发明的一个实施例中，提供了说明该基于树状路由的SDN物联网流量聚合方法能够实现并减少流表项的例子：如图2所示，该拓扑结构中包括7个SDN交换机和10条链路，其中交换机为A、B、C、D、E、F和G，链路为A-B，A-C，B-C，B-D，B-E，D-E，C-F，C-G，E-F和F-G；用来聚合流的树形拓扑结构包括6条链路，用图3中6条虚线表示，设该SDN物联网中有五种业务流，包括h1-h2(f1)，h3-h4(f2)，h5-h6(f3)，h7-h6(f4)和h8-h2(f5)。
从图3的网络拓扑图中可以看到，除了流f5之外，其他四条流的部署均有该树上链路组成，由于四条流(f1，f2，f3和f4)都通过链路A-B，所以在该链路上他们可被聚合成一条流，选择“Default”作为该聚合流的流表项匹配字段，并且其优先级设置为“Low”；另外，f3和f4通过链路B-E，由于f3和f4的目标主机都是h6，因此在链路B-E上，f3和f4可以聚合为一条流，选择目的地址“MAC(h6)”作为此聚合流的流表项匹配字段，优先级设置为“Middle”。由于上述两种规则的优先级都低于精确匹配规则的优先级，因此一条流可以在树上被灵活地聚合或解耦。从表1-表7可以看出，本发明提供的方法能够显著减少流表项的数量。
表1：Flow Table A
Matching Field Action Priority
Default Output：B Low
表2：Flow Table B
Matching Field Action Priority
Default Output：D Low
MAC(h6) Output：E Middle
表3：Flow Table C
表4：Flow Table D
Matching Field Action Priority
MAC(h2) Output：h2 Middle
MAC(h4 Output：h4 Middle
表5：Flow Table E
Matching Field Action Priority
MAC(h6) Output：h6 Middle
表6：Flow Table F
Matching Field Action Priority
Default Output：C Low
表7：Flow Table G
Matching Field Action Priority
Default Output：C Low
本发明的有益效果为：本发明提供的基于树状路由的SDN物联网流量聚合方法能够极强地聚合流表项从而减少对TCAMs大小的要求，通过设置生成一棵主干树，让大量的流集中在主干的生成树中，在结合各个节点对最大流量端口使用默认流表项，将能极大程度地聚合流从而减少流表项，而对于主干树容量不足时的情况，也能利用其它节点与链路保证流的成功配置。

Claims (8)

1.一种基于树状路由的SDN物联网流量聚合方法，其特征在于，包括以下步骤，
S1、输入网络拓扑图G(V，E，W)，根据输入图G(V，E，W)的内容，生成一棵链路容量最大的树GT(VT，ET)；
其中V为SDN交换机节点集合，E为链路集合，W为各链路容量集合；VT为树中所有节点的集合，ET为树中所有链路的集合；
S2、根据生成树，进行树上流的初分配；
S3、对树中所有节点判断其流表项数目是否超过容量限制，若是进入步骤S31，否则进入步骤S4；
S31、撤销超过容量限制的节点的流在树上的路径配置，直到节点的流表项数目不再超过容量限制，并进入步骤S4；
S4、对树中的每条链路，判断其经过的流的总大小是否超过链路容量限制，若是则进入步骤S41，否则进入步骤S5；
S41、撤销超过链路容量限制的链路的流在树上的路径配置，直到链路的流的总大小不再超过链路容量限制，并进入步骤S5；
S5、判断树中的待分配的流的集合Fw是否为空集，若是则进入步骤S6，否则进入步骤S51；
S51、对树中待分配的流进行再分配，直到Fw为空集，并进入步骤S6；
S6、完成树中所有流的分配，实现SDN物联网的流量聚合。
2.根据权利要求1所述基于树状路由的SDN物联网流量聚合方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：
输入图G(V，E，W)，初始化地令VT＝V，ET为空集；然后对E中所有链路按链路容量W从大到小排序，依次对E中所有的链路(u,v)循环；判断该链路(u,v)是否在树中属于同一连通分支，是则进行下一条链路(u,v)的循环判断，否则令ET＝ET∪(u,v)，直到当|ET|＝|VT|-1时结束链路(u,v)的循环，输出树GT(VT，ET)，实现生成一个链路容量最大的树。
3.根据权利要求1所述的基于树状路由的SDN物联网流量聚合方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：
S21、对树中所有流f，将其路径设置为树上的唯一路径pft；
其中f∈F，F为树中所有流的集合；
S22、对树中每个交换机节点u，统计其需要转发向各端口的流的数目，选择最大的端口作为该节点需新增的匹配域为“Default”的流表项的转发端口，新增该“Default”流表项并设置其优先级为“Low”；
其中，u∈VT，VT为树中所有节点的集合；
S23、对输出向其它端口的流，为其新增按目的地址匹配的流表项，并设置优先级为“Middle”。
4.根据权利要求1所述的基于树状路由的SDN物联网流量聚合方法，其特征在于，所述步骤S31具体为：
设该超过容量限制的节点为u，首先对经过该节点且输出端口不是默认端口的所有流fu按从小到大排序，依次删除fu在树上的路径配置，直到节点u的流表项数目不再超过容量限制Cu；
其中，fu∈Fw，Fw表示待分配的流的集合。
5.根据权利要求1所述的基于树状路由的SDN物联网流量聚合方法，其特征在于，所述步骤S41具体为：
设该超过链路容量限制的链路为(u，v)，对经过该链路的所有流f(u,w)按从大到小排序，依次删除f(u,w)在树上的路径分配，直到经过链路(u，v)的流的总大小不再超过链路容量限制C(u，v)；
其中，f(u,w)∈Fw，Fw表示待分配的流的集合。
6.根据权利要求1所述的基于树状路由的SDN物联网流量聚合方法，其特征在于，所述步骤S5中的待分配的流的集合Fw包括步骤S31和步骤S41中撤销的流。
7.根据权利要求1所述的基于树状路由的SDN物联网流量聚合方法，其特征在于，所述步骤S51具体为：
将所有流f∈Fw，按流f的大小Cf从大到小进行排序，依次对每条流f在G(V，E，W)中确定一条可行最短路，对该条路上需要新建流表项的各节点，新建源宿地址精确匹配的流表项，并设置优先级为“High”，然后将该流f从Fw中删除。
8.根据权利要求7所述的基于树状路由的SDN物联网流量聚合方法，其特征在于，每条所述流f在G(V，E，W)中确定的可行最短路为该路的组成链路需满足的条件为：该链路容量能够承载该流f，且对于所有流表项容量满载节点u*，以其为起点的邻接链路中，除了对该流f的默认转发端口指向的链路外，其余链路均不可成为该流f在G(V，E，W)的可行最短路的组成链路。
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