CN109039897A - 一种基于业务感知的软件定义回程网络路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于业务感知的软件定义回程网络路由方法，其特征在于：以软件定义网络控制器为核心，获取软件定义回程网络中节点与链路的状态信息，并根据边缘节点处网络流中各个业务特征，分流成为若干个业务流，软件定义网络控制器在测量和分析业务流参数要求同时，计算总路由开销最小的业务流路由路径。本发明该方法基于业务感知的软件定义回程路由方法中考虑了网络链路的负载和网络流分流等约束，不仅能够合理地对业务流进行路径规划，而且在路由开销方面取得较好的效果。

Description

一种基于业务感知的软件定义回程网络路由方法

技术领域

本发明涉及软件定义网络(以下表述简称SDN)路由领域，具体涉及一种考虑网络业务参数要求的场景下，基于业务感知的软件定义回程网络路由方法。

背景技术

随着信息化技术的不断发展，终端业务种类多样化与网络部署密集化为网络研究带来新的挑战。不同应用场景中业务对时延或丢包等参数的敏感程度不一，从业务特征的角度对路由策略进行研究具有重要意义。传统网络架构缺乏灵活性与可扩展性，在面对业务融合与用户体验的要求时存在一定的局限性。因此，软件定义网络(Software-DefinedNetwork，SDN)作为一种新型的可编程网络架构引起了业界的广泛关注。在SDN中将控制与转发解耦，由逻辑集中的SDN控制器构成的控制平面通过南向接口对数据平面进行管理，利用开发和可编程接口实现软件定义，对数据平面的能力要求趋于简化和统一，硬件趋于通用化，便于不同厂商设备互通，有效降低设备的复杂度以及硬件成本。

当前网络承载的服务种类越来越多，不同类型的业务对网络性能要求也不相同。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明目的旨在提供一种基于业务感知的软件定义回程网络路由方法。

本发明实现上述目的的技术解决方案是，一种基于业务感知的软件定义回程网络路由方法，其特征在于：以软件定义网络控制器为核心，获取软件定义回程网络中节点与链路的状态信息，并根据边缘节点处网络流中各个业务特征，分流成为若干个业务流，软件定义网络控制器在测量和分析业务流参数要求同时，计算总路由开销最小的业务流路由路径。

进一步地，上述软件定义回程网络路由方法包括步骤：

S1、软件定义网络控制器获取网络中节点与链路状态信息；

S2、通过网络边缘节点处的网络流，向软件定义网络控制器上报流中业务的特征要求，根据不同业务类型，将网络流分为若干个业务流；

S3、对带宽敏感业务流选择从源节点至目的节点的路径作为候选路径，并计算多条候选路径的开销；对时延、丢包参数敏感的业务流，选择满足业务参数要求的路径作为候选路径，并计算候选路径的开销；

S4、从S3多得的候选路径中，软件定义网络控制器计算得到总路由开销最小的业务流路由路径，完成基于业务感知的软件定义回程网络路由方法。

更进一步地，S1中软件定义网络控制器获取网络中节点与链路状态信息包括：链路路由时单位开销，拓扑连接，链路容量上限，链路当前可用带宽资源，链路时延参数，链路由于超出容量上限而造成数据包丢失的丢包参数以及网络流经过链路时的单位开销。

更进一步地，S2中将网络流分为若干个业务流的过程为：

将回程网络中节点分为边缘节点和转发节点两类且均具有转发功能，而网络流进入回程网络时均通过边缘节点，在边缘节点处向软件定义网络控制器上报流中业务的特征要求，包括流中业务对带宽、时延或丢包三类参数中某个参数敏感，将网络流按照业务个数分为若干个业务流。

更进一步地，S3的实现过程为：对于带宽敏感业务流选择能够满足从源节点至目的节点的路径作为候选路径，软件定义网络控制器计算此类业务流的多条候选路径对应的多个路由开销；对于时延参数敏感的业务流，软件定义网络控制器在计算从源节点到目的节点路径的同时，需要计算各条路径的累和时延值是否满足要求，选择满足要求的可达路径作为候选路径，并计算多条路径对应的多个路由开销；对丢包参数敏感的业务流，在计算从源节点到目的节点路径的同时，需要计算各条路径的累乘丢包值是否满足要求，选择满足要求的可达路径作为候选路径，并计算多条路径对应的多个路由开销。

更进一步地，S3的实现过程为：软件定义网络控制器为各业务流选择使总路由开销最小的最终路径时，满足经过任意链路的总业务流流量不超过链路容量上限约束，且经过网络中各转发节点流量守恒。

相比传统的SDN路由方法，本发明从业务感知的角度，为不同业务流的路由路径进行计算，在保障不同类型业务的要求的同时，选择路由开销最小的方案，实现对网络路由开销的优化。另外，在基于业务感知的软件定义回程路由方法中考虑了网络链路的负载和网络流分流等约束，不仅能够合理地对业务流进行路径规划，而且在路由开销方面取得较好的效果，具有可行性和实用性。

附图说明

图1为本发明的应用场景图。

图2为本发明网络流分流示意图。

图3为基于业务感知的路由方法的一个实施例流程图。

图4为本发明所述方法的一个实施例与现有方法的业务路由一方面开销对比图。

图5为本发明所述方法的一个实施例与现有方法的业务路由另一方面开销对比图。

图6为本发明所述方法的一个实施例与现有方法的业务路由又一方面开销对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明设计者将SDN理念与业务感知相结合，认识到能够利用对网络中的业务流进行测量和分析，通过控制业务流的路由来实现性能目标，例如开销最小或负载均衡等，为业务在路由时选择更符合业务要求的路径，实现高效转发和灵活地路径设置。

从本发明概述的方案来看，SDN控制器获取软件定义回程网络中节点与链路的状态信息；根据边缘节点处网络流中各个业务特征，网络流在进入软件定义回程网络后，通过SDN控制器对数据平面的流表下发，网络流分流成为多个业务流；设计一种基于业务感知的软件定义回程路由方法，为业务流选择路由路径，实现总的路由开销最小。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于业务感知的软件定义回程路由方法，包括如下步骤：

步骤一或简述为S1、SDN控制器获取网络中节点与链路状态信息，包括链路路由时单位开销等；

步骤二或简述为S2、SDN控制器获取位于回程网络边缘节点的网络流中业务特征，根据不同业务类型，控制器将网络流分流成为多个业务流，具体包括带宽敏感业务流、时延敏感业务流和丢包敏感业务流，前述业务流表示流中业务对带宽等参数在路由时有严格限制；

步骤三或简述为S3、为带宽敏感业务流选择从源节点至目的节点的路径作为候选路径，并计算候选路径的开销；对时延、丢包敏感业务流，控制器需要选择满足业务参数要求的路径作为候选路径，并计算候选路径的开销；

步骤四或简述为S4、从步骤三的候选路径中，为业务流选择使得总路由开销最小的路由路径，完成基于业务感知的软件定义回程网络路由方法。

在所述步骤一中，SDN控制器获取网络中节点与链路状态信息，包括链路路由时单位开销等，其实现过程为。

SDN控制器能够通过南向接口收集数据平面中节点和链路的状态信息，具体包括：拓扑连接、链路容量上限、链路当前可用带宽资源、链路时延参数、链路由于超出容量上限而造成数据包丢失的丢包参数，以及网络流经过链路时的单位开销。将参考拓扑的状态信息来对不同业务进行路由决策。

在所述步骤二中，SDN控制器获取位于回程网络边缘节点的网络流中业务特征，根据不同业务类型，控制器将网络流分流成为多个业务流，具体包括带宽敏感业务流、时延敏感业务流和丢包敏感业务流，前述业务流表示流中业务对带宽等参数在路由时有严格限制，其实现过程为。

将回程网络中节点分为两类：边缘节点和转发节点，前述两类节点均具有转发功能，但网络流进入回程网络时均通过边缘节点。因此，考虑网络流中可能会包含不同类型的业务，例如时延敏感和丢包敏感业务均在该网络流中，到达边缘节点等待路由的网络流将向SDN控制器上报流中业务的特征要求，即流中业务对带宽等参数在路由时有严格限制，网络流按照业务个数分为多个业务流。

在所述步骤三中，为带宽敏感业务流选择从源节点至目的节点的路径作为候选路径，并计算候选路径的开销；对时延、丢包敏感业务流，控制器需要选择满足业务参数要求的路径作为候选路径，并计算候选路径的开销，其实现过程为。

在软件定义回程网络路由过程中，为带宽敏感业务流选择能够满足从源节点至目的节点的路径作为候选路径，SDN控制器计算此类业务流的候选路径对应的每个路由开销，即计算候选路径每一跳链路单位开销与经过该链路流量乘积之和；对时延参数敏感的业务流，SDN控制器在计算从源节点到目的节点路径的同时，需要计算各条路径的累和时延值是否小于该业务的时延参数上限，选择满足要求的可达路径作为候选路径，并计算多条路径对应的多个路由开销；对丢包参数敏感的业务流，SDN控制器在计算从源节点到目的节点路径的同时，需要计算各条路径的累乘丢包值是否小于该业务的丢包率参数上限，选择满足要求的可达路径作为候选路径，并计算多条路径对应的多个路由开销。

在所述步骤四中，从步骤三的候选路径中，为业务流选择使得总路由开销最小的路由路径，完成基于业务感知的软件定义回程网络路由方法，其实现过程为。

通过步骤三得到各业务流的候选路径，SDN控制器以总路由开销最小为目标，为各业务流选择最终路由路径。与此同时，在选择路径时必须满足经过任意链路的总业务流流量不超过链路容量上限，且经过网络中各节点的网络流流量守恒的约束，即考虑链路的拥塞情况，以及源节点、目的节点和转发节点路由的约束。

图1是本发明的应用场景图：在该场景下，SDN控制器能够通过南向接口收集数据平面中节点和链路的状态信息，具体包括：拓扑连接关系G(V,E)，其中V＝V_e∪V_f表示网络中的交换机节点分为两类：转发节点V_f和边缘节点V_e，E表示回程链路集合；链路<i,j>的容量上限U_ij；网络流经过链路<i,j>的单位开销η_ij。

另外，集合M中元素表示边缘节点处所有网络流，集合Y中元素表示网络中所有业务，集合Y_m中元素表示网络流m∈M中包含的所有业务。定义f^T(k)表示业务流，表示包含|Y_m|个业务的网络流，其中T(k)＝(m_k,d_k,b_k,t_k,q_k),k∈Y_m为业务特征函数，m_k和d_k表示业务k的源节点和目的节点，b_k、t_k和q_k分别表示业务k的带宽参数要求、时延参数要求和丢包率参数要求。

对于包含多个业务的网络流其流量大小必须同时满足多个业务带宽要求，即网络流单位时间内传输的带宽量大于等于多个业务带宽要求之和，定义b_k为网络流m中包含的所有业务的带宽要求之和，因此：

图2为网络流分流示意图：为更好地满足不同类型业务在路由时的参数要求，在边缘节点e处的网络流将会根据其包含业务数目分流成为多个业务流，此时在边缘节点e处定义a_me为二进制变量，说明网络流m位于某个边缘节点e处：边缘节点处的网络流满足流分割约束，即进入节点e的网络流流量等于离开节点e的多个业务流流量之和：

网络中节点根据业务需要可划分为源节点、目的节点及路由路径所经过的转发节点，对于源节点，其离开该节点的流量通常大于进入该节点的流量；对于目的节点，其进入该节点的流量通常大于离开该节点的流量；对于转发节点，其进入与离开该节点的流浪守恒，故定义二进制变量描述是否有流自节点i经过链路<i,j>到达节点j，因此网络节点的流守恒约束为：

同时，网络中各链路单位时间传输的带宽容量应不超过链路容量上限，即：

本发明具体考虑三类业务：带宽敏感业务、时延敏感业务和丢包敏感业务，其中带宽敏感业务仅需为其选择满足业务流带宽要求的路径进行转发；对于时延类业务，SDN控制器在寻找其可达路径的同时，需要计算各条路径的累和时延值是否小于该业务的时延参数要求，如公式(5)，为时延业务流选择满足要求的可达路径作为候选路径；对于丢包类业务，SDN控制器在寻找其可达路径的同时，需要计算各条路径的累乘丢包率值是否小于该业务的丢包参数要求，如公式(6)，为丢包业务流选择满足要求的可达路径作为候选路径。因此，定义业务k的候选路径集合P_k＝{p|p＝(e,x,…,d_k)},e∈V_e,x∈V来描述业务从边缘节点e经过转发节点，例如x等节点，到达目的节点d_k的路径。对于时延敏感业务集合S中的业务k，SDN控制器获取的业务特征信息中还包括数据包长度L(k)；对于丢包敏感集合Q中的业务k，SDN控制器在寻找可达路径时将会获取链路<i,j>上的丢包参数因此前述两类业务的感知约束分别为：

网络中总路由开销，可定义为：本发明将根据业务感知原则来设计一种软件定义回程网络路由方法，目标是最小化总路由开销，并符合链路容量约束、节点守恒约束和业务感知约束等约束条件：

s.t.:(1)-(6)；(7)，

f^T(k)≥0,k∈Y

a_me∈{0,1},m∈M,e∈V_e

其中f^T(k)≥0,k∈Y是流的非负性约束，以确保网络流具有实际意义。由上述公式可以看出，由于约束中存在0-1变量a_me，上述优化问题属于NP-hard问题，难以使用传统的最优化方法求解，本发明设计新的方法求解上述问题，具体过程如表1所示。

图3为基于业务感知的路由方法的一个实施例流程图，该实施例所述方法包括以下步骤：

1：初始化：网络拓扑G(V,E)，网络流集合M，网络中所有业务集合Y。

2：SDN控制器收集网络节点与链路状态信息，具体包括：U_ij、η_ij、Y_m；以及边缘节点处网络流的业务信息。

3：对于a_me＝1，即边缘节点e处存在网络流，SDN控制器下发流表，网络流分流为多个业务流f^T(k)。

4：对于时延敏感的业务流f^T(k),k∈S，寻找可达路径P_k，并计算P_k中所有路径的累和时延值是否小于业务k的时延参数上限：选择满足要求的可达路径作为候选路径。

5：对于丢包敏感的业务流f^T(k),k∈Q，寻找可达路径P_k，并计算P_k中所有路径的累乘丢包值是否小于业务k的丢包参数上限：选择满足要求的可达路径作为候选路径。

6：对于带宽敏感的业务流寻找可达路径P_k。

7：根据上述路径，在满足路由时不超过链路容量上限的条件下，选择使业务总路由开销最小的路径作为业务流的最终路由路径。

通过上述方法，能够基于业务感知，在软件定义回程网络中选择使总路由开销最小路径，作为业务流的路由决策结果。此方法通过在边缘节点处分流的方式，在满足业务要求的同时优化了路由开销。

图4为本发明所述方法的一个实施例与现有方法的业务路由开销对比图。可以看出，本发明方法在相同的系统环境设定下，不同类型业务的路由开销均小于传统OSPF(OpenShortest Path First，开放式最短路径优先)方法，本发明提出的方法具有更好的开销优化效果。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内进行修改或者等同变换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于业务感知的软件定义回程网络路由方法，其特征在于：以软件定义网络控制器为核心，获取软件定义回程网络中节点与链路的状态信息，并根据边缘节点处网络流中各个业务特征，分流成为若干个业务流，软件定义网络控制器在测量和分析业务流参数要求同时，计算总路由开销最小的业务流路由路径。

2.根据权利要求1所述基于业务感知的软件定义回程网络路由方法，其特征在于包括步骤：

S1、软件定义网络控制器获取网络中节点与链路状态信息；

S2、通过网络边缘节点处的网络流，向软件定义网络控制器上报流中业务的特征要求，根据不同业务类型，将网络流分为若干个业务流；

S3、对带宽敏感业务流选择从源节点至目的节点的路径作为候选路径，并计算多条候选路径的开销；对时延、丢包参数敏感的业务流，选择满足业务参数要求的路径作为候选路径，并计算候选路径的开销；

S4、从S3多得的候选路径中，软件定义网络控制器计算得到总路由开销最小的业务流路由路径，完成基于业务感知的软件定义回程网络路由方法。

3.根据权利要求1所述基于业务感知的软件定义回程网络路由方法，其特征在于：S1中软件定义网络控制器获取网络中节点与链路状态信息包括：链路路由时单位开销，拓扑连接，链路容量上限，链路当前可用带宽资源，链路时延参数，链路由于超出容量上限而造成数据包丢失的丢包参数以及网络流经过链路时的单位开销。

4.根据权利要求1所述基于业务感知的软件定义回程网络路由方法，其特征在于：S2中将网络流分为若干个业务流的过程为：

将回程网络中节点分为边缘节点和转发节点两类且均具有转发功能，而网络流进入回程网络时均通过边缘节点，在边缘节点处向软件定义网络控制器上报流中业务的特征要求，包括流中业务对带宽、时延或丢包三类参数中某个参数敏感，将网络流按照业务个数分为若干个业务流。

5.根据权利要求1所述基于业务感知的软件定义回程网络路由方法，其特征在于：S3的实现过程为：对于带宽敏感业务流选择能够满足从源节点至目的节点的路径作为候选路径，软件定义网络控制器计算此类业务流的多条候选路径对应的多个路由开销；对于时延参数敏感的业务流，软件定义网络控制器在计算从源节点到目的节点路径的同时，需要计算各条路径的累和时延值是否满足要求，选择满足要求的可达路径作为候选路径，并计算多条路径对应的多个路由开销；对丢包参数敏感的业务流，在计算从源节点到目的节点路径的同时，需要计算各条路径的累乘丢包值是否满足要求，选择满足要求的可达路径作为候选路径，并计算多条路径对应的多个路由开销。

6.根据权利要求1所述基于业务感知的软件定义回程网络路由方法，其特征在于：S3的实现过程为：软件定义网络控制器为各业务流选择使总路由开销最小的最终路径时，满足经过任意链路的总业务流流量不超过链路容量上限约束，且经过网络中各转发节点流量守恒。