CN112564964A - 一种基于软件定义网络的故障链路检测与恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于软件定义网络的故障链路检测与恢复方法，该方法包含：利用OpenFlow协议获取网络内交换设备及链路的详细信息，集中监视网络实时运行状态；查询网络内设备端口的状态标志与计算端口流量传输统计值，快速检测与定位故障链路；使用剩余带宽评估算法与基于加权计算的整体链路评估算法对备用链路进行评估；使用Dijkstra最优路径选择算法选择出最优的一条流量转发路径，调用控制器下发流量转发的流表，完成故障链路的通信恢复；以可视化方式展示故障链路信息和故障恢复信息，并生成可下载的文本文档。本发明的方法能够自动、快速检测与定位网络内故障链路并进行通信的恢复，显著提升了网络内故障链路检测与恢复的速度和精度。

Description

一种基于软件定义网络的故障链路检测与恢复方法

技术领域

本发明属于网络通信技术领域，涉及一种基于软件定义网络的故障链路检测与恢复方法。

背景技术

互联网络的发展与应用已经深入到人类生活、生产等众多方面，随着互联网业务种类的增多和业务类型日趋复杂，以TCP/IP为基础的传统网络架构暴露出许多问题。例如在网络管理方面，传统的网络管理方式需要登录终端设备进行配置与操作，这种方式不仅增加了网络管理人员的负担，也增加了网络的安全风险。更重要的是传统网络管理方式对网络状态的感知具有滞后性，不能及时、准确掌握网络的实时状态，当链路出现故障后，不能及时检测及恢复故障链路处的通信，在一定程度上降低了服务的质量，限制了互联网技术的高速发展。

对已提出的故障链路检测与恢复的方法，大都基于生成树协议设计实现，但由于缺乏全局网络的状态信息，重新组网需要依靠频繁发送协议报文检测网络信息，这将耗费大量的计算时间，随着网络复杂度的增加，花费的时间会明显加长。

本发明为了克服上述缺陷，发明了一种基于软件定义网络的故障链路检测与恢复方法，具体步骤如下：

S1，调用控制器北向接口发送全局拓扑信息请求，利用Openflow协议获取网络设备端口状态信息与设备间链路连接信息，分类别存入数据库；

S2，进行故障链路检测算法，检测链路健康状态，同时结合网络拓扑信息构建故障链路登记表；

S3，根据检测到的故障节点，从数据库查询全局网络拓扑，定位故障链路发生的位置；

S4，进行链路评估算法，结合网络拓扑信息计算故障链路处各备份链路的链路状态评估值。

S5，进行最优备份路径选择算法，利用Dijkstra算法选择备份链路中最优的一条通信链路，下发流量调度流表，恢复故障链路处的通信。

S6，对故障链路信息与故障恢复信息进行可视化展示和文本信息输出。

本发明的技术方案特征和改进为：

对于步骤S2，本发明涉及物理链路故障和链路拥塞两种故障情况。物理链路故障又分为端口故障、通信链路异常断开两种。假设交换机端口的连接断开标识为l_d，端口正常启用的标识为l_a，端口通信健康状态为H。控制器中提供端口的l_d，l_a两种状态的标识信息，如公式(1)所示：

H＝(l_d＝false)∩(l_a＝true) (1)

根据式(1)可判断端口故障情况，当H为真时端口正常运行，当H为假时端口故障。对于通信链路异常断开、链路拥塞两类故障，假设交换机端口发出且收到确认的字节数为b_t，端口缓冲区接收的字节数为b_r，端口的流量传输统计值为T，如公式(2)所示：

式(2)中当T等于0，即端口接收的字节数b_t为0时，可判断出现了通信链路异常断开的故障。对于判断链路拥塞故障，假设对于T，链路拥塞的阈值为T_min，当T的值小于等于T_min，可判断链路出现了拥塞的故障。

当出现上述两类故障后，根据故障发生处的交换机标识和端口标识，在存储的网络拓扑中快速定位故障发生的位置，便可实现网络中故障的快速检测与定位。

对于步骤S4，本发明将备份链路设备节点个数、链路带宽总容量、链路已使用带宽三个因素作为链路评估的指标。假设一条流量路径流经多个交换设备节点O＝{o₁，o₂，…，o_n}，下标n代表总节点数量。每个交换设备节点都有备用节点N_i＝{n₁，n₂，…，n_n}，N_i表示一台原链路交换设备节点的所有备用节点，链路的带宽总容量c，已使用带宽为b，定义链路剩余带宽为Con，如公式(3)所示：

Con＝c-b (3)

选择带宽大的链路将有效减少再次出现链路故障的概率，并降低备用链路承载新流量后的负载。为确保Con是一个稳定的值，需要在一段连续时间内对Con进行记录，假设C＝{Con₁，Con₂，…，Con_n}一组样本观测值，下标n代表样本的容量，如公式(4)所示：

式(4)中，

为样本均值，n为样本容量。考虑到样本C中可能会出现一些离群值，本发明在式(4)基础上再次改进。假设C′＝{Con_i1，Con_i2，…，Con_in}为样本C的升序排序后的样本集和，下标in为升序排序后的标号，

为样本集C′的切尾均值，t为切尾值，如公式(5)所示：

式(5)中进行离群值处理后，样本均值

可以更好地代表链路剩余带宽，也代表着更高的可靠性。假设原链路交换设备节点到其备用交换设备节点间的距离为d，备份节点集合D＝{d₁，d₂，…，d_n}。本发明在进行链路综合评估时，赋予

的权重为

赋予d_i的权重为w_d，假设综合链路评估集合V_i＝{v₁，v₂，…，v_n}，V_i表示原链路第i台交换设备备份节点连接链路的链路评估值的集合。如公式(6)所示：

对所有可用备份链路做完评估后，便掌握了备份链路的实际运行状况，为判断能否成为最优故障恢复链路提供了依据。

对于步骤S5，本发明采用Dijkstra最优路径算法从备份路径中选择一条最合适的流量转发路径。假设S＝{…}为最优路径节点集合，初始时为空。假设p₀为链路恢复的起始设备节点，Dist＝{dist₀，dist₂，…}为从p₀出发，到步骤S4中N_i内设备节点的最优评估值，dist_i表示p₀到n_i边上的权值，可用dist(p₀-n_i)表示，如公式(7)所示：

dist_i＝min{dist(p₀-n_i)}n_i∈N_i (7)

式(7)中，计算了从起始设备节点p₀到一个n_i设备节点的最优评估值，计算出dist_i后便将p₀和n_i加入到S中。根据集合S与下一设备节点之间的关系可以计算出下一条最优的路径，下一条最优路径一定是从S集合中的设备节点出发，从集合N_i-S中选择出下一个目的节点n_i，中间经过S集合中的个别设备节点。N_i，S，dist_i满足公式(8)：

dist_i＝min{dist(s_i-n_i)}s_i∈S，n_i∈N_i-S (8)

计算出最优路径后，假设path＝{path₁，path₂，…}为一辅助数组，path_i＝i记录最优路径的前驱节点，使用辅助数组path可追溯起始设备节点p₀到目的设备节点n_i的最优路径。每求得一条最短路径，将目的节点n_i加入集合S，并对所有的n_i∈N_i-S新加入的设备节点计算最优路径的权值，同时更新该节点到对应dist_i中，dist_i满足条件如公式(9)所示：

dist_i＝min{dist_i，dist_i+dist(s_i，n_i)}s_i∈S，n_i∈N_i-S (9)

式(9)中，dist(s_i，n_i)表示目的设备父节点s_i和目的设备节点n_i之间的权值和，取权值最小值设备节点s_i为设备父节点，并更新path_i＝i。

本发明的基于软件定义网络的故障链路检测与恢复方法，解决了现有技术对工业互联网内的故障链路检测速度慢和故障链路处通信恢复慢的问题，具有以下优点：

(1)本发明的方法分析并设计了一种网络运维结构，比之前已有的方法能够更好地掌握工业互联网中的网络拓扑和链路信息，包含了针对故障链路检测与恢复的所有信息，能够快速检测到网络中发生故障的链路并进行通信的恢复，从这些数据中还能分析出长期以来网络的运行状况和将来网络的发展状况等信息，不仅精度高，速度也快，具有广泛的应用场景；

(2)本发明的方法能够应用于数据中心和企业工业互联网的复杂场景中，实现了精准和快速的故障链路检测与通信的恢复，并在特定的实际应用场景中结合异常检测算法、链路评估算法和通信恢复策略，实现了一套针对网络中故障链路检测与通信恢复的通用框架；

(3)本发明的方法极大地提高了网络运维的效率，通过编写基于控制器的管理与运维程序实现对网络中链路的统一管理和配置，降低了人力成本投入，实现了全天候、自动化和智能化管理，并在最终的可视化管理中显著提高了网络拓扑和链路状况的可视化和可读性，优于目前先进的方法。

附图说明

图1为本发明中基于软件定义网络的故障链路检测与恢复方法的流程图

图2为本发明中基于软件定义网络控制器的故障链路检测的结构示意图

图3为本发明中链路评估算法的流程图

图4为本发明中最优转发路径算法的流程图

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

一种基于软件定义网络的故障链路检测与恢复方法，如图1所示，为本发明的基于软件定义网络的故障链路检测与恢复方法的流程图，该方法包含：

S1，运行信息收集模块，向控制器发送拓扑信息和设备信息获取请求，在企业内部网络中获取网络拓扑信息和设备信息。进行数据反序列化，原数据是包含网络拓扑信息和设备信息的Json格式字符串，进行反序列化后提取出网络中的交换机链路连接信息及其端口信息，其余数据作废，不予理会。

反序列化数据存入数据库。反序列化的交换机链路连接信息记录了网络的拓扑结构，采用字典数据结构进行存储，将链路的起始交换机节点编号和端口编号作为字典的索引值，将链路的连接终点交换机节点编号和端口编号作为对应索引值的属性值。反序列化的交换机端口信息记录了交换机所有端口的详细状态，使用字典数据结构进行存储，将交换机的编号和端口编号一起作为字典的索引值，将交换机端口的所有状态信息作为对应索引值的属性值，特别的，对应索引的属性值也是以字典数据结构进行存储，端口状态的名称作为字典的索引值，端口状态的详细信息作为对应索引值的属性值。

S2，运行故障检测模块。先对交换机端口的运行状态进行判断，检查端口的连接断开状态标识和正常启用状态标识，当连接断开状态标识为假，即处于正常连接，且端口正常启用状态为真，即端口正常启用时，继续进行下一步判断。如果连接断开状态标识为真或是端口正常启用状态为假时，可判断连接此端口的链路处于断开状态，无需进行下一步判断。

判断端口正常后，继续使用流量传输统计的方法进行下一步判断。统计端口缓冲区接收的字节数与端口发送且收到确认的字节数，使用流量传输统计公式计算出一个评判值，当这个评判值为0时，说明没有任何的流量在链路上传输，可判断此端口连接的物理链路断开了。当端口连接的链路出现拥塞，评判值会趋近于0，如果评判值小于等于设定的阈值，即可判断端口连接的链路发生了链路拥塞，无法正常通信。

对所有交换机端口进行检测和评价后，将发生故障的节点记录下来，得到故障节点集合G＝{(s₁,p₁),(s₂,p₂),…,(s_n,p_n)}，其中s表示交换机，下标数字表示交换机的编号，p表示交换机上的端口，下标表示端口的编号。

S3，故障链路定位。遍历故障节点集合G，对集合中的每组元素，先根据s_k在存储的网络拓扑结构字典中找到对应的k号交换机，再根据p_j找到k号交换机上的j号端口，从而获得一个完整的索引值，根据索引值查询其属性值，确定故障链路终点的交换机编号和端口编号，得到故障链路集合

其中s的下标表示起始交换机的编号，上标表示交换机上端口的标号，e的下标表示终点交换机的编号，上标表示交换机上端口的标号。

S4，链路状态评估，利用链路评估算法，对故障链路的所有备份链路状态进行评估。对集合L中的每组元素，从起始节点开始到终止节点结束进行深度优先遍历，得到集合

可视为所有故障链路的备份链路集合，其中m的下标表示交换机节点的编号，上标表示交换机端口的编号。在规定时间段内均匀采样，对所有备份路径节点中的端口进行剩余带宽切尾均值统计，同时根据距离起始节点的跳数计算出一个链路评估的加权统计值，得到集合

可视为所有故障链路的备份链路集合的评估值集合。

S5，计算最优路径。在故障链路的备份链路集合BD中，对每条故障链路的备份链路集合使用最优路径算法，以链路评估值为权值，计算最优的一条转发路径，得到集合

可视为每条故障链路的最优转发链路集合。

根据集合BV下发流表恢复通信。控制程序根据故障链路的最优转发链路中的交换机及其端口信息，从故障链路起始交换机节点s开始，到故障链路终止交换机节点e结束，生成针对每台交换机的流量转发流表，调用控制器将这些流表下发给每台交换机。

S6，信息可视化展示。使用网页可视化技术展示全局网络拓扑及检测到的故障链路和恢复信息，并提供文本下载方式下载一段时间内故障链路及其恢复信息的统计数据。

综上所述，本发明的基于软件定义网络的故障链路与检测与恢复方法适用于中小型工业互联网场景中，同时支持IPv6与IPv4网络，并在特定的实际应用场景中尝试在一个模拟网络中心部署检测故障链路并进行恢复，建立了一套专门针对网络中心的故障链路检测与恢复系统，可以在几分钟之内检测定位故障链路，并进行故障链路的恢复。本发明的基于软件定义网络的故障链路检测与恢复方法适用于多个领域，具有广泛的应用场景。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例做了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述的内容后，对于本发明的多种修改和代替都将是显而易见的，因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (4)

1.一种基于软件定义网络的故障链路检测与恢复方法，其特征及具体步骤如下：

S1，调用控制器北向接口发送全局拓扑信息请求，利用Openflow协议获取网络设备端口状态信息与设备间链路连接信息，分类别存入数据库；

S2，进行故障链路检测算法，检测链路健康状态，同时结合网络拓扑信息构建故障链路登记表；

S3，根据检测到的故障节点，从数据库查询全局网络拓扑，定位故障链路发生的位置；

S4，进行链路评估算法，结合网络拓扑信息计算故障链路处各备份链路的链路状态评估值；

S5，进行最优备份路径选择算法，利用Dijkstra算法选择备份链路中最优的一条通信链路，下发流量调度流表，恢复故障链路处的通信；

S6，对故障链路信息与故障恢复信息进行可视化展示和文本信息输出。

2.根据权利要求1所述的一种基于软件定义网络的故障链路检测与恢复方法，其特征在于，对于步骤S2，本发明涉及物理链路故障和链路拥塞两种故障情况，物理链路故障又分为端口故障、通信链路异常断开两种，假设交换机端口的连接断开标识为l_d，端口正常启用的标识为l_a，端口通信健康状态为H，控制器中提供端口的l_d，l_a两种状态的标识信息，如公式(1)所示：

H＝(l_d＝false)∩(l_a＝true) (1)

根据式(1)可判断端口故障情况，当H为真时端口正常运行，当H为假时端口故障；对于通信链路异常断开、链路拥塞两类故障，假设交换机端口发出且收到确认的字节数为b_t，端口缓冲区接收的字节数为b_r，端口的流量传输统计值为T，如公式(2)所示：

式(2)中当T等于0，即端口接收的字节数b_t为0时，可判断出现了通信链路异常断开的故障，对于判断链路拥塞故障，假设对于T，链路拥塞的阈值为T_min，当T的值小于等于T_min，可判断链路出现了拥塞的故障；

当出现上述两类故障后，根据故障发生处的交换机标识和端口标识，在存储的网络拓扑中快速定位故障发生的位置，便可实现网络中故障的快速检测与定位。

3.根据权利要求1所述的一种基于软件定义网络的故障链路检测与恢复方法，其特征在于，对于步骤S4，本发明将备份链路设备节点个数、链路带宽总容量、链路已使用带宽三个因素作为链路评估的指标，假设一条流量路径流经多个交换设备节点O＝{o₁，o₂，…，o_n}，下标n代表总节点数量，每个交换设备节点都有备用节点N_i＝{n₁，n₂，…，n_n}，N_i表示一台原链路交换设备节点的所有备用节点，链路的带宽总容量c，已使用带宽为b，定义链路剩余带宽为Con，如公式(3)所示：

Con＝c-b (3)

选择带宽大的链路将有效减少再次出现链路故障的概率，并降低备用链路承载新流量后的负载，为确保Con是一个稳定的值，需要在一段连续时间内对Con进行记录，假设C＝{Con₁，Con₂，…，Con_n}一组样本观测值，下标n代表样本的容量，如公式(4)所示：

式(4)中，

为样本均值，n为样本容量，考虑到样本C中可能会出现一些离群值，本发明在式(4)基础上再次改进，假设C′＝{Con_i1，Con_i2，…，Con_in}为样本C的升序排序后的样本集和，下标in为升序排序后的标号，

为样本集C′的切尾均值，t为切尾值，如公式(5)所示：

式(5)中进行离群值处理后，样本均值

可以更好地代表链路剩余带宽，也代表着更高的可靠性，假设原链路交换设备节点到其备用交换设备节点间的距离为d，备份节点集合D＝{d₁，d₂，…，d_n}，本发明在进行链路综合评估时，赋予

的权重为

赋予d_i的权重为w_d，假设综合链路评估集合V_i＝{v₁，v₂，…，v_n}，V_i表示原链路第i台交换设备备份节点连接链路的链路评估值的集合，如公式(6)所示：

对所有可用备份链路做完评估后，便掌握了备份链路的实际运行状况，为判断能否成为最优故障恢复链路提供了依据。

4.根据权利要求1所述的一种基于软件定义网络的故障链路检测与恢复方法，其特征在于，对于步骤S5，本发明采用Dijkstra最优路径算法从备份路径中选择一条最合适的流量转发路径，假设S＝{…}为最优路径节点集合，初始时为空，假设p₀为链路恢复的起始设备节点，Dist＝{dist₀，dist₂，…}为从p₀出发，到步骤S4中N_i内设备节点的最优评估值，dist_i表示p₀到n_i边上的权值，可用dist(p₀-n_i)表示，如公式(7)所示：

dist_i＝min{dist(p₀-n_i)}n_i∈N_i (7)

式(7)中，计算了从起始设备节点p₀到一个n_i设备节点的最优评估值，计算出dist_i后便将p₀和n_i加入到S中，根据集合S与下一设备节点之间的关系可以计算出下一条最优的路径，下一条最优路径一定是从S集合中的设备节点出发，从集合N_i-S中选择出下一个目的节点n_i，中间经过S集合中的个别设备节点，N_i，S，dist_i满足公式(8)：

dist_i＝min{dist(s_i-n_i)}s_i∈S，n_i∈N_i-S (8)

计算出最优路径后，假设path＝{path₁，path₂，…}为一辅助数组，path_i＝i记录最优路径的前驱节点，使用辅助数组path可追溯起始设备节点p₀到目的设备节点n_i的最优路径，每求得一条最短路径，将目的节点n_i加入集合S，并对所有的n_i∈N_i-S新加入的设备节点计算最优路径的权值，同时更新该节点到对应dist_i中，dist_i满足条件如公式(9)所示：

dist_i＝min{dist_i，dist_i+dist(s_i，n_i)}s_i∈S，n_i∈N_i-S (9)

式(9)中，dist(s_i，n_i)表示目的设备父节点s_i和目的设备节点n_i之间的权值和，取权值最小值设备节点s_i为设备父节点，并更新path_i＝i。

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