CN111314142B - 基于混合规则部署的软件定义网络中的细粒度流管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于混合规则部署的软件定义网络中的细粒度流管理方法，本架构包含掩码规则安装模块和精确匹配规则安装模块，首先定时更新掩码规则的部署，部署掩码规则时要保证流不能根据掩码直接转发至目的地。接着当流到来时，首先根据掩码规则转发，当交换机无法匹配掩码规则时，上报控制器，控制器根据全网状态，下发精确匹配规则，实现对该流的细粒度监控。本发明通过部署掩码规则节省了流表项使用，通过部署精确匹配规则实现了对流的细粒度控制。每条流只需在一个交换机上匹配精确规则，在其他交换机上均由掩码规则实现转发，既可实现细粒度流控制，又可最大程度减少表项资源消耗，从而在资源有限的前提下尽可能的实现细粒度流管理。

Description

基于混合规则部署的软件定义网络中的细粒度流管理方法
技术领域
本发明属于软件定义网络中的细粒度流管理技术领域，具体地涉及一种在软件定义网络(Software Defined Network，SDN)中基于混合规则部署的细粒度流管理方法。
背景技术
由于互联网的高速发展，目前的网络具有数据流量大、业务类型丰富、数据结构复杂等特性，而这些特性导致目前的网络架构体系存在效率低、维护困难、扩展性差、安全性较弱、兼容性不佳等问题。软件定义网络正是在这种背景下提出的。软件定义网络是一种新型的网络创新架构，它的核心是将网络设备的控制层和数据层分离开来。控制层主要负责拓扑的发现和流表的下发，并为网络应用提供可编程接口；交换机主要进行数据的转发。通过将控制功能从数据转发层抽离开来，大大增加了网络的可扩展性，有效的简化了交换机的功能，为高速发展的互联网提供了更加高效可靠的网络架构体系。
相比粗粒度流管理，细粒度流管理可以实现网络的安全性和可控性。比如研究发现通过实施细粒度的流量管理，可以将端口扫描检测的成功率提高约35％。此外，细粒度流管理同样可以给网络资源分配、异常检测、流量工程、应用识别、负载均衡等应用带来益处。当下的细粒度解决方案都存在较大的缺陷。比如通过购置硬件监控器来监控全网流量，成本高，且部署不灵活；通过软件监控器(VNF)来监控网络，这又会极大降低了网络吞吐率并增加了网络延迟。
软件定义网络通过数据层与控制层分离及被动式的流处理方式可以实现细粒度流管理。当数据流到达交换机时，如果没有匹配流表项，则交换机通过packet-in消息将该流信息报告给控制器，控制器因此可以对该流实现细粒度流管理。但由于交换机的流表项资源(TCAM资源)极其有限，如果全网部署精确匹配的流表项规则，借助流表项来监控流量，只能为很少的流实现细粒度管理。由此可见，虽然软件定义网络可以通过精确匹配的表项实现细粒度流管理，但受限于流表项资源有限，全局部署精确匹配的流表项规则只能为极少数量的流实现细粒度流管理。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明提出了一种基于混合规则部署的软件定义网络中的细粒度流管理方法，该方法通过结合掩码规则和精确匹配规则的混合规则部署，使每条流至少经过一条精确匹配的流表项，从而借助有限的流表项资源实现细粒度流管理。理想情况下，每条流只需一条精确匹配的流表项便可实现细粒度管理，该方法极大的简化了细粒度流管理的成本、增加了细粒度可控流的数量。
本发明的技术方案是：
一种基于混合规则部署的软件定义网络中的细粒度流管理方法，包括以下步骤：
S01：软件定义网络的控制层首先在部分交换机上部署掩码规则，从而节省流表项使用；
S02：当流到来时，首先根据掩码规则转发，当在某个交换机无法匹配掩码规则时，上报控制器，控制器根据全网状态，下发精确匹配规则，实现细粒度流管理。
优选的技术方案中，所述步骤S01中控制层中设置有掩码规则安装模块，掩码规则安装模块通过流量矩阵预测方法估测出未来一段时间内的流量信息，并将该流量信息作为输入量进行掩码规则的计算。
优选的技术方案中，所述步骤S01中布尔变量
Figure BDA0002388838070000021
标记控制层是否在交换机v上安装关于主机u的精确匹配规则，
Figure BDA0002388838070000022
表明控制层将在交换机v上安装一条到主机u的掩码规则；
Figure BDA0002388838070000023
表明在掩码规则安装阶段，控制层不在交换机v上安装关于主机u的掩码规则。
优选的技术方案中，所述步骤S01中的掩码规则安装模块在计算掩码规则时的约束条件是保证每条流均可被细粒度控制(即保证流不能根据掩码匹配直接转发至目的地)，目标函数为最小化最大流表项使用率；如果求解出的目标函数大于1，则掩码规则安装模块在计算掩码规则时的约束条件改变为流表项约束，目标函数改变为最大化细粒度可控流数量。
优选的技术方案中，所述流表项使用率为每个交换机上所使用的流表项数量除以该交换机上的可用流表项数量。
优选的技术方案中，所述流表项约束为每个交换机上所使用的流表项数量不大于该交换机上的可用流表项数量。
优选的技术方案中，所述每个交换机上所使用的流表项数量包括在该交换机上部署的掩码规则的数量与在该交换机上无法匹配掩码规则且默认路径流经该交换机的流的数量。
优选的技术方案中，所述控制层中设置有精确匹配规则安装模块，所述精确匹配规则安装模块的运行步骤如下：当流到达某个交换机，无法找到对应的匹配流表项后，交换机通过packet-in消息将该流信息上报给控制器，控制器结合全局信息和流表项约束，为该流计算最优转发路径，并将相应流表项下发至对应交换机，实现对该流的细粒度流管理。
优选的技术方案中，所述控制层计算最优转发路径时，控制器仅计算转发路径的后半段路径，所述后半段路径为该交换机到目的地址，通过调整后半段转发路径，实现路由优化。
与现有技术相比，本发明的优点是：
该方法设计了一种结合掩码规则和精确匹配规则的混合规则部署架构，从而使每条流理想情况下只需要一条精确匹配的流表项便可实现细粒度控制。本架构包含掩码规则安装模块和精确匹配规则安装模块。首先需要定时更新掩码规则的部署，部署规则时需要考虑流不能根据掩码直接流至目的地 (即保证流可以通过精确匹配规则实现细粒度控制)。接着当流到来时，首先根据掩码规则转发，当在某个交换机无法匹配掩码规则时，上报控制器，控制器根据全网状态，下发合适的精确匹配规则，从而实现对该流的细粒度监控。本发明通过部署掩码规则节省了流表项使用，通过部署精确匹配规则实现了对流的细粒度控制。理想情况下每条流只需在一个交换机上匹配精确规则，在其他交换机上均由掩码规则实现转发，这样既可实现细粒度流控制，又可最大程度减少表项资源消耗，从而在资源有限的前提下尽可能的实现细粒度流管理。本发明拥有良好的拓展性，具有广阔的应用前景。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明基于混合规则部署的软件定义网络架构示意图；
图2为本发明框架的掩码规则安装模块的工作流程图；
图3为本发明框架的精确规则安装模块的工作流程图；
图4为本实施例为说明细粒度流管理的网络拓扑及数据流流向图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
实施例：
下面结合附图，对本发明的较佳实施例作进一步说明。
如图1所示，一种基于混合规则部署的软件定义网络中的细粒度流管理方法，网络架构包含掩码规则安装模块和精确匹配规则安装模块。通过结合掩码规则和精确匹配规则的混合规则部署架构，从而使每条流在理想情况下只需要一条精确匹配的流表项便可实现细粒度控制。
如图2所示，掩码规则安装模块的运行步骤如下：首先假设网络中的流表项资源较为丰富，可以实现全部流的细粒度管理，此时我们执行算法1进行掩码规则安装。如果执行成功则表明假设成立，顺利安装好掩码规则。如果执行失败则表明当前网络中的流表项资源不足以实现全部流的细粒度管理，此时我们执行算法2进行掩码规则安装。
掩码规则安装模块中提到的两种掩码规则安装算法的细节信息如下。算法首先通过流量矩阵预测方法估测出未来一段时间内可能存在的流量信息，并将该流量信息作为算法的输入量进行掩码规则的计算。此外，该掩码规则安装算法在计算每个交换机上所使用的流表项数量时，包含了两个部分：(1) 执行掩码规则安装算法，在该交换机上部署的掩码规则的数量，这表明在掩码规模部署阶段需要在该交换机上部署的掩码规则数量。(2)执行掩码规则安装算法，在该交换机上无法匹配掩码规则且默认路径流经该交换机的流的数量，这表明在后续精确匹配流表安装阶段可能需要在该交换机上部署的精确匹配的流表数量。
我们布尔变量
Figure BDA0002388838070000041
标记控制层是否在交换机v上安装关于主机u的精确匹配规则。
Figure BDA0002388838070000042
表明控制层将在交换机v上安装一条到主机u的掩码规则；
Figure BDA0002388838070000051
表明在掩码规则安装阶段，控制层不在交换机v上安装关于主机u的掩码规则，如果有相应的流到达交换机v，那么交换机v将通过packet-in 信息上报给控制器，控制器将在交换机v上安装关于主机u的精确匹配规则，以在交换机v上实现对转发至主机u的流的细粒度控制。
(1)算法1，我们要保证每条流至少在路径途经的某个交换机上无法匹配掩码规则，从而可以在路径的某一跳被交换机通过packet-in信息上报给控制器，从而实现细粒度控制。我们的目标函数是最小化最大流表项使用率，从而使每个交换机上的流表项的使用尽量少且尽量均衡。如果求解出的目标函数大于1，则表明流表项资源不足以为全部流实现细粒度管理。此时，我们执行算法2进行掩码规则的安装。
流表项使用率为每个交换机上所使用的流表项数量除以该交换机上的可用流表项数量，每个交换机上所使用的流表项数量包括在该交换机上部署的掩码规则的数量与在该交换机上无法匹配掩码规则且默认路径流经该交换机的流的数量。
(2)算法2，我们要保证流表项资源约束，即每个交换机上掩码规则部署的数量加上后续可能的精确匹配规则部署的数量之和不大于该交换机上的可用流表项数量。如果某条流在转发路径途经的至少某个交换机上无法匹配掩码规则，则将该流记为细粒度可控流，我们的目标函数是最大化细粒度可控流的数量。
如图3所示，细粒度流管理方法中提到的精确匹配规则安装模块的运行步骤如下：当流到达某个交换机后，无法找到对应的匹配流表项，则交换机通过packet-in消息将该流信息上报给控制器，控制器结合全局信息、考虑流表项约束，为该流计算最优转发路径，并将相应流表项下发至对应交换机，从而实现该流的顺利转发，该算法记为算法3。由于该流信息已通过 packet-in消息上报给控制器，故可以实现对该流的细粒度流管理。
精确匹配规则安装模块在计算最优转发路径时，由于该数据流已经从源地址匹配掩码规则转发到上报packet-in消息的交换机，故该转发路径的前半段路径(源地址到该交换机)已确定，控制器仅能计算转发路径的后半段路径(该交换机到目的地址)。通过调整后半段转发路径，实现路由优化及细粒度流管理。
本发明根据此架构，按照如下步骤进行数据流转发与细粒度管理操作：
(1)每隔一段时间，该方法执行掩码规则安装模块，根据流量矩阵预测信息判断是否能对网络中的所有流执行细粒度管理。如果可以，则掩码规则安装模块在计算掩码规则时考虑的约束条件是保证每条流均可被细粒度控制，目标函数为最小化最大流表项利用率。如果由于流表项约束无法对所有流进行细粒度管理，则掩码规则安装模块在计算掩码规则时考虑的约束条件是流表项约束，目标函数为最大化可控流数量。在部署掩码规则时，如果一条流无法根据掩码规则匹配直接从源地址转发至目的地址，即转发路径中至少有一跳无法匹配掩码规则，则该数据流将通过packet-in信息汇报给控制层，从而实现该流的细粒度管理。
(2)当数据流到达交换机的入端口时，首先进行交换机的流表项匹配，如果匹配，则数据流根据流表项信息直接进行转发；如果不匹配，则交换机打包packet-in信息，将该数据流信息上报给控制层，控制层根据全局信息，在考虑流表项约束的前提下，计算精确匹配规则，从而最小化最大链路负载率，该数据流将在该交换机上实现细粒度流管理。
本实施例借助图4所示网络拓扑进行具体的细粒度流管理说明，具体步骤如下：
(1)控制层通过流量矩阵等方法预测未来一段时间内网络中可能存在的流量，假设预测出交换机v3到v4、v3到v1间存在流量。假设v3到v1 的默认路径为v3-v2-v1；v3到v4的默认路径为v3-v2-v1-v4。
(2)若网络中全部实施精确匹配表项，为了达到链路负载均衡，v3到 v4的流量通过精确匹配表项由路径v3-v6-v5-v4转发至目的地。该方案采用精确匹配表项，可以实现所有流的细粒度控制，但是总计所需消耗14条流表项，其中交换机v3上需要消耗4条流表项。
(3)若采用混合路径方式，即v3到v1的2条流通过默认规则表项由路径v3-v2-v1转发至目的地，v3到v4的2条流通过精确匹配规则表项由路径v3-v6-v5-v4转发至目的地。该方案只能实现2条流的细粒度控制，另外 2条流完全通过默认规则转发，无法实现细粒度控制。该方案总计所需消耗 8条流表项，其中交换机v3消耗的表项最多(3条)。
(4)本发明采用了混合规则部署方案，首先在交换机v3和v1上部署 1条匹配路径p1的掩码规则，在交换机v4、v5和v6上部署1条匹配路径 p2的掩码规则。当2条由v3到v1的流根据交换机v3上部署的掩码规则转发至交换机v2时，交换机v2将相关流信息上报给控制层，控制层分别为这 2条流在交换机v2上部署一条精确匹配流表项，实现细粒度流控制。当2 条由v3到v4的流在入口交换机v3上匹配不到相应的掩码规则时，交换机 v3将相关信息上报给控制层，控制层分别为这2条流在交换机v3上部署一条精确匹配流表项，实现细粒度控制，接着这2条流根据精确匹配表项转发至v6，再根据交换机v6、v5、v4上提前部署的掩码规则转发至目的地。根据本发明所述方案，可以为全部流实现细粒度控制(与全部精确规则匹配方案一致)，总计所需消耗9条流表项(与混合路径方案相似)，其中交换机 v3消耗的表项最多(3条)。
上述采用不同方案的各交换机流表项使用数量如下表所示：
方案 v<sub>1</sub> v<sub>2</sub> v<sub>3</sub> v<sub>4</sub> v<sub>5</sub> v<sub>6</sub> 最大 总计 是否实现细粒度控制？
精确规则 2 2 4 2 2 2 4 14 是
混合路径 1 1 3 1 1 1 3 8 部分
混合规则 1 2 3 1 1 1 3 9 是
通过上述实施例可知，本发明方案将网络中的规则部署分为两个阶段：掩码规则部署阶段和精确匹配规则部署阶段。同时本发明打破了之前一条路径全部使用精确规则匹配或者全部使用掩码规则匹配的思维方式，在保证每条流至少能匹配一条精确规则的前提下(实现细粒度管理)，尽可能多的使用掩码规则(减少流表项资源消耗)，提出了混合规则部署方案，提高了软件定义网络中的细粒度流管理效率。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (6)

1.一种基于混合规则部署的软件定义网络中的细粒度流管理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S01：软件定义网络的控制层在部分交换机上部署掩码规则，部署掩码规则时要保证流不能根据掩码直接转发至目的地，使每条流至少经过一条精确匹配的流表项；
步骤S02：当流到来时，首先根据掩码规则转发，当在某个交换机无法匹配掩码规则时，上报控制器，控制器根据全网状态，下发精确匹配规则，实现细粒度流管理；
所述步骤S01中控制层中设置有掩码规则安装模块，该模块通过流量矩阵预测方法估测出未来一段时间内的流量信息，并将该流量信息作为输入量进行掩码规则的计算；
所述步骤S01中使用布尔变量
Figure FDA0003609527450000011
标记控制层是否在交换机v上安装关于主机u的精确匹配规则，
Figure FDA0003609527450000012
表明控制层将在交换机v上安装一条到主机u的掩码规则；
Figure FDA0003609527450000013
表明在掩码规则安装阶段，控制层不在交换机v上安装关于主机u的掩码规则；
所述步骤S01中控制层中设置有掩码规则安装模块，掩码规则安装模块在计算掩码规则时的约束条件是保证每条流均可被细粒度控制，目标函数为最小化最大流表项使用率；如果求解出的目标函数大于1，则掩码规则安装模块在计算掩码规则时的约束条件改变为流表项约束，目标函数改变为最大化细粒度可控流数量。
2.根据权利要求1所述的基于混合规则部署的软件定义网络中的细粒度流管理方法，其特征在于，所述流表项使用率为每个交换机上所使用的流表项数量除以该交换机上的可用流表项数量。
3.根据权利要求1所述的基于混合规则部署的软件定义网络中的细粒度流管理方法，其特征在于，所述流表项约束为每个交换机上所使用的流表项数量不大于该交换机上的可用流表项数量。
4.根据权利要求1所述的基于混合规则部署的软件定义网络中的细粒度流管理方法，其特征在于，每个所述交换机上所使用的流表项数量包括在该交换机上部署的掩码规则的数量与在该交换机上无法匹配掩码规则且默认路径流经该交换机的流的数量。
5.根据权利要求1所述的基于混合规则部署的软件定义网络中的细粒度流管理方法，其特征在于，所述控制层中设置有精确匹配规则安装模块，所述精确匹配规则安装模块的运行步骤如下：当流到达某个交换机，无法找到对应的匹配流表项后，交换机通过packet-in消息将所述流的信息上报给控制器，控制器结合全局信息和流表项约束，为该流计算最优转发路径，并将相应流表项下发至对应交换机，实现对该流的细粒度流管理。
6.根据权利要求5所述的基于混合规则部署的软件定义网络中的细粒度流管理方法，其特征在于，所述控制层计算最优转发路径时，控制器仅计算转发路径的后半段路径，所述后半段路径为该交换机到目的地址，通过调整后半段转发路径，实现路由优化。
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