CN110493076B - 一种基于sdn的链路往返时延测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SDN网络的链路往返时延测量方法，在满足监测器容量约束的条件下，将测量成本(监测器、流规则和带宽的成本)最小化，并决定监测器所部署的网络节点和每个监测器测量的待测链路，然后将计算出的结果部署在SDN网络中，发送探测数据包并测量链路的往返时延。同时，本发明基于SDN的链路往返时延测量方法还具有以下有益效果：(1)、由于硬件的计算能力和带宽的约束，每个监测器都有测量容量的限制，本发明考虑了监测器容量的约束。(2)、解决了监测器部署和待测链路分配问题，并计算出的结果部署来进行链路往返时延的测量。

Description

一种基于SDN的链路往返时延测量方法

技术领域

本发明属于网络管理技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于SDN的链路往返时延测量方法。

背景技术

端到端的链路往返时延测量方法测量一组选定路径的累积端到端时延，然后从测量到的端到端路径时延中推断出单条链路的时延。端到端方法不需要在每个节点上运行特殊的测量模块和协议，消耗的资源(例如带宽和监测器)较少。现有的端到端计算方法大致可以分为两类：统计方法和代数方法。在统计方法中，链路时延被建模为随机变量，并从实测的端到端时延(如某些路径的端到端时延)估算随机链路时延的分布或参数(如方差和均值)。在代数方法中，链路时延在测量过程中被视为常数，可以先测量出端到端时延，然后使用线性代数方法计算出链路时延。

软件定义网络(Software Defined Networking，SDN)是一种新型的网络架构，通过将网络转发设备的控制平面与数据平面分离，实现网络流量的灵活控制。与传统IP网络不同，SDN网络的控制器可以获取SDN节点的流表统计数据、网络拓扑等信息，并且可以为SDN节点设计转发逻辑，具有高度的自主权。SDN网络中，利用其灵活的转发控制能力，网络管理员可以方便地设置各种测量路径(如简单路径、循环路径、组播树等)。

然而，如何在解决SDN网络上部署监测器和分别待测链路是目前研究的重点。

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SDN的链路往返时延测量方法，在考虑监测器容量的约束条件下，有效地解决监测器部署和链路分配问题，从而完成链路往返时延的测量。

为实现上述发明目的，本发明基于SDN的链路往返时延测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、使用基于投标策略的近似算法在网络节点中选取若干个节点来部署多个监测器，并决定每个监测器测量哪些待测链路

1.1)、投标准备

1.1.1)、将SDN中的网络节点表示成节点x₁，x₂，...，x_n，待测链路表示成节点y₁，y₂，...，y_m，其中，n为SDN中网络节点的数量，m为SDN中待测链路的数量；

1.1.2)、计算各个网络节点测量每条待测链路的测量成本

网络节点x_i处的监测器测量待测链路y_j的测量成本c_ij由流规则成本和探测成本构成，即c_ij＝r_ij+p_ij，其中，r_ij为网络节点x_i按照最短路转发探测数据包测量待测链路y_j的往返时延时使用的流规则成本，p_ij为网络节点x_i按照最短路转发探测数据包测量待测链路y_j的往返时延时探测数据包在最短路径上传输所产生的成本(探测成本)；

1.1.3)、初始时，没有监测器部署(开放)，待测链路都未被连接，待测链路y_j的投标值α_j设置为0，待测链路y_j对网络节点x_i的贡献值β_ij设置为0，在网络节点x_i部署(开放)一个监测器的开放成本设置为M_i；

1.2)、部署(开放)监测器，并连接(决定)测量的待测链路

1.2.1)、判断每条待测链路y_j是否都已被连接，如果是，则转到步骤(2)；如果为否，则转到步骤1.2.2)；

1.2.2)、进行投标，未被连接的待测链路y_j的投标值α_j增加1，判断(x_i，y_j)(1≤i≤n，1≤j≤m)节点对中，是否有待测链路y_j的投标值α_j等于网络节点x_i测量待测链路y_j的测量成本c_ij，即α_j＝c_ij，如果有则转到步骤1.2.3)；如果没有则转到步骤(1.2.4)；

1.2.3)、将α_j＝c_ij的(x_i，y_j)节点对标记为tight，判断这些tight的节点对(x_i，y_j)中的网络节点x_i是否为开放的，如果网络节点x_i是开放的，则转到步骤1.2.7)；如果网络节点x_i未开放，则待测链路y_j对网络节点x_i的贡献值为β_ij＝α_j-c_ij，转到步骤1.2.4)；

1.2.4)、对于网络节点x_i，判断

是否大于等于开放成本M_i，如果是，则将网络节点x_i开放，并且把所有与网络节点x_i是tight的未连接的待测链路y_j都连接到网络节点x_i，并将下标标记为j′，且这些与网络节点x_i连接的待测链路y_j′的投标值α_j′不再变化，并且对于每条未连接的待测链路y_j都执行步骤(1.2.5)；如果所有网络节点x_i，

小于M_i，则转到步骤1.2.1)；

1.2.5)、对测量成本c_ij进行更新：其他未连接的待测链路y_j与网络节点x_i处开放的监测器的连接代价(测量成本)进行一次修改，将测量成本c_ij中可共同使用的流规则成本和传输成本都设置为0；

更新以后，如果有未连接的待测链路y_j与网络节点x_i处开放的监测器的连接代价小于等于投标值α_j，则直接将他们连接到网络节点x_i，判断是否所有待测链路y_j都被连接，如果没有则执行步骤(1.2.6)；如果都被连接则转到步骤(2)。

1.2.6)、对于网络节点x_i，所有已连接到网络节点x_i′的待测链路y_j′，按照β_ij＝max(c_i′j′-c_ij，0)，对贡献值β_ij进行更新，转到步骤1.2.4)，其中，i′为网络节点x_i′的节点编号，i′∈{1，2，...，n}，j′为待测链路y_j′的节点编号，j′∈{1，2，...，m}，j＝j′；

1.2.7)、将待测链路y_j连接到网络节点x_i，且待测链路y_j的投标值α_j不再变化，然后判断是否所有待测链路y_j都被连接，如果没有则执行步骤1.2.5)；如果都被连接，则转到步骤(2)；

(2)、在SDN网络中按照步骤(1)中得到的监测器部署(开放)节点和连接的待测链路进行链路往返时延测量。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明基于SDN网络的链路往返时延测量方案，在满足监测器容量约束的条件下，将测量成本(监测器、流规则和带宽的成本)最小化，并决定监测器所部署的网络节点和每个监测器测量的待测链路，然后将计算出的结果部署在SDN网络中，发送探测数据包并测量链路的往返时延。

同时，本发明基于SDN的链路往返时延测量方法还具有以下有益效果：

(1)、由于硬件的计算能力和带宽的约束，每个监测器都有测量容量的限制，本发明考虑了监测器容量的约束。

(2)、解决了监测器部署和待测链路分配问题，并计算出的结果部署来进行链路往返时延的测量。

附图说明

图1是本发明基于SDN的链路往返时延测量方法一种具体实施方式流程图；

图2是本发明基于SDN的链路往返时延测量方法中的投标建模示意图；

图3是本发明基于SDN的链路往返时延测量方法的监测器部署和链路分配一具体实例示意图；

图4是本发明基于SDN的链路往返时延测量方法的测量链路往返时延与实际时延的比较图，其中，(a)时延变化周期为10秒时，(b)时延变化周期为5秒时。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

图1是本发明基于SDN的链路往返时延测量方法一种具体实施方式流程图。

在本实施例中，如图1所示，本发明基于SDN的链路往返时延测量方法，包括以下步骤：

步骤S1：使用基于投标策略的近似算法在网络节点中选取若干个节点来部署多个监测器，并决定每个监测器测量哪些待测链路

步骤S1.1：投标准备

步骤S1.1.1：对网络节点和待测链路进行建模

将SDN中的网络节点表示成节点x₁，x₂，...，x_n，待测链路表示成节点y₁，y₂，...，y_m，其中，n为SDN中网络节点的数量，m为SDN中待测链路的数量。

步骤S1.1.2：计算初始测量成本

计算各个网络节点测量每条待测链路的测量成本c_ij，计算出的测量成本c_ij的初始值即初始测量成本，即网络节点x_i处的监测器测量待测链路y_j的测量成本c_ij由流规则成本和探测成本构成，即c_ij＝r_ij+p_ij，其中，r_ij为网络节点x_i按照最短路转发探测数据包测量待测链路y_j的往返时延时使用的流规则成本，p_ij为网络节点x_i按照最短路转发探测数据包测量待测链路y_j的往返时延时探测数据包在最短路径上传输所产生的成本即探测成本，如图2所示。

在网络节点x_i(1≤i≤n)处部署监测器来测量待测链路y_j(1≤j≤m)的往返时延的测量成本包含两部分，第一部分为网络节点x_i按照最短路转发探测数据包测量待测链路y_j的往返时延时使用的流规则成本，用r_ij表示，第二部分为网络节点x_i按照最短路转发探测数据包测量待测链路y_j的往返时延时探测数据包在最短路径上传输所产生的成本(探测成本)，用p_ij表示。网络节点x_i处的监测器测量待测链路y_j的测量成本c_ij由流规则成本和探测成本构成，即c_ij＝r_ij+p_ij。

步骤S1.1.3：投标初始化

初始时，投标次数t＝0，没有监测器开放，待测链路都未被连接，待测链路y_j的投标值α_j设置为0，待测链路y_j对网络节点x_i的贡献值β_ij设置为0，在网络节点x_i部署(开放)一个监测器的开放成本设置为M_i。

步骤S1.2：部署(开放)监测器，并连接(决定)测量的待测链路

步骤S1.2.1：判断每条待测链路y_j是否都已被连接，如果是，则转到步骤S2；如果为否，则转到步骤S1.2.2。

步骤S1.2.2：进行投标，投标次数t增加1，未被连接的待测链路y_j的投标值α_j增加1，判断(x_i，y_j)(1≤i≤n，1≤j≤m)节点对中，是否有待测链路y_j的投标值α_j等于网络节点x_i测量待测链路y_j的测量成本c_ij，即α_j＝c_ij，如果有则转到步骤S1.2.3；如果没有则转到步骤S1.2.4。

步骤S1.2.3：将α_j＝c_ij的(x_i，y_j)节点对标记为tight，判断这些为tight的节点对(x_i，y_j)中的网络节点x_i是否为开放的，如果网络节点x_i是开放的，则转到步骤S1.2.7；如果网络节点x_i未开放，则待测链路y_j对网络节点x_i的贡献值为β_ij＝α_j-c_ij，转到步骤S1.2.4。

步骤S1.2.4：对于网络节点x_i，判断

是否大于等于开放成本M_i，如果是，则将网络节点x_i开放，并且把所有与网络节点x_i是tight的未连接的待测链路y_j都连接到网络节点x_i，并将下标标记为j′，且这些与网络节点x_i连接的待测链路y_j′的投标值α_j′不再变化，并且对于每条未连接的待测链路y_j都执行步骤步骤S1.2.5；如果所有网络节点x_i，

小于M_i，则转到步骤S1.2.1。

步骤S1.2.5：假设在t时刻，已经待测链路y_j′连接到了点x_i，此时由于可能存在某些未连接待测链路y_j与已连接的待测链路y_j′使用共同的流规则和探测数据包的情况，所以这些边到x_i处放置的监测器的连接代价会发生变化。于是将其他未连接待测链路y_j与网络节点x_i处放置的监测器的连接代价进行一次修改，即将c_ij中可共同使用的流规则成本和传输成本都设置为0，即：

对测量成本c_ij进行更新：其他未连接的待测链路y_j与网络节点x_i处开放的监测器的连接代价(测量成本)进行一次修改，将测量成本c_ij中可共同使用的流规则成本和传输成本都设置为0；

更新以后，如果有未连接的待测链路y_j与网络节点x_i处开放的监测器的连接代价小于等于投标值α_j，则直接将他们连接到网络节点x_i，判断是否所有待测链路y_j都被连接，如果没有则执行步骤S1.2.6；如果都被连接则转到步骤S2。

步骤S1.2.6：对于网络节点x_i，所有已连接到网络节点x_i′的待测链路y_j′，按照β_ij＝max(c_i′j′-c_ij，0)，对贡献值β_ij进行更新，转到步骤S1.2.4，其中，i′为网络节点x_i′的节点编号，i′∈{1，2，...，n}，j′为待测链路y_j′的节点编号，j′∈{1，2，…，m}，j＝j′。

步骤S1.2.7：将待测链路y_j连接到网络节点x_i，且待测链路y_j的投标值α_j不再变化，然后判断是否所有待测链路y_j都被连接，如果没有则执行步骤S1.2.5；如果都被连接，则转到步骤S2。

步骤S2：在SDN网络中按照步骤S1中得到的监测器部署(开放)节点和连接的待测链路进行链路往返时延测量。

实例

在拓扑为Geant的SDN网络中进行测试，链路的往返时延(u，v)由传播时延

和排队时延

组成。在仿真中，链路(u，v)的传播时延

和排队时延

分别服从均匀分布U[0，10]和Erlang分布E(k，λ)，其中参数k和λ是分别从集合{1，2，3，4，5}和[0.1，1]中随机选择的。设定链路时延每5秒或10秒变化一次，监测器、流规则和在链路上传输探测包的成本分别设置为40、4和1。

最小化监测器部署成本、流规则成本和探测成本的总和，解决监测器部署和链路分配问题，得到监测器应该部署的网络节点和每个监测器测量的链路，如图3所示，其中，部署监测器的网络节点为(方框)1、2、6、15，监测器测量的链路对应监测器的编号。

在SDN交换机中安装流规则来转发探测数据包，得到测量路径的往返的端到端时延。

根据测量路径的往返时延求出待测链路的往返时延并与真实的链路时延进行比较，如图4所示。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，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。

Claims (1)

1.一种基于SDN的链路往返时延测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、使用基于投标策略的近似算法在网络节点中选取若干个节点来部署多个监测器，并决定每个监测器测量哪些待测链路

1.1)、投标准备

1.1.1)、将SDN中的网络节点表示成节点x₁，x₂，...，x_n，待测链路表示成节点y₁，y₂，...，y_m，其中，n为SDN中网络节点的数量，m为SDN中待测链路的数量；

1.1.2)、计算各个网络节点测量每条待测链路的测量成本

网络节点x_i处的监测器测量待测链路y_j的测量成本c_ij由流规则成本和探测成本构成，即c_ij＝r_ij+p_ij，其中，r_ij为网络节点x_i按照最短路转发探测数据包测量待测链路y_j的往返时延时使用的流规则成本，p_ij为网络节点x_i按照最短路转发探测数据包测量待测链路y_j的往返时延时探测数据包在最短路径上传输所产生的成本即探测成本；

1.1.3)、初始时，没有监测器部署，待测链路都未被连接，待测链路y_j的投标值α_j设置为0，待测链路y_j对网络节点x_i的贡献值β_ij设置为0，在网络节点x_i部署一个监测器的开放成本设置为M_i；

1.2)、部署监测器，并连接测量的待测链路

1.2.1)、判断每条待测链路y_j是否都已被连接，如果是，则转到步骤(2)；如果为否，则转到步骤1.2.2)；

1.2.2)、进行投标，未被连接的待测链路y_j的投标值α_j增加1，判断(x_i，y_j)(1≤i≤n，1≤j≤m)节点对中，是否有待测链路y_j的投标值α_j等于网络节点x_i测量待测链路y_j的测量成本c_ij，即α_j＝c_ij，如果有则转到步骤1.2.3)；如果没有则转到步骤1.2.4)；

1.2.3)、将α_j＝c_ij的(x_i，y_j)节点对标记为tight，判断这些tight的节点对(x_i，y_j)中的网络节点x_i是否为开放的，如果网络节点x_i是开放的，则转到步骤1.2.7)；如果网络节点x_i未开放，则待测链路y_j对网络节点x_i的贡献值为β_ij＝α_j-c_ij，转到步骤1.2.4)；

1.2.4)、对于网络节点x_i，判断

是否大于等于开放成本M_i，如果是，则将网络节点x_i开放，并且把所有与网络节点x_i是tight的未连接的待测链路y_j都连接到网络节点x_i，并将下标标记为j′，且这些与网络节点x_i连接的待测链路y_j′的投标值α_j′不再变化，并且对于每条未连接的待测链路y_j都执行步骤1.2.5)；如果所有网络节点x_i，

小于M_i，则转到步骤1.2.1)；

1.2.5)、对测量成本c_ij进行更新：其他未连接的待测链路y_j与网络节点x_i处开放的监测器的连接代价即测量成本进行一次修改，将测量成本c_ij中可共同使用的流规则成本和传输成本都设置为0；

更新以后，如果有未连接的待测链路y_j与网络节点x_i处开放的监测器的连接代价小于等于投标值α_j，则直接将他们连接到网络节点x_i，判断是否所有待测链路y_j都被连接，如果没有则执行步骤1.2.6)；如果都被连接则转到步骤(2)；

1.2.6)、对于网络节点x_i，所有已连接到网络节点x_i′的待测链路y_j′，按照β_ij＝max(c_i′j′-c_ij，0)，对贡献值β_ij进行更新，转到步骤1.2.4)，其中，i′为网络节点x_i′的节点编号，i′∈{1，2，...，n}，j′为待测链路y_j′的节点编号，j′∈{1，2，...，m}，j＝j′；

1.2.7)、将待测链路y_j连接到网络节点x_i，且待测链路y_j的投标值α_j不再变化，然后判断是否所有待测链路y_j都被连接，如果没有则执行步骤1.2.5)；如果都被连接，则转到步骤(2)；

(2)、在SDN网络中按照步骤(1)中得到的监测器部署节点和连接的待测链路进行链路往返时延测量。

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