CN111756596A - 一种基于sdn的链路质量探测系统及方法 - Google Patents

一种基于sdn的链路质量探测系统及方法 Download PDF

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CN111756596A CN202010487764.3A CN202010487764A CN111756596A CN 111756596 A CN111756596 A CN 111756596A CN 202010487764 A CN202010487764 A CN 202010487764A CN 111756596 A CN111756596 A CN 111756596A
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Abstract

本发明涉及一种基于SDN的链路质量探测系统及方法，通过SDN控制器控制下的openflow探测技术，实现openflow交换机所有链路的质量分析，便于运维人员快速定位网络环境问题；其具体操作是：设置基于SDN架构的web应用层、ODL集中控制器层和交换机设备层，由该ODL集中控制器层获取交换机设备层的网络拓扑信息；web应用层利用网络拓扑信息计算出指定交换机设备层内两交换机之间的若干路径，并将该些路径进行标注，继而由ODL集中控制器层生成对应的探测流表并下发至交换机设备层；ODL集中控制器层根据探测报文的格式生成探测数据包，并对该探测数据包打上时间戳标记，随后下发至交换机设备层；ODL集中控制器层根据返回来的探测数据包计算出每条路径的延迟。

Description

一种基于SDN的链路质量探测系统及方法
技术领域
本发明涉及计算机网络技术领域，尤其涉及一种基于SDN的链路质量探测系统及方法。
背景技术
随着云数据中心网络快速发展，其网络结构越来越复杂，为了可靠性保证，一般重要的业务都使用大于等于两条链路做冗余，多条链路如何做到自动负载、智能调度往往成为长期以来研究的热点，也是难点，其主要原因便是难获取到所有链路的延迟。网络延迟是网络故障分析和流量调度的重要依据，传统的网络延迟测量分为主动与被动两种测量方式。被动测量因为涉及设备安装、时间同步等一系列问题，大大降低了方法的可扩展性，在大规模网络中部署较为困难。而像ping、traceroute等传统的主动测量方法或pingMesh工具，对于路径的选择依赖于传统分布式路由协议的计算结果，以致用户无法按指定的路径进行延迟测量。同时，选择的路径会随着路由协议的变化而发生改变，这也增加了延迟测量的不确定性。
在传统技术中，为了能全方位地检测网络情况，通常需要增加大量额外的设备，这对运营商而言，将带来巨大的开销。近几年，SDN(software defined network)技术不断发展，Google、腾讯、华为等业界主流公司已有基于SDN的实际落地方案。SDN中提出转控分离的新思路，将路由决策从路由器转移到了控制器当中，且路由方式也由分布式转为集中式计算，这为用户指定特定路线进行延迟测量提供了可能。在SDN中，OpenFlow协议已经成为事实上的标准，但目前OpenFlow协议中的延迟测量方法尚未成熟。现有技术只能针对传统路由设备，无法探测OpenFlow设备。而且无法做到链路自动切换，无法做到全局管理，需要手动切换路径。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于SDN的链路质量探测系统及方法，实现OpenFlow交换机所有链路的质量分析，便于运维人员快速定位网络环境问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于SDN的链路质量探测系统，包括：
基于SDN架构的web应用层、ODL集中控制器层和交换机设备层，由所述ODL集中控制器层获取所述交换机设备层的网络拓扑信息，并存储至所述web应用层；
所述web应用层利用网络拓扑信息计算出指定交换机设备层内两交换机之间的若干路径，并将所述路径进行标注；由所述ODL集中控制器层生成对应的探测流表并下发至所述交换机设备层；
所述ODL集中控制器层根据所述web应用层定义的探测报文的格式生成探测数据包，并对所述探测数据包打上时间戳标记，下发至所述交换机设备层；
在探测数据包到达所述交换机设备层之后，根据探测流表将所述探测数据包进行分组复制、发送给下游的交换机或所述ODL集中控制器层，所述ODL集中控制器层根据返回来的探测数据包分组，获知所有交换机两两之间的路径往返时延，最后将链路延迟进行组合，计算出每条路径的延迟，并返回计算结果。
其中，所述ODL集中控制器层下发带有时间戳标记的icmp-echo报文到所述交换机设备层的所有交换机，各交换机将所述icmp-echo报文上传回所述ODL集中控制器层，以验证所述ODL集中控制器层到各交换机的时延。
其中，所述交换机设备层包括交换机S1和S2，标记交换机S1至S2的路径为vlan 1；
当交换机S1接收到所述ODL集中控制器层下发的探测数据包，其指向vlan1；所述探测数据包经路径vlan1转发给交换机S2，交换机S2接收到所述探测数据包时将其上传至所述ODL集中控制器层；
记路径“ODL集中控制器层-变换机S1-交换机S2-ODL集中控制器层”的时延为TA，其由所述ODL集中控制器层的当前接收时刻减去探测数据包的时间戳所得；记路径“ODL集中控制器层-变换机S2-交换机S1-ODL集中控制器层”的时延为TB，其由所述ODL集中控制器层的当前接收时刻减去探测数据包的时间戳所得；
当交换机S1收到所述ODL集中控制器层下发的icmp-echo报文，随即返回给所述ODL集中控制器层，由所述ODL集中控制器层的当前接收时刻减去icmp-echo报文的时间戳可得往返时延T1；当交换机S2收到ODL集中控制器层下发的icmp-echo报文，随即返回给所述ODL集中控制器层，由所述ODL集中控制器层的当前接收时刻减去icmp-echo报文的时间戳可得往返时延T2；
根据公式(TA+TB-T1-T2)/2，计算得到交换机S1至S2链路的延时。
其中，所述ODL集中控制器层采用开源ODL控制器，通过其北向接口对接所述web应用层，通过其南向接口对接所述交换机设备层。
其中，所述web应用层通过北向接口获取所述ODL集中控制器层的信息，以及对所述ODL集中控制器层进行下发策略。
其中，所述交换机设备层包括若干OpenFlow交换机。
其中，所述web应用层定义的探测报文包括正向报文和/或反向报文，正向报文的格式为：1.0.0.1ping 1.0.1.1，反向报文的格式为：1.0.1.1ping 1.0.0.1。
本发明还提供一种基于SDN的链路质量探测方法，包括：
设置基于SDN架构的web应用层、ODL集中控制器层和交换机设备层，由所述ODL集中控制器层获取所述交换机设备层的网络拓扑信息，并存储至所述web应用层；
所述web应用层利用网络拓扑信息计算出指定交换机设备层内两交换机之间的若干路径，并将所述路径进行标注；由所述ODL集中控制器层生成对应的探测流表并下发至所述交换机设备层；
所述ODL集中控制器层根据所述web应用层定义的探测报文的格式生成探测数据包，并对所述探测数据包打上时间戳标记，下发至所述交换机设备层；
在探测数据包到达所述交换机设备层之后，根据探测流表将所述探测数据包进行分组复制、发送给下游的交换机或所述ODL集中控制器层，所述ODL集中控制器层根据返回来的探测数据包分组，获知所有交换机两两之间的路径往返时延，最后将链路延迟进行组合，计算出每条路径的延迟，并返回计算结果。
其中，所述ODL集中控制器层下发带有时间戳标记的icmp-echo报文到所述交换机设备层的所有交换机，各交换机将所述icmp-echo报文上传回所述ODL集中控制器层，以验证所述ODL集中控制器层到各交换机的时延。
其中，所述交换机设备层包括交换机S1和S2，标记交换机S1至S2的路径为vlan 1；
当交换机S1接收到所述ODL集中控制器层下发的探测数据包，其指向vlan1；所述探测数据包经路径vlan1转发给交换机S2，交换机S2接收到所述探测数据包时将其上传至所述ODL集中控制器层；
记路径“ODL集中控制器层-变换机S1-交换机S2-ODL集中控制器层”的时延为TA，其由所述ODL集中控制器层的当前接收时刻减去探测数据包的时间戳所得；记路径“ODL集中控制器层-变换机S2-交换机S1-ODL集中控制器层”的时延为TB，其由所述ODL集中控制器层的当前接收时刻减去探测数据包的时间戳所得；
当交换机S1收到所述ODL集中控制器层下发的icmp-echo报文，随即返回给所述ODL集中控制器层，由所述ODL集中控制器层的当前接收时刻减去icmp-echo报文的时间戳可得往返时延T1；当交换机S2收到ODL集中控制器层下发的icmp-echo报文，随即返回给所述ODL集中控制器层，由所述ODL集中控制器层的当前接收时刻减去icmp-echo报文的时间戳可得往返时延T2；
根据公式(TA+TB-T1-T2)/2，计算得到交换机S1至S2链路的延时。
本发明实施例的有益效果在于：通过SDN控制器控制下的OpenFlow探测技术，采集SDN环境下链路时延，实现OpenFlow交换机所有链路的质量分析，做到全局统一规划查看整网时延状态，便于运维人员快速定位网络环境问题。同时，实现基于OpenFlow交换机的流量智能调度，统一视图管理，并且基于时延的自动调度，自动切换到时延较低的链路，无需人工干预，保证业务的连续性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一一种基于SDN的链路质量探测系统的拓扑图。
图2为本发明实施例二一种基于SDN的链路质量探测分法的预处理流程示意图。
图3为本发明实施例二一种基于SDN的链路质量探测分法的流程示意图。
具体实施方式
以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。
本发明实施例一提供一种基于SDN的链路质量探测系统，包括：
基于SDN架构的web应用层、ODL(OpenDayLight)集中控制器层和交换机设备层，由所述ODL集中控制器层获取所述交换机设备层的网络拓扑信息，并存储至所述web应用层；
所述web应用层利用网络拓扑信息计算出指定交换机设备层内两交换机之间的若干路径，并将所述路径进行标注；由所述ODL集中控制器层生成对应的探测流表并下发至所述交换机设备层；
所述ODL集中控制器层根据所述web应用层定义的探测报文的格式生成探测数据包，并对所述探测数据包打上时间戳标记，下发至所述交换机设备层；
在探测数据包到达所述交换机设备层之后，根据探测流表将所述探测数据包进行分组复制、发送给下游的交换机或所述ODL集中控制器层，所述ODL集中控制器层根据返回来的探测数据包分组，获知所有交换机两两之间的路径往返时延，最后将链路延迟进行组合，计算出每条路径的延迟，并返回计算结果。
具体地，ODL集中控制器层采用开源ODL控制器，通过其北向接口对接web应用层，通过其南向接口OpenFlow、NETCONF、OVSDB、BGP、PCEP等协议对接交换机设备层；所述web应用层通过北向接口获取ODL控制器的信息，以及对ODL控制器进行下发策略；所述交换机设备层包括若干OpenFlow交换机。
首先利用ODL控制器中存储的网络拓扑信息(通过LLDP协议)，计算出用户指定的两台交换机之间的可能路径，接着将这些路径进行合并，最后ODL控制器将合并好的路径生成对应的流表项下发至OpenFlow交换机中。
通过ODL获取到每两个交换机之间路径之后，进行vlan标记，如图1所示，S1-S2路径标记为vlan1，S1-S3路径标记为vlan2，S2-S4路径标记为vlan3，S2-S5路径标记为vlan4，S3-S5路径标记为vlan5，S4-S6路径标记为vlan6，S5-S6路径标记为vlan7，总共7条路径，预先全部通过vlan标识出来，为后续发送、接受探测报文进行链路区分。
由web应用层定义探测报文的格式，其中包括正向报文和/或反向报文：
正向报文：1.0.0.1ping 1.0.1.1；反向报文：1.0.1.1ping 1.0.0.1。反向报文意义是为了测量路径的往返，更加精准。并加上不同的vlan tag，如：发送给S1交换机的探测报文为：1.0.0.1ping 1.0.1.1vlan＝1和1.0.0.1ping 1.0.1.1vlan＝2两种报文，发送给S3交换机的探测报文为：1.0.0.1ping1.0.1.1vlan＝5，依此类推，构造出7条不同vlan的报文。
下发探测流表，由于OpenFlow设备都是通过OpenFlow流表进行转发的，如果找不到流表则会上传到控制器，根据这个特性，可以预先设置好所有的探测流表。
如下发给S1的两条流表为:
1：匹配域：源ip：1.0.0.1,目的IP：1.0.1.1，vlan＝1，动作：output:s2
2：匹配域：源ip：1.0.0.1,目的IP：1.0.1.1，vlan＝2，动作：output:s3
下发给S2的流表为：
1：匹配域：源ip：1.0.0.1,目的IP：1.0.1.1，vlan＝3，动作：output:s4
2：匹配域：源ip：1.0.0.1,目的IP：1.0.1.1，vlan＝4，动作：output:s5
3：匹配域：源ip：1.0.1.1,目的IP：1.0.0.1，vlan＝1，动作：output:s1(反向流表)。
根据上述路径，通过ODL控制器的RESTCONF接口packet-processing进行构造7条探测数据包，并打上时间戳标记。
探测数据包到达OpenFlow交换机之后，根据流表项将探测数据包复制、发送给下游的交换机和控制器，ODL控制器根据返回来的探测数据包，计算出每条链路的延迟。比如：当S1交换机接受到ODL发来的探测报文vlan1和vlan2，分别转发给S2和S3交换机，S2和S3交换机接受到报文之后，没有对应的vlan流表进行转发，则会上传到控制器，ODL控制器则接受来自vlan1和vlan2的报文，预先设置的报文带有时间戳，用当前时间减去VLAN1报文的时间戳即为：控制器-S1-S2-控制器(记为TA)整个路径的时延。同理可计算出回来的路径：控制器-S2-S1-控制器(记为TB)的时延。
控制器需要下发一个icmp-echo的报文分别到所有交换机，验证控制器到交换机间的时延，比如：控制器下发icmp-echo带有时间戳的报文到S1,S1没有流表匹配，即返回到控制器，记录一下时间相减即为S1-控制器往返的时间差(记为T1)。同理计算出S2-控制器的往返的时间差(记为T2)，然后(TA+TB-T1-T2)/2即为S1-S2链路的延时。
由此实现所有交换机两两之间的路径往返时延，最后将链路延迟进行组合，计算出每条路径的延迟，并返回给用户。
相应于本发明实施例一，本发明实施例二一种基于SDN的链路质量探测方法，包括：
设置基于SDN架构的web应用层、ODL集中控制器层和交换机设备层，由所述ODL集中控制器层获取所述交换机设备层的网络拓扑信息，并存储至所述web应用层；
所述web应用层利用网络拓扑信息计算出指定交换机设备层内两交换机之间的若干路径，并将所述路径进行标注；由所述ODL集中控制器层生成对应的探测流表并下发至所述交换机设备层；
所述ODL集中控制器层根据所述web应用层定义的探测报文的格式生成探测数据包，并对所述探测数据包打上时间戳标记，下发至所述交换机设备层；
在探测数据包到达所述交换机设备层之后，根据探测流表将所述探测数据包进行分组复制、发送给下游的交换机或所述ODL集中控制器层，所述ODL集中控制器层根据返回来的探测数据包分组，获知所有交换机两两之间的路径往返时延，最后将链路延迟进行组合，计算出每条路径的延迟，并返回计算结果。
其中，所述ODL集中控制器层下发带有时间戳标记的icmp-echo报文到所述交换机设备层的所有交换机，各交换机将所述icmp-echo报文上传回所述ODL集中控制器层，以验证所述ODL集中控制器层到各交换机的时延。
其中，所述交换机设备层包括交换机S1和S2，标记交换机S1至S2的路径为vlan 1；
当交换机S1接收到所述ODL集中控制器层下发的探测数据包，其指向vlan1；所述探测数据包经路径vlan1转发给交换机S2，交换机S2接收到所述探测数据包时将其上传至所述ODL集中控制器层；
记路径“ODL集中控制器层-变换机S1-交换机S2-ODL集中控制器层”的时延为TA，其由所述ODL集中控制器层的当前接收时刻减去探测数据包的时间戳所得；记路径“ODL集中控制器层-变换机S2-交换机S1-ODL集中控制器层”的时延为TB，其由所述ODL集中控制器层的当前接收时刻减去探测数据包的时间戳所得；
当交换机S1收到所述ODL集中控制器层下发的icmp-echo报文，随即返回给所述ODL集中控制器层，由所述ODL集中控制器层的当前接收时刻减去icmp-echo报文的时间戳可得往返时延T1；当交换机S2收到ODL集中控制器层下发的icmp-echo报文，随即返回给所述ODL集中控制器层，由所述ODL集中控制器层的当前接收时刻减去icmp-echo报文的时间戳可得往返时延T2；
根据公式(TA+TB-T1-T2)/2，计算得到交换机S1至S2链路的延时。
有关本实施例的工作原理及过程，请参照本发明实施例一的说明，此处不再赘述。
通过上述说明可知，本发明实施例的有益效果在于：提供基于Packet-in速率值与流表统计数据的两阶段轻量级检测方法，当攻击发生时会有大量的Packet-in报文发送到控制器从而导致控制器侧的Packet-in速率急剧增大；因而，第一阶段可以利用Packet-in速率对是否存在攻击进行快速的检测，后续再利用交换机流表中的相关统计信息进行第二阶段的检测，在提高检测精度的同时定位到攻击源，而且对于网络平台性能影响较小，部署运行也是比较方便。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种基于SDN的链路质量探测系统，其特征在于，包括：
基于SDN架构的web应用层、ODL集中控制器层和交换机设备层，由所述ODL集中控制器层获取所述交换机设备层的网络拓扑信息，并存储至所述web应用层；
所述web应用层利用网络拓扑信息计算出指定交换机设备层内两交换机之间的若干路径，并将所述路径进行标注；由所述ODL集中控制器层生成对应的探测流表并下发至所述交换机设备层；
所述ODL集中控制器层根据所述web应用层定义的探测报文的格式生成探测数据包，并对所述探测数据包打上时间戳标记，下发至所述交换机设备层；
在探测数据包到达所述交换机设备层之后，根据探测流表将所述探测数据包进行分组复制、发送给下游的交换机或所述ODL集中控制器层，所述ODL集中控制器层根据返回来的探测数据包分组，获知所有交换机两两之间的路径往返时延，最后将链路延迟进行组合，计算出每条路径的延迟，并返回计算结果。
2.根据权利要求1所述的基于SDN的链路质量探测系统，其特征在于，所述ODL集中控制器层下发带有时间戳标记的icmp-echo报文到所述交换机设备层的所有交换机，各交换机将所述icmp-echo报文上传回所述ODL集中控制器层，以验证所述ODL集中控制器层到各交换机的时延。
3.根据权利要求2所述的基于SDN的链路质量探测系统，其特征在于，所述交换机设备层包括交换机S1和S2，标记交换机S1至S2的路径为vlan 1；
当交换机S1接收到所述ODL集中控制器层下发的探测数据包，其指向vlan1；所述探测数据包经路径vlan1转发给交换机S2，交换机S2接收到所述探测数据包时将其上传至所述ODL集中控制器层；
记路径“ODL集中控制器层-变换机S1-交换机S2-ODL集中控制器层”的时延为TA，其由所述ODL集中控制器层的当前接收时刻减去探测数据包的时间戳所得；记路径“ODL集中控制器层-变换机S2-交换机S1-ODL集中控制器层”的时延为TB，其由所述ODL集中控制器层的当前接收时刻减去探测数据包的时间戳所得；
当交换机S1收到所述ODL集中控制器层下发的icmp-echo报文，随即返回给所述ODL集中控制器层，由所述ODL集中控制器层的当前接收时刻减去icmp-echo报文的时间戳可得往返时延T1；当交换机S2收到ODL集中控制器层下发的icmp-echo报文，随即返回给所述ODL集中控制器层，由所述ODL集中控制器层的当前接收时刻减去icmp-echo报文的时间戳可得往返时延T2；
根据公式(TA+TB-T1-T2)/2，计算得到交换机S1至S2链路的延时。
4.根据权利要求1所述的基于SDN的链路质量探测系统，其特征在于，所述ODL集中控制器层采用开源ODL控制器，通过其北向接口对接所述web应用层，通过其南向接口对接所述交换机设备层。
5.根据权利要求1所述的基于SDN的链路质量探测系统，其特征在于，所述web应用层通过北向接口获取所述ODL集中控制器层的信息，以及对所述ODL集中控制器层进行下发策略。
6.根据权利要求1所述的基于SDN的链路质量探测系统，其特征在于，所述交换机设备层包括若干OpenFlow交换机。
7.根据权利要求1所述的基于SDN的链路质量探测系统，其特征在于，所述web应用层定义的探测报文包括正向报文和/或反向报文，正向报文的格式为：1.0.0.1ping 1.0.1.1，反向报文的格式为：1.0.1.1ping 1.0.0.1。
8.一种基于SDN的链路质量探测方法，其特征在于，包括：
设置基于SDN架构的web应用层、ODL集中控制器层和交换机设备层，由所述ODL集中控制器层获取所述交换机设备层的网络拓扑信息，并存储至所述web应用层；
所述web应用层利用网络拓扑信息计算出指定交换机设备层内两交换机之间的若干路径，并将所述路径进行标注；由所述ODL集中控制器层生成对应的探测流表并下发至所述交换机设备层；
所述ODL集中控制器层根据所述web应用层定义的探测报文的格式生成探测数据包，并对所述探测数据包打上时间戳标记，下发至所述交换机设备层；
在探测数据包到达所述交换机设备层之后，根据探测流表将所述探测数据包进行分组复制、发送给下游的交换机或所述ODL集中控制器层，所述ODL集中控制器层根据返回来的探测数据包分组，获知所有交换机两两之间的路径往返时延，最后将链路延迟进行组合，计算出每条路径的延迟，并返回计算结果。
9.根据权利要求1所述的基于SDN的链路质量探测方法，其特征在于，所述ODL集中控制器层下发带有时间戳标记的icmp-echo报文到所述交换机设备层的所有交换机，各交换机将所述icmp-echo报文上传回所述ODL集中控制器层，以验证所述ODL集中控制器层到各交换机的时延。
10.根据权利要求9所述的基于SDN的链路质量探测系统，其特征在于，所述交换机设备层包括交换机S1和S2，标记交换机S1至S2的路径为vlan 1；
当交换机S1接收到所述ODL集中控制器层下发的探测数据包，其指向vlan1；所述探测数据包经路径vlan1转发给交换机S2，交换机S2接收到所述探测数据包时将其上传至所述ODL集中控制器层；
记路径“ODL集中控制器层-变换机S1-交换机S2-ODL集中控制器层”的时延为TA，其由所述ODL集中控制器层的当前接收时刻减去探测数据包的时间戳所得；记路径“ODL集中控制器层-变换机S2-交换机S1-ODL集中控制器层”的时延为TB，其由所述ODL集中控制器层的当前接收时刻减去探测数据包的时间戳所得；
当交换机S1收到所述ODL集中控制器层下发的icmp-echo报文，随即返回给所述ODL集中控制器层，由所述ODL集中控制器层的当前接收时刻减去icmp-echo报文的时间戳可得往返时延T1；当交换机S2收到ODL集中控制器层下发的icmp-echo报文，随即返回给所述ODL集中控制器层，由所述ODL集中控制器层的当前接收时刻减去icmp-echo报文的时间戳可得往返时延T2；
根据公式(TA+TB-T1-T2)/2，计算得到交换机S1至S2链路的延时。
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