CN111585903B - 一种OpenFlow流表项自适应超时的方法及系统 - Google Patents
一种OpenFlow流表项自适应超时的方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种OpenFlow流表项自适应超时的方法及系统，该方法步骤包括：接收SDN控制器发送的新增流表项；为新增流表项添加空闲超时字段，并添加至主流表中；当主流表空闲超时时间到达时，将流表项移动到次级流表中；先匹配主流表中的流表项，再匹配次级流表中的流表项；当数据包匹配到次级流表中的流表项时，更新空闲超时字段并把流表项移动到主流表中；启用新的主流表空闲超时计时；当次级流表空闲超时时间到达时，删除次级流表中的流表项；发送Flow‑removed消息告知控制器已删除流表项；当流表的总空间大于预设阈值时，根据次级流表流表项中的接收数据分组数字段确定待删除流表项，并删除流表项。本发明提高了流表空间的利用率，提高交换机转发数据包的能力。
Description
技术领域
本发明涉及软件定义网络技术领域，具体涉及一种OpenFlow流表项自适应超时的方法及系统。
背景技术
OpenFlow交换机中的流表在基于OpenFlow的软件定义网络(SDN)中起着至关重要的作用，它存储控制器填充的规则，用于控制和指导SDN中的包流。而为支持大规模的SDN网络，OpenFlow交换机需要存储大量的流表项来处理接收到的流量。然而，受限于交换机TCAM内存容量，流表所能存储的流表项数目是有限的；同时，由于TCAM十分耗能且昂贵，为适应大规模流量场景而增加TCAM容量以容纳更多的流表项是不现实的。流表的有限容量成为SDN的性能瓶颈，当有很多packet-in事件发生时，很容易发生SDN流表空间溢出问题，并且过多的packet-in事件也会给控制器带来负担，为了提高SDN性能，缓解流表空间紧张并且减少packet-in事件成为了一个需要迫切解决的问题。
OpenFlow协议通过超时机制来缓解交换机流表容量有限的问题。该机制让流表项只在一段时间内生效，并自动清理掉旧的、失效的流表项，腾出流表容量，以添加新的流表项。OpenFlow协议的流表项超时机制的核心是有效时间，用户可以为每条流表项指定一个有效时间，在控制器向交换机下发流表项时设定。如果某条流表项存在的时间或未被匹配到的时间超过预设定的有效时间，OpenFlow交换机会主动移除该流表项。有效时间又分为硬超时和空闲超时。硬超时，当该流表项的存在时间超过了预设置的硬超时，流表项就会被交换机从流表中移除，即流表项从交换机移除的绝对时间。空闲超时，在空闲超时这段时间内，如果没有任何数据报匹配到该流表项，则交换机会主动将该流表项从流表中移除。即流表项从交换机设备移除的相对时间。
硬超时不够灵活，所以一般情况下控制器会为流表项设定空闲超时而非硬超时。较小的空闲超时能尽快腾出流表空间以容纳新的流表项，然而过小的空闲超时会导致packet-in事件会消耗更多的控制器资源；过大的空闲超时又会导致流表项长时间占用流表空间。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷与不足，为解决超时时间设置不合理的问题，本发明提供一种OpenFlow流表项自适应超时的方法及系统，本发明提高了流表空间的利用率，提高交换机转发数据包的能力，缓解流表空间紧张并且减少了packet-in事件。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种OpenFlow流表项自适应超时的方法，包括下述步骤：
接收SDN控制器发送的新增流表项；
为新增流表项添加主流表空闲超时字段和次级流表空闲超时字段，并将添加空闲超时字段后的新增流表项添加至主流表中，并采用主流表空闲超时计时；
当主流表中的流表项的主流表空闲超时时间到达时，将流表项移动到次级流表中；
将数据包先匹配主流表中的流表项，再匹配次级流表中的流表项；
当数据包匹配到次级流表中的流表项时，更新主流表空闲超时字段和次级流表空闲超时字段，并把流表项移动到主流表中；
流表项移动到主流表后，停用次级流表空闲超时计时，启用新的主流表空闲超时计时；
当次级流表中的流表项的次级流表空闲超时时间到达时，删除次级流表中的当前流表项；
发送Flow-removed消息给控制器，告知控制器已删除当前流表项；
当流表的总空间大于预设阈值时，根据次级流表流表项中的接收数据分组数字段确定次级流表中匹配次数最少的流表项，并删除流表项。
作为优选的技术方案，还包括主流表空闲超时时间未达到时的判断步骤，具体包括：
当主流表中的流表项的主流表空闲超时时间未到达，流表项被成功匹配时，流表项主流表空闲超时计时重新计时。
作为优选的技术方案，所述为新增流表项添加主流表空闲超时字段和次级流表空闲超时字段，具体步骤为：
将主流表空闲超时字段和次级流表空闲超时字段分别预设为1s和10s。
作为优选的技术方案，所述更新主流表空闲超时字段和次级流表空闲超时字段，具体步骤为：
更新主流表空闲超时字段采用以下公式计算：
Tnew1＝T1+t
其中，Tnew1为更新后的主流表空闲超时，T1为更新前的主流表空闲超时；
更新次级流表空闲超时字段采用以下公式计算：
Tnew2＝15-T2
其中，Tnew2为更新后的次级流表空闲超时，T2为更新前的次级流表空闲超时。
作为优选的技术方案，所述当流表的总空间大于预设阈值时，根据次级流表流表项中的接收数据分组数字段确定待删除流表项，并删除流表项，具体步骤包括：
检测到主流表和次级流表占用的存储空间达到预设的上限时，在次级流表中使用LFU算法，根据流表项中的接收数据分组数对次级流表中的流表项进行排序，删除接收数据分组数最小的流表项，并发送Flow-removed消息给控制器告知控制器流表项已删除。
本发明还提供一种OpenFlow流表项自适应超时的系统，包括：接收模块、更新模块、主流表超时模块、第一转移模块、匹配模块、淘汰模块、流表项匹配排序模块、次级流表超时模块和第二转移模块；
所述接收模块用于接收SDN控制器发送的新增流表项；
所述更新模块用于给新增流表项添加主流表空闲超时字段和次级流表空闲超时字段，并将添加空闲超时字段后的新增流表项添加至主流表；
所述主流表超时模块用于给主流表中的流表进行超时管理，并在流表项的主流表超时时间到时，调用第一转移模块；
所述第一转移模块用于把主流表中的流表项移动到次级流表；
所述匹配模块用于将数据包先匹配主流表中的流表项，再匹配次级流表中的流表项；
所述淘汰模块用于删除次级流表中流表项，并发送Flow-removed消息给控制器；
所述流表项匹配排序模块用于当流表的总空间大于预设阈值时，根据次级流表流表项中的接收数据分组数字段确定次级流表中匹配次数最少的流表项，并调用淘汰模块删除流表项；
所述次级流表超时模块用于给次级流表中的流表项进行超时管理，并在流表项的次级流表超时时间到时，调用淘汰模块删除流表项；
所述第二转移模块用于将次级流表的流表项移动到主流表，并更新主流表空闲超时字段和次级流表空闲超时字段。
作为优选的技术方案，所述流表项匹配排序模块设有LFU单元，所述LFU单元用于在次级流表中使用LFU算法，根据流表项中的接收数据分组数对次级流表中的流表项进行排序，删除接收数据分组数最小的流表项，并发送Flow-removed消息给控制器告知控制器流表项已删除。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
(1)本发明有效地利用了有限的流表空间，减少了packet-in事件，提高了交换机转发数据包的能力。
(2)本发明采用了双层流表架构，把最有可能匹配到的流表项放在主流表优先匹配，解决了流表项匹配顺序不合理的问题，达到了分类筛选，加快匹配效率的技术效果。
(3)本发明采用自适应超时的技术方案，依托两级流表架构，解决了流表项超时设置不合理的问题，减轻了SDN控制器负担，也减少了SDN控制器与交换机之间的通信开销。
附图说明
图1为本实施例OpenFlow流表项自适应超时方法的流程示意图；
图2为本实施例OpenFlow流表项自适应超时方法的应用框图；
图3为本实施例LFU流表项删除流程图；
图4为本实施例OpenFlow流表项自适应超时系统各个模块的数据传输示意图；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
如图1、图2所示，本实施例提供一种OpenFlow流表项自适应超时的方法，应用于OpenFlow交换机，OpenFlow交换机与SDN控制器通信连接，OpenFlow交换机含有流表，流表分为两部分，主流表和次级流表，该方法包括下述步骤：
接收SDN控制器发送的新增流表项；
为新增流表项添加主流表空闲超时字段和次级流表空闲超时字段，并将新增空闲超时字段后的新增流表项添加至主流表中，具体步骤为：
主流表空闲超时字段和次级流表空闲超时字段分别预设为1s和10s，新增流表项添加至主流表后，开始使用主流表空闲超时计时；
当主流表中的流表项的主流表空闲超时时间未到达，流表项被成功匹配时，流表项主流表空闲超时计时重新计时；
当主流表中的流表项的主流表空闲超时时间到达时，把该流表项移动到次级流表中；
数据包先匹配主流表中的流表项，再匹配次级流表中的流表项；
当数据包匹配到次级流表中的流表项时，更新主流表空闲超时字段和次级流表空闲超时字段，并把该流表项移动到主流表中，具体步骤为：
更新主流表空闲超时采用以下公式计算：
Tnew1＝T1+t
其中，Tnew1为更新后的主流表空闲超时，T1为更新前的主流表空闲超时；
更新次级流表空闲超时采用以下公式计算：
Tnew2＝15-T2
其中，Tnew2为更新后的次级流表空闲超时，T2为更新前的次级流表空闲超时，该公式中时间单位使用的是秒；
该流表项移动到主流表后，停用次级流表空闲超时计时，启用新的主流表空闲超时计时；
当次级流表中的流表项的次级流表空闲超时时间到达时，删除该流表项；
删除该流表项后，发送Flow-removed消息给控制器告知控制器该流表项已删除；
当流表的总空间大于预设阈值时，根据次级流表流表项中的接收数据分组数字段确定待删除流表项，并删除该流表项，具体步骤为：
如图3所示，检测到主流表和次级流表占用的存储到达上限时，在次级流表中使用LFU算法，根据流表项中的接收数据分组数对次级流表中的流表项进行排序，删除接收数据分组数最小的流表项，即次级流表中匹配次数最少的流表项，并发送Flow-removed消息给控制器告知控制器该流表项已删除。
如图4所示，本实施例还提供一种OpenFlow流表项自适应超时的系统，包括：接收模块、更新模块、主流表超时模块、第一转移模块、淘汰模块、LFU模块、次级流表超时模块和第二转移模块；
在本实施例中，接收模块，用于接收SDN控制器发送的新增流表项；
在本实施例中，更新模块用于给新增流表项添加主流表空闲超时字段和次级流表空闲超时字段，并将添加空闲超时字段后的新增流表项添加至主流表；
在本实施例中，主流表超时模块用于给主流表中的流表进行超时管理，并在流表项的主流表超时时间到时，调用第一转移模块；
在本实施例中，第一转移模块用于把主流表中的流表项移动到次级流表；
在本实施例中，匹配模块用于将数据包先匹配主流表中的流表项，再匹配次级流表中的流表项；
在本实施例中，淘汰模块用于删除次级流表中流表项，并发送Flow-removed消息给控制器；
在本实施例中，流表项匹配排序模块用于当流表的总空间大于预设阈值时，根据次级流表流表项中的接收数据分组数字段确定次级流表中匹配次数最少的流表项，并调用淘汰模块删除流表项；
在本实施例中，次级流表超时模块用于给次级流表中的流表项进行超时管理，并在流表项的次级流表超时时间到时，调用淘汰模块删除流表项；
在本实施例中，第二转移模块用于将次级流表的流表项移动到主流表，并更新主流表空闲超时字段和次级流表空闲超时字段。
在本实施例中，流表项匹配排序模块设有LFU单元，用于在次级流表中使用LFU算法，根据流表项中的接收数据分组数对次级流表中的流表项进行排序，删除接收数据分组数最小的流表项，并发送Flow-removed消息给控制器告知控制器流表项已删除。
本实施例有效地利用了有限的流表空间，减少了packet-in事件，提高了交换机转发数据包的能力。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种OpenFlow流表项自适应超时的方法，其特征在于，包括下述步骤：
接收SDN控制器发送的新增流表项；
为新增流表项添加主流表空闲超时字段和次级流表空闲超时字段，并将添加空闲超时字段后的新增流表项添加至主流表中，并采用主流表空闲超时计时；
当主流表中的流表项的主流表空闲超时时间到达时，将流表项移动到次级流表中；
将数据包先匹配主流表中的流表项，再匹配次级流表中的流表项；
当数据包匹配到次级流表中的流表项时，更新主流表空闲超时字段和次级流表空闲超时字段，并把流表项移动到主流表中；
流表项移动到主流表后，停用次级流表空闲超时计时，启用新的主流表空闲超时计时；
当次级流表中的流表项的次级流表空闲超时时间到达时，删除次级流表中的当前流表项；
发送Flow-removed消息给控制器，告知控制器已删除当前流表项；
当流表的总空间大于预设阈值时，根据次级流表流表项中的接收数据分组数字段确定次级流表中匹配次数最少的流表项，并删除流表项。
2.根据权利要求1所述的OpenFlow流表项自适应超时的方法，其特征在于，还包括主流表空闲超时时间未达到时的判断步骤，具体包括：
当主流表中的流表项的主流表空闲超时时间未到达，流表项被成功匹配时，流表项主流表空闲超时计时重新计时。
3.根据权利要求1所述的OpenFlow流表项自适应超时的方法，其特征在于，所述为新增流表项添加主流表空闲超时字段和次级流表空闲超时字段，具体步骤为：
将主流表空闲超时字段和次级流表空闲超时字段分别预设为1s和10s。
4.根据权利要求1所述的OpenFlow流表项自适应超时的方法，其特征在于，所述更新主流表空闲超时字段和次级流表空闲超时字段，具体步骤为：
更新主流表空闲超时字段采用以下公式计算：
Tnew1＝T1+t
其中，Tnew1为更新后的主流表空闲超时，T1为更新前的主流表空闲超时；
更新次级流表空闲超时字段采用以下公式计算：
Tnew2＝15-t2
其中，tneW2为更新后的次级流表空闲超时，t2为更新前的次级流表空闲超时。
5.根据权利要求1所述的OpenFlow流表项自适应超时的方法，其特征在于，所述当流表的总空间大于预设阈值时，根据次级流表流表项中的接收数据分组数字段确定待删除流表项，并删除流表项，具体步骤包括：
检测到主流表和次级流表占用的存储空间达到预设的上限时，在次级流表中使用LFU算法，根据流表项中的接收数据分组数对次级流表中的流表项进行排序，删除接收数据分组数最小的流表项，并发送Flow-removed消息给控制器告知控制器流表项已删除。
6.一种OpenFlow流表项自适应超时的系统，其特征在于，包括：接收模块、更新模块、主流表超时模块、第一转移模块、匹配模块、淘汰模块、流表项匹配排序模块、次级流表超时模块和第二转移模块；
所述接收模块用于接收SDN控制器发送的新增流表项；
所述更新模块用于给新增流表项添加主流表空闲超时字段和次级流表空闲超时字段，并将添加空闲超时字段后的新增流表项添加至主流表；
所述主流表超时模块用于给主流表中的流表进行超时管理，并在流表项的主流表超时时间到时，调用第一转移模块；
所述第一转移模块用于把主流表中的流表项移动到次级流表；
所述匹配模块用于将数据包先匹配主流表中的流表项，再匹配次级流表中的流表项；
所述淘汰模块用于删除次级流表中流表项，并发送Flow-removed消息给控制器；
所述流表项匹配排序模块用于当流表的总空间大于预设阈值时，根据次级流表流表项中的接收数据分组数字段确定次级流表中匹配次数最少的流表项，并调用淘汰模块删除流表项；
所述次级流表超时模块用于给次级流表中的流表项进行超时管理，并在流表项的次级流表超时时间到时，调用淘汰模块删除流表项；
所述第二转移模块用于将次级流表的流表项移动到主流表，并更新主流表空闲超时字段和次级流表空闲超时字段。
7.根据权利要求6所述的OpenFlow流表项自适应超时的系统，其特征在于，所述流表项匹配排序模块设有LFU单元，所述LFU单元用于在次级流表中使用LFU算法，根据流表项中的接收数据分组数对次级流表中的流表项进行排序，删除接收数据分组数最小的流表项，并发送Flow-removed消息给控制器告知控制器流表项已删除。
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