CN111130928B - 广域网中基于带内探测的网络测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了广域网中基于带内探测的网络测量方法，包括以下步骤：步骤一，基于INT In‑band Network Telemetry协议，集中式控制器统一规划并定义探测包转发的路径，向广域网接入点交换机按定义的路径发送探测包；步骤二，获取路径状态信息，即广域网转发设备对链路信息进行实时采样，插入探测包内，并基于组播的方式进行转发；步骤三，对采样的链路信息进行汇总，完成路径信息的测量，反馈路径信息；步骤四，基于分布式与集中式相结合的信息收集分析方式判断端到端路径的拥塞情况。本发明方法以现有标准INT为基础，通过将其与分布式主动测量相结合使得广域网接入点主动向网络内发送探测包，并通过快慢两套反馈机制实现路径信息的同步，降低控制器开销。

Description

广域网中基于带内探测的网络测量方法

技术领域

本发明涉及网络数据测量技术领域，尤其是一种广域网中基于带内探测的网络测量的方法。

背景技术

近年来，随着网络搜索、4K/8K视频等互联网业务的普及与蓬勃发展，支撑这些服务的广域网络成为影响用户体验的一个重要因素。当前传统广域网采用分布式机制管理大量交换路由设备，为了充分获取网络状态，软件定义广域网和其中的网络测量机制得到了工业界和学术界广泛关注。

目前，广域网络可以分为底层网络(Underlay)和叠加网络(Overlay)两种类型。Underlay 网络大多使用多标签交换技术(MPLS)，过被称为“标签”的简单字段来快速决定数据包的转发目的地。这种方式被运营商广泛采用，为企业提供广域网服务。Overlay网络基于Underlay 网络构建，其拓扑结构一般由用户自己定义，所以拓扑结构复杂、不规则。在业务特征方面，广域网络即包含网络搜索、视频点播等面向普通用户的服务，也包含了数据中心间大规模数据分析、云计算等企业级应用，流量呈现多种不同业务流量的混合模式。

当前软件定义网络中多采用被动式测量的方式来估计路径的时延与带宽。然而，这种被动测量只适用于规模较小的网络，由于广域网包含了大量的网络节点，导致集中分析所有节点的数据开销过大，容易形成控制器的单点瓶颈，造成测量结果不准确。所以目前在广域网这种节点众多，流量复杂的网络环境还是难以做到低开销，细粒度的测量。

SLAM测量预设路径延迟的一种方案，其思路主要是从控制器发送探测报文, 经过待测路径再回到控制器, 通过减去首尾控制链路延迟得到待测路径的延迟。SLAM主要分为3个步骤：（1）预先选定需要测量延迟的路径，向该路径上所有交换机预先安装转发规则，确保探测报文沿测量路径传递；（2）在探测报文分别抵达路径首尾交换机时，触发交换机向控制器发送Packet_In消息；（3）控制器通过两个Packet_In消息到达控制器的时间计算出路径延迟，控制器向每条待测路径上的第一个交换机上发送探测报文，并让路径上的最后一个交换机将探测报文传回控制器。控制器通过探测报文离开和到达控制器的时间，以及控制器到交换机的估计延迟，计算得出路径上的延迟。

SLAM测量预设路径延迟技术存在以下缺陷：

１）准确性低

SLAM测量链路的延时是利用OpenFlow协议中EchoRequest消息测出的控制链路RTT的一半时间，以此估计出的控制链路延迟。而且，在测量过程中该方案还存在交换机与控制器来回延迟不均等问题，同时, 由于各交换机处理性能以及当前负载不同引起的处理延迟也对最后的结果造成影响。

２）测量指标单一

SLAM是专为测量链路延时设计的测量方案，难以同时收集链路负载、丢包率等信息指标。而广域网存在大量的设备和频繁突发流量，网络路径变化频发，单一的指标对广域网的运营维护以及后续的负载均衡的决策制定都是不够的。

INT（In-band Network Telemetry）是由 Barefoot、 Arista、 Dell、 Intel 和VMware 共同提出的一种新型网络测量协议。 它在数据平面收集每一跳的信息，最后一台交换机将封装的链路信息拆除发送给服务器进行解析实现对网络状态细粒度的获取， 这个过程没有控制层面的控制与参与，可以大大减少控制器的压力。它的工作原理图如图 1所示。

当业务报文由主机发出进入第一台交换机也称为源交换机，源交换机在报文中封装一个用于插入收集信息的 INT 包头，然后将报文的出入以及出入端口时间、交换机的设备号封装成一个信息项，将该信息项插入到预留出的 INT 包头中，完成信息的封装后第一台交换机将报文转发给下一台交换机；当报文转发至路径上的中间交换机时，这些中间交换机会在上一台交换机插入的信息项后继续添加本机的信息；当报文转发到达最后一台交换机时, 目的交换机将 INT 包头拆除，并将其中封装的路径信息通过报文的形式发送给服务器进行解析从而对网络状态进行细粒度的获取，同时将数据包部分发送给目的主机。

INT网络测量协议技术存在以下缺陷：

1）精度受到限制

标准的 INT 测量机制将 INT 的测量数据嵌入到每个业务的数据包里面，使用业务数据流“携带”的方式进行测量所以其测量精度受到了业务流数据包发送速率的影响。如果业务流发送速率慢，则其测量精度会变差。广域网中存在大量设备，路径复杂，状况多样。如果将标准INT应用于广域网中，INT测量得到的路径信息会存在精度不足的问题。

2）集中式处理开销大

标准的INT机制在每一跳收集路径信息并封装在包头，当数据包到达最后一跳时将包头中封装的链路信息发送给中央服务器进行解析。由于广域网中存在大量的交换机节点，如果将所有收集得到的链路信息都发送给中央控制器进行处理，处理器的开销巨大，容易造成控制器单点瓶颈。

发明内容

针对上述技术问题，本发明将INT探测与分布式主动测量融合，同时发挥二者优势并相互弥补缺陷，使融合后的测量方法能够高效地对广域网进行细粒度的测量，并具有低开销高效率特性。

为解决上述技术问题，本发明提供广域网中基于带内探测的网络测量方法，该网络测量包括以下步骤：

步骤一，基于INT In-band Network Telemetry协议，集中式控制器统一规划并定义探测包转发的路径，向广域网接入点交换机按定义的路径发送探测包；

步骤二，获取路径状态信息，即广域网转发设备对链路信息进行实时采样，插入探测包内，并基于组播的方式进行转发；

步骤三，对采样的链路信息进行汇总，完成路径信息的测量，反馈路径信息；

步骤四，基于分布式与集中式相结合的信息收集分析方式判断端到端路径的拥塞情况。

进一步的，所述步骤一，基于不用的广域网组网方式，提供不同的探测包发送策略，具体为：

步骤1.1，针对Overlay 网络，由于Overlay 网络中广域网接入点通常为虚拟转发设备，直接对虚拟转发设备进行扩充来发送探测包；

步骤1.2，针对 Underlay 网络，由于 Underlay 网络中广域网接入点通常为物理交换设备，通过旁挂一台服务器并运行探测包发送程序的方式发送探测包。

进一步的，所述步骤二，基于INT机制采集链路信息，并对采集的信息进行扩充，在INT数据字段加入转发设备的链路利用率的链路信息；

在 Overlay 网络中，由于转发设备大都是虚拟化路由器，所以直接通过改进虚拟路由器的方式直接进行 INT 字段与采集能力的扩充；在Underlay 网络中，基于协议无关转发设备来实现 INT 的扩充。

进一步的，所述步骤四具体为：

步骤4.1，首先，在“广域网接入点”和“广域网目的点”直接进行测量信息的交互，广域网接入点发送探测包，并经过中间的转发节点到达广域网目的点，广域网目的点收到探测包后将探测包内的链路信息反馈给广域网接入点；

步骤4.2，其次，广域网目的点在收到广域网接入点发送的探测包并计算出路径状态后，将信息保存到本地，并每隔T时间将维护的所有端到端路径信息上报给集中式控制器。

作为一种优选，基于所述的链路信息能够计算得到包括链路的可用带宽、时延、丢包率信息。

本发明与现有技术相比较，本发明的实施效果如下：

（1）设计低开销高效率的主动带内测量机制

基于学术界最先进的 INT 测量机制，通过对现有 INT 信息收集方式、收集数据格式的改进，实现逐跳交换节点信息的记录与链路带宽等信息的高效采集。另外，通过接入节点主动产生探测包的方式，对现有依靠数据包携带进行测量的方式进行改进，避免测量方案对网络负载流量的依赖，提升测量结果的准确性与实时性。

（2）设计端到端探测反馈机制

由于通过控制器集中处理所有的测量数据存在较大的开销，本发明设计了端到端探测反馈机制，通过设定探测包到达最后一跳时一方面挑选最优路径立刻将探测包中信息反馈到原交换机实现路径信息的端到端快速反馈，另一方面将信息保存到本地， 并每隔 T时间（分钟级） 将维护的所有端到端路径信息上报给集中式控制器实现路径信息的慢同步。

附图说明

图1为INT的工作原理图；

图2为低开销高效率的主动带内测量机制基本架构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明做更进一步的解释：

实施例1

本发明将INT探测与分布式主动测量融合，同时发挥二者优势并相互弥补缺陷，使融合后的测量方法能够高效地对广域网进行细粒度的测量，并具有低开销高效率特性。以现有标准INT为基础，通过将其与分布式主动测量相结合使得广域网接入点主动向网络内发送探测包，并通过快慢两套反馈机制实现路径信息的同步，降低控制器开销。

本发明提供广域网中基于带内探测的网络测量方法，该网络测量包括以下步骤：

步骤一，基于INT In-band Network Telemetry协议，集中式控制器统一规划并定义探测包转发的路径，向广域网接入点交换机按定义的路径发送探测包；

步骤二，获取路径状态信息，即广域网转发设备对链路信息进行实时采样，插入探测包内，并基于组播的方式进行转发；

步骤三，对采样的链路信息进行汇总，完成路径信息的测量，反馈路径信息；

步骤四，基于分布式与集中式相结合的信息收集分析方式判断端到端路径的拥塞情况。

本发明对现有的 INT 机制进行改进，在现有 INT 机制之上，达到测量端到端路径状态的目的。首先，改变 INT“携带”的测量方式，采用主动构建并发送基于探测包的方式进行测量。考虑到广域网的不同组网方式，本发明设计了不同的探测包发送机制：1）针对Overlay 网络，由于Overlay 网络中广域网接入点通常为虚拟转发设备，直接对虚拟转发设备进行扩充来发送探测包；2）针对 Underlay 网络，由于 Underlay 网络中广域网接入点通常为物理交换设备，所以通过旁挂一台服务器并运行探测包发送程序的方式发送探测包。

如图2所示，低开销高效率的主动带内测量机制主要分成以下步骤：1）控制探测包转发路径，即集中式控制器统一规划并定义探测包转发的路径，广域网接入点设备按定义的路径发送探测包；2）获取路径状态信息，即广域网转发设备对带宽、时延等信息进行实时采样，插入探测包内，并基于组播的方式进行转发；3）对采样的链路信息进行汇总，完成路径信息的测量，反馈路径信息。

其次，本发明对现有INT机制中采集的信息进行扩充，在INT数据字段加入转发设备的链路利用率、进出转发设备的时间戳、链路丢包率等链路信息。在 Overlay 网络中，由于转发设备大都是虚拟化路由器， 所以直接通过改进虚拟路由器的方式直接进行 INT 字段与采集能力的扩充。在Underlay 网络中，基于协议无关转发设备来实现 INT 的扩充。

本发明提供的广域网中基于带内探测的网络测量方法是一种低开销高效率的主动带内测量机制，主要体现在：

①控制器端负载降低：控制器只需要在最初下发探测路径，发送探测包由广域网接入点自动发起，不需控制器控制，降低控制器负载。

②测量粒度细：基于INT的测量，在每一跳收集链路相关信息，收集的网络指标多样可自定义，并且便于拥塞等故障定位，为负载均衡决策提供可靠的依据。

进一步的，本发明对探测包中记录的链路的带宽、时延、丢包率等信息进行收集与汇总来判断端到端路径的拥塞情况。传统的INT测量方式通常在网络中设置一个集中式的信息收集器，定期的从网络中收集测量信息。然而，这种集中式的信息收集方存在信息收集慢、收集粒度粗等问题。为了减少路径信息收集的开销和准确度，本发明采用分布式（快速反馈）与集中式（慢速同步）结合的方式来进行信息收集。

测量信息收集过程如下：首先，如图2下半部分所示，分布式的快速反馈方式在“广域网接入点”和“广域网目的点”直接进行测量信息的交互。广域网接入点发送探测包，并经过中间的转发节点到达广域网目的点。广域网目的点收到探测包后根据探测包内的链路信息计算出对应路径的带宽、时延等信息，并立即反馈给广域网接入点。采用这种方式，广域网接入点可以快速的获取其关心的路径的状态信息，感知路径上的突发流量等状况。

其次，如图2上半部分所示，集中式的慢速同步方式在广域网目的点和集中式控制器间交互测量信息。广域网目的点在收到广域网接入点发送的探测包并计算出路径状态后，将信息保存到本地，并每隔T时间（分钟级）将维护的所有端到端路径信息上报给集中式控制器。采用此方式，集中式控制器对网络的状态有了大致的了解，能够根据粗粒度的路径信息做转发决策，完成初始业务路径的规划。

本发明提供的广域网中基于带内探测的网络测量方法是一种端到端探测反馈机制，主要体现在：

①降低控制器负载：实时探测结果通过快速反馈同步到接入点而不是直接反馈到控制器端进行处理，大大降低了控制器的处理开销。

②便于运维：慢同步隔一段时间将网络中链路信息上传至中央服务器，便于控制器掌握全局网络状态，同时由于INT可达到的细粒度的网络测量，控制器端具有细粒度的全局网络状态，便于全局网络的运维。

以上内容是结合具体的实施例对本发明所作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.广域网中基于带内探测的网络测量方法，其特征在于，所述网络测量包括以下步骤：

步骤一，基于INT In-band Network Telemetry协议，集中式控制器统一规划并定义探测包转发的路径，向广域网接入点交换机按定义的路径发送探测包；

步骤二，获取路径状态信息，即广域网转发设备对链路信息进行实时采样，插入探测包内，并基于组播的方式进行转发；

步骤三，对采样的链路信息进行汇总，完成路径信息的测量，反馈路径信息；

步骤四，基于分布式与集中式相结合的信息收集分析方式判断端到端路径的拥塞情况。

2.根据权利要求1所述的广域网中基于带内探测的网络测量方法，其特征在于，所述步骤一，基于不同的广域网组网方式，提供不同的探测包发送策略，具体为：

步骤1.1，针对Overlay 网络，由于Overlay 网络中广域网接入点为虚拟转发设备，直接对虚拟转发设备进行扩充来发送探测包；

步骤1.2，针对 Underlay 网络，由于 Underlay 网络中广域网接入点为物理交换设备，通过旁挂一台服务器并运行探测包发送程序的方式发送探测包。

3.根据权利要求2所述的广域网中基于带内探测的网络测量方法，其特征在于，所述步骤二，基于INT机制采集链路信息，并对采集的信息进行扩充，在INT数据字段加入转发设备的链路利用率的链路信息；

在 Overlay 网络中，由于转发设备是虚拟化路由器，直接通过改进虚拟路由器的方式直接进行 INT 字段与采集能力的扩充；在Underlay 网络中，基于协议无关转发设备来实现 INT 的扩充。

4.根据权利要求1所述的广域网中基于带内探测的网络测量方法，其特征在于，所述步骤四具体为：

步骤4.1，首先，在广域网接入点和广域网目的点直接进行测量信息的交互，广域网接入点发送探测包，并经过中间的转发节点到达广域网目的点，广域网目的点收到探测包后将探测包内的链路信息反馈给广域网接入点；

步骤4.2，其次，广域网目的点在收到广域网接入点发送的探测包并计算出路径状态后，将信息保存到本地，并每隔T时间将维护的所有端到端路径信息上报给集中式控制器。

5.根据权利要求1至4任一项所述的广域网中基于带内探测的网络测量方法，其特征在于，基于所述的链路信息能够计算得到包括链路的可用带宽、时延、丢包率信息。

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