CN111865789A - 一种基于段路由的sr路径约束方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于段路由的SR路径约束方法，包括如下步骤：遍历网络中的业务流，针对每条业务流，计算出网络拓扑中每个节点之间的所有可用路径；对计算得到的所有可用路径进行初步筛选，得到SR路径，对SR路径进行编码，得到对应的段列表SRP，将各SRP加入到总的SRP中；遍历总的SRP，根据设定的SR路径约束条件和SR路径约束变量进行筛选，得到满足条件的段列表SRP，即可用SR路径，记录可用SR路径的SRP和数量；根据获取的可用SR路径的SRP和数量，根据容量等比例分流法将业务流沿着可用SR路径分流至目的节点处。本发明通过在流量调度阶段使用SR路径约束算法来优化调度过程，能够同时实现最小化最大链路利用率、减少计算时间优化目标。

Description

一种基于段路由的SR路径约束方法
技术领域
本发明属于计算机网络领域，具体涉及一种基于段路由的SR路径约束方法。
背景技术
近年来，随着网络服务类型和规模的快速扩张，以及网络用户群体的急速扩大，运行在网络中的流量呈现爆炸式的增长，同时传统MPLS技术的控制平面太过复杂，控制平面和数据平面紧耦合的特征使得控制平面的功能难以扩展，采用分布式而不是集中式的方式做带宽优化，导致了缺乏可扩展性，缺乏最优性，缺乏可预见性，收敛速度慢。网络急需大量的带宽资源以满足日益增长的业务需求，网络运营商也在不断地对路由端口进行提速，对链路带宽进行拓展，但网络资源利用率还是非常低下。因此，利用软件定义网络的全局网络视图能力，并基于面向服务路径定制的段路由技术，通过软件定义网络下基于段路由的流量工程技术，实现集中式优化和分布式智能结合的模式。
SDN(Software-Defined Networking)是通过软件定义实现部署的，是一种基于网络抽象思想的网络架构，其将网络控制平面和数据平面分离开来，提供对分布式网络的集中管理和软件编程能力。SDN的控制层体现了SDN的“网络智能”，通过集中的方式调控全局网络状态，以全局网络视图方式为用户提供实现更新的网络元件、资源信息，向上提供应用程序的编程接口，向下控制数据平面各硬件设施，通过OpenFlow来感知和控制数据平面的各种网元设备。
SR架构基于源路由，节点(通常为路由器、主机或设备)选择路径，并且引导数据包沿着该路径通过网络。做法是在数据包报头中插入带顺序的Segment列表，以指示接收到这些数据包的节点怎么处理和转发这些数据包，Segment可以表示任何类型的指令：与拓扑相关的、基于服务的、基于上下文的等。Segment是节点针对所接收到数据包要执行的指令，包含在数据报头中，指令的例子包括：按照目的地的最短路径来转发数据包、通过特定接口转发数据包等，Segment是构建网络路径的基本模块，Segment标识 (SID，SegmentIdentifier)用于标识Segment。在最简的应用中，Segment模块可以单独使用，单个Segment就可以引导数据包通过网络。也可以组合使用这些模块来满足应用数据流的要求：通过把多个Segment组合成一个有序列表，可以引导数据包到网络的任何路径上，此路径不受最短路径、域边界、路由协议等影响。也可以通过Segment组合将数据包引导通过服务链。因此SR主要有三个应用场景：快速重路由，流量工程，服务链功能。Segment列表中的每个条目是一条指令，用于完成整个路径的一个部分或一段，所以称为段Segment。除了执行编码在Segment列表中的指令外，节点还维护 Segment列表本身，为此定义了三个基本的Segment列表操作:压入(PUSH)，在Segment 列表头部插入一个或多个Segment，并将第一个Segment设置为活动Segment；继续 (CONTINUE)，活动Segment还没有完成，让它保持活动；下一个(NEXT)，活动Segment 已经完成，Segment列表中的下一个Segment将称成为活动Segment。这些Segment列表操作可以被映射至对报头实施的实际数据平面操作。实际操作中，SR可以和其他 MPLS协议共存，可以扩展IPv6报头使其支持SR，也可以对IGP协议进行SR扩展(ISIS扩展、OSPF扩展)。
由于SRTE的重要作用，国内外展开了许多研究工作。为最小化最大链路利用率，Randeep等提出一种启发式算法MILP对一组流量矩阵进行训练，得出适用于大范围流量矩阵的SR参数，再通过设置最佳分流比来最小化最大链路利用率；Timmy等提出了一种可优化一个或多个流量矩阵的隧道训练架构，使用一种启发式算法在所有优化结果中选择SR隧道的子集，以此来最小化段的总数与最大链路利用率，最终从可部署的结果中选择一组SR路径；Tossaphol等通过离线SR路径算法来限制SR路径中间节点数量的方法来最小化最大链路利用率，同时提前应用离线算法来减少计算时间；Zhang等针对网络编码的多商品流问题，提出一种双对偶分解方法将原始问题分解为一系列最小成本流子问题，而最终仅需要一个集中计算即可解决，以此来最大程度地减少最大链路利用率。为应对网络中多商品多播应用程序消耗大量带宽资源的问题，Jianwei等提出了两级的分解模型，允许网络编码，将TLD模型分解为多个子问题，最后并行或分布式计算，以此来实现最低成本的TE。为使流快速地通过网络，Luca等实现了一种简单的TE/SR启发式算法来进行流量分配，首先实现流的首次分配，然后尝试逐一重新分配所有被允许的流，即找到与每条TE路径对应的SR路径，以最大程度地减少流在全网的穿越时间。
但是传统网络中的流量调度存在选择单一的基于最短路径转发的问题，会导致业务流集中通过某些链路，当业务流增大时，在这些链路上拥塞的概率会大幅增加。同时传统分布式机制缺乏协调，会导致路由器之间争抢网络带宽资源，这种行为会导致最优性丧失、可预见性丧失、收敛速度慢等问题，所以需要一个新的技术方案来解决这个问题。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的SR路径分配需要消耗大量时间或者牺牲大量的链路利用率的不足，提供一种基于段路由的SR路径约束方法，同时实现最小化最大链路利用率、减少计算时间优化目标。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种基于段路由的SR路径约束方法，包括如下步骤：
S1：遍历网络中的业务流，针对每条业务流，计算出网络拓扑中每个节点之间的所有可用路径；
S2：对计算得到的所有可用路径进行初步筛选，得到SR路径，对SR路径进行编码，得到对应的段列表SRP，每个SRP中的段标识SID组合都代表一条SR路径，将各 SRP加入到总的SRP中；
S3：遍历总的SRP，根据设定的SR路径约束条件和SR路径约束变量进行筛选，得到满足条件的段列表SRP，即可用SR路径，记录可用SR路径的SRP和数量；
S4：根据步骤S3获取的可用SR路径的SRP和数量，根据容量等比例分流法将业务流沿着可用SR路径分流至目的节点处。
进一步的，所述步骤S1中通过深度优先遍历算法计算出网络拓扑中每个节点之间的所有可用路径。
进一步的，所述步骤S2中初步筛选的过程为：先遍历源、目的节点间所有计算出的路径，判断路径是否为源、目的节点间唯一最短路径，若是，则将此时的目的节点对应段标识加入到段列表中；若不是，则令目的节点变为此路径上的上一跳节点后继续循环，循环结束后得到初步段列表。
进一步的，所述步骤S3中SR路径约束条件具体为：
L·|sp(sf，tf)|-|sp(sf，k)|≥|sp(k，tf)|
其中，L为SR路径约束变量，sf表示业务流f的源节点，tf表示业务流f的目的节点，|sp(sf，tf)|表示节点sf到节点tf的最短路径的长度。
进一步的，所述步骤S4中容量等比例分流法具体为：根据每条路径的链路容量在总路径的所有链路容量之和的占比进行分流。
本发明的流量调度阶段首先确定网络拓扑中各源、目的节点对间的所有路径，然后对路径进行编码，得到各路径对应的段列表SRP，根据设置的SR路径约束条件和SR 路径约束变量L来筛选SRP，以便得到符合条件的SR路径，根据设置不同的变量L值，可以控制SR路径的长度和中间节点的数量，以此来满足标签栈深度的限制，同时实现最小化最大链路利用率、减少计算时间优化目标。
本发明聚焦于最小化最大链路利用率的同时减少业务流在全网中选择对应路径所需的计算时间，首先建立基于SR的流量工程模型SRTE-L，引入SR路径约束变量L，使用Gurobi求解该LP模型，但随着业务流的增加，整个LP模型求解时间会大大增加，开销越来越大，因此在流量调度阶段(SR路径选择与编码)使用SR路径约束算法来优化调度过程。
本发明通过结合SDN和SR，让集中式控制器收集全网拓扑状态，提供全网视图，进行集中优化，网络提供去往某个目的地的支持等价多路径路由的最短路径(PrefixSegment)，让集中式控制器像搭建积木一样去使用Segment，集中式控制器将它们组合起来形成任意想要的显示路径，每条流的状态信息只需要在源节点处维持。
有益效果：本发明与现有技术相比，具备如下优点：
1、本发明改进了流量调度过程中业务流路由路径选择的流程，在给每条业务流分配SR路径时，在路径选择过程中加入SR路径约束条件，从而限制中间节点的数量以及路径的长度，筛选出符合条件的SR路径，使其不会超过标签栈的深度，同时能优化最大链路利用率。
2、本发明利用对普通SRTE模型进行改进定义了一种新的SRTE-L模型，引入提前设置好的SR路径约束变量L，在路径分配的过程中结合SR路径约束条件，使得分配给业务流的SR路径满足一定条件，从而能够更有效地最小化最大链路利用率、缩短计算时间。
附图说明
图1是本发明方法的流程图；
图2是SDNSR模型架构图；
图3是三种流量工程对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明提供一种基于段路由的SR路径约束方法，本实施例中选取两个不同的网络拓扑图COST266和Germany50用作实验，由重力模型随机生成流量矩阵作为实验中的业务流，然后针对每条业务流计算出其在两个网络拓扑图中的SR路径并编码得到段列表SRP，然后根据SR路径约束条件和SR路径约束变量L筛选SR路径，得到最终的可用SR路径，然后根据容量等比例分流法将业务流沿着可用SR路径分流至目的节点处。
参照图1，本实施例中SR路径约束方法的具体步骤如下：
步骤1：首次分配路径
根据图2中的集中式控制器会提供全局视图，对流量矩阵中的每条业务流，首先遍历COST266和Germany50两个网络拓扑中的每个节点对，采用基于深度优先遍历算法计算出所有路径，即实现对业务流的首次路径分配。
步骤2：编码路径
对两个网络拓扑中所有节点对间计算出的路径进行初步筛选。遍历流量矩阵，首先令节点M为业务流f的源节点，节点N为业务流f的目的节点，p为节点M与节点N 间的任意一条路径，判断节点M与节点N间的最短路径是否只有一条且该最短路径是否就是p，若不是，则令p路径上节点N的前一跳节点成为节点N后重新开始循环。若是则将节点N的段标识加入到段列表SRP中，此时判断节点N是否就是业务流f的目的节点，若是则结束循环，得到业务流f的SR路径段列表SRP，若不是则重新开始循环。得到业务流对应的SR路径，对SR路径进行编码，得到对应的段列表SRP，每个 SRP中的段标识SID组合都代表一条SR路径，将各SRP加入到总的SRP中。最终的到所有业务流的SR路径对应的段列表。
步骤3：重分配路径
遍历总的SRP，根据设定的SR路径约束变量L和SR路径约束条件 L·|sp(sf，tf)|-|sp(sf，k)|≥|sp(k，tf)|进行筛选，其中sf表示业务流f的源节点， tf表示业务流f的目的节点，|sp(sf，tf)|表示节点sf到节点tf的最短路径的长度，由此筛选出符合路径长度要求的段列表SRP，同时不会超过各节点标签栈深度，至此得到各业务流的可用SR路径，记录可用SR路径的段列表SRP和数量num。
步骤4：路由业务流
根据上一步得到的可用SR路径SRP和可用SR路径的数量num，集中式控制器将它们组合起来形成显示的路径，每条流的状态信息只需要在源节点处维持，当网络拓扑发生变化时，也只需要更改源节点处的信息即可。最后根据容量等比例分流法将业务流沿着这些可用SR路径分流至目的节点处。
本实施例中，对于每一个业务流f，其在SR路径约束算法流程如下：
Figure BDA0002576561250000051
Figure BDA0002576561250000061
本实施例中将上述方法获得的流量工程(SRTE-L)分别和普通基于段路由的流量工程(SRTE)、基于最短路径优先的流量工程(SP－TE)进行对比，得到如图3所示结果对比图。根据图3可见，本发明能够将最大链路利用率限制在更低的值。经实验测试，随着预先设置的SR约束变量L值越来越大，最大链路利用率会随之降低，这是因为网络中可用的SR路径增多。从而验证了本发明方法能够更有效地最小化最大链路利用率、缩短计算时间。

Claims (5)

1.一种基于段路由的SR路径约束方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：遍历网络中的业务流，针对每条业务流，计算出网络拓扑中每个节点之间的所有可用路径；
S2：对计算得到的所有可用路径进行初步筛选，得到SR路径，对SR路径进行编码，得到对应的段列表SRP，将各SRP加入到总的SRP中；
S3：遍历总的SRP，根据设定的SR路径约束条件和SR路径约束变量进行筛选，得到满足条件的段列表SRP，即可用SR路径，记录可用SR路径的SRP和数量；
S4：根据步骤S3获取的可用SR路径的SRP和数量，根据容量等比例分流法将业务流沿着可用SR路径分流至目的节点处。
2.根据权利要求1所述的一种基于段路由的SR路径约束方法，其特征在于：所述步骤S1中通过深度优先遍历算法计算出网络拓扑中每个节点之间的所有可用路径。
3.根据权利要求1所述的一种基于段路由的SR路径约束方法，其特征在于：所述步骤S2中初步筛选的过程为：先遍历源、目的节点间所有计算出的路径，判断路径是否为源、目的节点间唯一最短路径，若是，则将此时的目的节点对应段标识加入到段列表中；若不是，则令目的节点变为此路径上的上一跳节点后继续循环，循环结束后得到初步段列表。
4.根据权利要求1所述的一种基于段路由的SR路径约束方法，其特征在于：所述步骤S3中SR路径约束条件具体为：
L·|sp(sf，tf)|-|sp(sf，k)|≥|sp(k，tf)|
其中，L为SR路径约束变量，sf表示业务流f的源节点，tf表示业务流f的目的节点，|sp(sf，tf)|表示节点sf到节点tf的最短路径的长度。
5.根据权利要求1所述的一种基于段路由的SR路径约束方法，其特征在于：所述步骤S4中容量等比例分流法具体为：根据每条路径的链路容量在总路径的所有链路容量之和的占比进行分流。
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