CN112702330B - 面向Overlay网络的轻量级带内网络遥测方法、装置及存储介质 - Google Patents

面向Overlay网络的轻量级带内网络遥测方法、装置及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向Overlay网络的轻量级带内网络遥测方法，包括以下步骤：S1、对IP报文进行封装以得到探测数据包，使探测数据包能够依次采集沿途Underlay设备的ID以及设备端口侧的链路状态信息；S2、对探测数据包进行解析；S3、以Overlay网络中的任一设备为根节点开始遍历，得到非重叠的探测路径；S4、依据步骤S3中的探测路径进行控制，得到定制的探测数据包转发路径；S5、当探测数据包到达终点后，将采集到的网络监测信息进行存储和查询。本发明同时提供一种本发明面向Overlay网络的轻量级带内网络遥测装置和存储介质，能够以更低开销实现轻量级的Overlay网络监测。

Description

面向Overlay网络的轻量级带内网络遥测方法、装置及存储 介质
技术领域
本发明属于通讯领域，更具体地说，涉及一种面向Overlay网络的轻量级带内网络遥测方法、装置及存储介质。
背景技术
随着云计算在数据中心和企业网络中的广泛应用，云服务模式成为重要的服务模式。虚拟化技术作为云计算的显著特征，可以有效提高资源利用率，降低数据中心的运维成本。然而，虚拟机数量增多以及虚拟机频繁动态迁移所带来的问题也随之出现，传统网络已经无法很好地满足虚拟机在任意网络位置之间无感知迁移的需求，因此，Overlay网络方案应运而生。
Overlay在网络技术领域，指的是一种网络架构上叠加的虚拟化技术模式，其大体框架是对基础网络不进行大规模修改的条件下，实现应用在网络上的承载，并能与其它网络业务分离，并且以基于IP的基础网络技术为主。Overlay技术是在现有的物理网络之上构建一个虚拟网络，上层应用只与虚拟网络相关。与之对应的传统网络，一般称之为Underlay网络。 Overlay网络在不改变原始架构的基础上为各类云业务提供支撑，可以在基础物理网络上运行多个单独离散化虚拟网络，它们具有独立的控制平面和数据平面。如图1所示，从物理角度看，Overlay网络非常复杂，任意两个节点之间可能存在多种转发路径或物理链路；从Overlay 网络中的终端主机角度看，网络通信过程简洁，底层Underlay网络是透明不可见的，具有大二层透明服务机制(Layer 2Transparent Service)。虚拟扩展局域网(Virtual eXtensible Local Area Network，VXLAN)技术作为网络虚拟化的通用隧道协议，是Overlay网络领域的重要技术方案，大多数软件虚拟交换机和硬件设备都支持VXLAN实现。VXLAN网络搭建了 VXLAN隧道进行通信，通信虚拟机或服务器双方通过VXLAN隧道进行交互。VXLAN隧道终点(VXLAN Tunnel End Point，VTEP)部署在VXLAN网络边缘，负责连接租户网络与 VXLAN网络，进行报文的封装和解封装，屏蔽了虚拟机对Underlay网络的感知。VXLAN 作为虚拟网络技术，运行在现有网络基础架构之上，将二层网络在三层范围进行扩展，增加了租户数量，实现了虚拟网络的灵活扩展部署，扩大了虚拟机迁移范围，更好地满足数据中心部署大二层网络的需求。与此同时，数据中心Overlay网络的不断发展使得网络复杂性也在不断增加，运维难度增大，网络检测更加困难。数据中心网络的实时准确的监测，有利于发现网络瓶颈，优化网络配置，定位潜在危险，进行有效的网络性能管理等。带内网络遥测 (In-band Network Telemetry，INT)技术作为一种细粒度网络监测的新型遥测协议，由Barefoot， Arista，Dell，Intel和VMware联合提出，具有复杂而灵活的遥测机制。INT使用镜像报文，通过采样方式采集镜像，仅占少部分的带宽。INT模型的时间信息精度高，精确到微秒，不存在时钟偏差。INT在数据层面收集和报告网络状态，整个过程不需要控制层面参与，不会增加网络设备CPU的负担。
然而，除了VTEP能够感知隧道底层网络设备的存在外，其他终端服务器等无法感知到 Overlay网络覆盖下Underlay网络及其链路，INT作为一种基础原语，只基于底层网络定义了传入的探测数据包与设备内部状态之间的简单交互方式，没有进行高级设置。同时，Overlay 网络中任意终端设备进行相互通信时，网络中的某些节点处会存在重复的数据包，换言之，监测系统中存在大量重复探测路径。最坏情况下，N个主机或服务器相互通信时，整个网络中存在N2条Overlay链路，从而导致了“N平方”问题。每条链路可能经过相同的底层设备路径，即同一条Underlay链路上的状态信息被多条Overlay链路重复采集，增加了监测系统的网络开销。如图1所示，当VTEP1连接的虚拟机与VTEP3连接的虚拟机进行通信时，探测数据包在对应Underlay网络中的转发路径为[S1，S9，S17，S11，S3]；当VTEP1连接的虚拟机与VTEP4连接的虚拟机进行通信时，探测包在对应底层网络中的转发路径为[S1，S9，S17，S11，S4]。显然，此时存在重复探测路径[S1，S9，S17，S11]。这不仅会给控制器带来性能负担，而且会占用有限的链路带宽，从而导致较高的遥测开销。因此，Overlay网络监测的实现需要对探测路径进行合理的规划，并需要更高层的INT设计。因此，如何利用INT技术构建轻量级的Overlay网络监测系统、实现数据中心网络流量的监控和管理、进行探测路径的有效规划、以更低开销获取网络链路设备的监测信息，成为亟待解决的技术挑战。
VXLAN是Overlay网络的重要实现技术之一，它是一种隧道模式的网络覆盖技术。VXLAN网络模型整体架构如图2所示，VXLAN网络标识符(VXLAN Network Identifier， VNI)和其它相关封装信息只有VTEP可见，具有相同VNI的虚拟机(VM)可以进行相互通信；只有隧道端点VTEP能够感知VNI和隧道底层网络设备的存在，对于终端虚拟机而言，上述设备是透明的。VXLAN采用“MAC in UDP”的报文封装模式，如图3所示，添加外部以太首部(Outer MACHeader)和外部IP首部(Outer IP Header)，将原始以太网报文和VXLAN 首部封装成UDP报文进行隧道传输。VXLAN等Overlay网络应用较好地满足了数据中心规模扩大、虚拟机灵活迁移和租户隔离的需求。
Overlay网络共享相同的底层Underlay网络，由于封装机制和虚拟隧道方案，用户和业务感知不到底层网络中的转发路径和链路设备，这对于用户而言通信过程更加简洁，但是不利于网络运维和监测。Overlay网段两端虚拟机无法看到虚线下对应的网络拓扑，不能获知 VXLAN的实现细节以及通信过程。当数据包转发到终端主机或服务器时，其中携带的遥测信息已被VTEP剥离并丢弃，无法传送到控制器或其他设备进行后续处理。因此，典型的监控工具难以直接对Overlay网络进行监测。此外，底层的Underlay网络拓扑之上对应多个不同的Overlay网络，Overlay网络也是高度动态的，Overlay网络的复杂性同样增大了监测难度。
基于P4编程语言的INT(P4-based INT)技术是最早的带内网络遥测实现方案。INT可以借助P4可编程网络芯片任意修改数据报文包头字段，将网络信息元数据嵌入到每个探测包中，并携带到远端的控制器上进行进一步的分析；整个过程除了最后一跳信息上送，均在高速数据平面完成，不改变原始业务报文的转发路径。P4-based INT包括三类实体：INT源端， INT传输设备和INT终端。INT源端是遥测路线的起点，负责将遥测指令嵌入到正常数据包或遥测数据包中；INT传输设备是具有INT功能的网络中间设备，能够解析遥测指令，并向数据包中插入INT元信息；INT终端是遥测路线的终点，负责对遥测结果进行提取和上报。INT源端和INT终端可以是应用、网管程序、发送侧/接收侧柜顶(Top of Rank，ToR)交换机等。这种测量方式不仅能采集每跳网络节点上的多种内部状态信息，而且无需频繁与控制平面发生交互，整体的测量时延大大降低。
INT技术仅基于协议无关的转发体系结构定义了遥测报文格式和在每个设备上搜集信息的方式，尚未解决如何实现Overlay网络的流量监视以及遥测路径规划等问题。INT操作将采集到的设备信息插入到探测包之中，会占用一部分链路带宽，并且遥测系统中存在大量带有探测数据包的监视路径，导致了较大的网络开销。一方面，INT执行时，转发路径中的每个设备都会在INT数据包中创建额外的空间以添加自己的INT元数据；另一方面，Overlay网络的遥测系统中往往存在许多重复的INT探测路径，增加了遥测开销。
PingMesh是微软应用于Azure数据中心的全量Ping测试技术，主要由PingMesh控制器、 PingMesh代理、数据存储与分析三部分构成。PingMesh能够在Overlay网络的任意两个服务器之间运行Ping测试，获得任何时刻的网络延时，可视化地去显示任意两个端点之间的连接状况。
PingMesh技术通过端侧发起的Ping包进行端到端网络拥塞检测，只能探测到整条链路端到端的时延情况，无法解决逐跳(Hop-by-hop)探测问题，即探测不到路由器或交换机等网络设备侧的逐跳时延，无法进一步挖掘网络设备内部状态信息。PingMesh技术虽然能够检测 Overlay网络中线故障网络，但是无法获知具体位置，而良好的故障排除需要获知传输路径，需要更加细粒化的网络可见性。
发明内容
1.要解决的问题
针对现有技术中存在的INT技术构建的Overlay网络监测系统无法实现数据中心网络流量的监控和管理、进行探测路径的有效规划、以更低开销获取网络链路设备的监测信息的问题，本发明提出了一种面向Overlay网络的轻量级带内网络遥测方法、装置和存储介质，实现了Overlay网络链路中设备状态信息的准确采集与监测；进一步地，此方法在Overlay网络中结合路径规划策略，用更少的路径覆盖全网进行遥测，结合提出的“两路探测”和“两步查找”策略，在实现Overlay网络有效监测的同时降低了网络监测开销；另外，本发明提出的轻量级网络监测方法有助于脱离Overlay网络的监控困境，实现低开销的网络监测功能。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：一种面向Overlay网络的轻量级带内网络遥测方法，包括以下步骤：
S1、对IP报文进行封装以得到探测数据包，使探测数据包能够依次采集沿途Underlay 设备的ID以及设备端口侧的链路状态信息；
S2、对探测数据包进行解析；
S3、以Overlay网络中的任一设备为根节点开始遍历，得到非重叠的探测路径；
S4、依据步骤S3中的探测路径进行控制，得到定制的探测数据包转发路径；
S5、当探测数据包到达终点后，将采集到的网络监测信息进行存储和查询。
本技术方案通过对IP报文进行封装，以便采集沿途Underlay设备的ID以及设备端口侧的链路状态信息，然后以Overlay网络中的任一设备为根节点开始遍历，得到非重叠的探测路径，并依据探测路径进行控制得到定制的探测数据包转发路径，对采集的网络监测信息进行存储和查询，在数据层面上指定探测数据包的转发路由，实现路径控制功能和细粒度网络遥测功能，完成链路设备侧状态信息的采集，从而以更低开销实现了轻量级的Overlay网络监测。
进一步地，在所述探测数据包的原始报文外部依次添加INT首部、SR标签栈、VXLAN首部、UDP首部、外部IP首部和外部Ether首部，以构成用于Overlay网络信息采集的探测数据包。
进一步地，所述INT首部包括INT Shim Header、INT Metadata和INT MetadataStack。
进一步地，所述步骤S2具体为：先通过匹配Ether首部中的以太网类型字段、IP报文中的封装协议字段和UDP报文的目标端口字段对数据包进行初步解析，然后对VXLAN报文、 SR报文和INT报文进行解析。
进一步地，所述步骤S4具体为：通过指定每个设备的输出端口来指引探测数据包有目的性地转发，从而得到定制的探测数据包转发路径。本技术方案通过对每个设备的输出端口进行指定，来指引探测数据包有目的的转发，从而定制每条探测路径的走向，解决了Overlay 网络传输路径不可见的问题。
进一步地，所述步骤S3中采用的路径探测方法为深度优先遍历算法。本技术方案采用深度优先遍历算法实现有效的探测路径规划机制，在不影响遥测性能的前提下，使用更少的探测路径进行全网监测，克服了Overlay网络中用户进行通信时造成的大量重复探测路径问题，降低了网络监测开销。
进一步地，所述步骤S5中的网络监测信息存储具体为：控制层依据两路探测的检测方式存储数据层获取的网络监测信息，其中一路为按照深度优先遍历算法和SR机制规划的路径进行全网随路检测，数据包在转发过程中沿路依次采集Underlay网络设备的内部状态信息；第二路为当Overlay网络中任意主机之间进行通信时，数据包只采集Underlay网络设备的ID。
进一步地，所述步骤S5中的网络监测信息查询具体为：
S51、通过两端设备的Overlay隧道信息查询Underlay经过的有序设备ID；
S52、通过步骤S51查询所得的有序设备ID序列进一步查询每个设备的端口链路状态信息。本技术方案可以迅速发现链路中异常数据的具体位置，从而实现准确的故障定位。
本发明同时还提供一种面向Overlay网络的轻量级带内网络遥测装置，包括报文封装模块、报文解析模块、探测路径生成模块、探测路径定制模块、探测信息存储模块和探测信息查询模块，所述报文封装模块用于对IP报文进行封装，以得到探测数据包，所述探测数据包能够依次采集沿途Underlay设备的ID以及设备端口侧的链路状态信息；所述报文解析模块用于对探测数据包进行解析；所述探测路径生成模块用于生成非重叠的探测路径；所述探测路径定制模块用于通过指定交换机的输出端口来指引探测数据包有目的性地转发，从而得到定制的探测路径；所述探测信息存储模块用于存储采集到的网络监测信息；所述探测信息查询模块用于获取监测到的设备状态信息。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行上述的面向Overlay网络的轻量级带内网络遥测方法。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明基于P4语言定义了数据报文格式、设计了高级解析过程，基于DFS路径生成算法和SR路径控制策略提出了有效的探测路径规划机制，在不影响遥测性能的前提下，通过两路探测策略，使用更少的探测路径进行全网监测，克服了Overlay网络中用户进行通信时造成的大量重复探测路径问题，降低了网络监测开销、全网探测路径和控制器的储存消耗，实现了轻量级的带内网络遥测；
(2)本发明提出的面向Overlay网络的轻量级带内网络遥测方法，能够在Overlay网络通信过程中，依次采集对应底层网络转发路径的设备ID信息，准确获取Overlay网络与Underlay网络的映射关系。利用通信两端的虚拟机ID或IP，通过查询INT探测路径表，即可快速获取对应底层链路的交换机设备ID，从而确定传输路径。本发明克服了Overlay网络底层链路的透明特性，解决了Overlay网络传输路径不可见问题，可迅速发现异常数据的具体位置，从而实现准确的故障定位；
(3)本发明通Overlay网络监测方法，利用INT探测数据包处理隧道流量，随路测量并采集单跳网络设备侧的状态信息，在探测数据包中依次嵌入沿途INT元信息，同时结合主机通信时获取的路径信息，控制器可以通过两步查找操作，获取端到端链路的逐跳遥测信息，例如交换机出入端口ID、排队时延和处理时延等，解决了Overlay网络的监测难题，能够根据路径信息迅速获取对应Underlay链路的设备级状态信息。
附图说明
图1为现有技术中底层Underlay网络与Overlay网络的示意图；
图2为现有技术中VXLAN网络模型示意图；
图3为现有技术中VXLAN报文格式；
图4为本发明中探测数据包的报文格式；
图5为本发明中VXLAN_GPE首部封装格式；
图6为本发明中SR报文封装格式；
图7为本发明中用于VXLAN GPE封装的INT首部；
图8为本发明中数据报文解析图；
图9为本发明中部分报文解析代码；
图10为本发明中深度优先遍历图；
图11为本发明中DFS路径生成算法伪代码；
图12为本发明中Overlay网络中INT探测包路径转发和信息采集流程图；
图13为本发明中Fat-Tree网络拓扑图；
图14(a)为本发明中路径规划前后的INT探测信息(排队时延)；
图14(b)为本发明中路径规划前后的INT探测信息(处理时延)；
图15为本发明中INT监测信息查询过程示意图；
图16(a)为网络监测系统中路径规划前的网络开销；
图16(b)为网络监测系统中路径规划后的网络开销。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
本发明提出了面向Overlay网络的轻量级带内网络遥测方法，基于VXLAN协议搭建了Overlay网络，利用INT技术和路径规划算法实现了低开销、轻量级的Overlay网络监测，通过定义探测报文封装格式和逐跳设备解析机制，构造了INT探测数据包进行随路监测；通过引入DFS路径生成和SR(Source Routing，源路由)控制策略进行探测路径规划，利用更少的探测路径和更低的网络开销实现Overlay网络的有效监测；通过设计数据库表格形式和遥测数据的储存格式，提出“两步查找”策略，实现了监测信息的存储和查询。本发明能够根据 Overlay网络通信两端虚拟设备的ID或IP地址，获得链路的传输路径，通过查询传输路径中的设备ID获知出入端口序号、排队时延和处理时延等设备内部状态信息，实现网络业务的流量可视化。
(一)Overlay网络中探测数据包报文封装格式
为了实现Overlay网络的探测路径规划和细粒度监测，本发明基于P4可编程数据平面，结合INT技术和SR源路由策略，重新定义探测数据包的报文封装格式。在VXLAN报头字段中嵌入SR标签和INT数据，使得探测包能够依次采集沿途Underlay设备的ID以及设备端口侧的链路状态信息。如图4所示，虚拟机发送数据包时，源端VTEP节点在原始报文(Original Payload)外部依次添加INT首部(INT Header)、源路由标签栈(SR Stack)和VXLAN首部(VXLAN GPE Header)来构造用于Overlay网络信息采集的探测包，其中，INT 首部由INT Shim Header、INT Metadata Header和INT Metadata Stack三部分构成。继续添加 UDP首部(UDP Header)、外部IP首部(Outer IP Header)和外部Ether首部(Outer EtherHeader)，构成最终的探测数据包。
其中：
(1)VXLAN GPE Header：VXLAN通用协议封装首部，格式如图5所示。其中，8位的Flags字段是标志字段，长度为24位的VNI字段用于定义VXLAN网络中不同的租户，8 位的封装协议字段(Next Protocol)用于指明被封装的数据包的协议类型，封装协议字段为“SR_PRO”时，表示SR栈字段解析的标志位，用于指示此探测报文具有SR路径信息。
(2)SR Stack：源路由标签栈字段，报文格式如图6所示，由一系列设备输出端口ID组成。SR Stack嵌入在VXLAN GPE Header和INT Header之间，承载源路由路径控制算法。由于P4语言当前不支持在数据包头中进行可变长度堆栈的循环解析，因此本发明静态分配了具有固定长度的SR标签堆栈，并在INT Header上方为其保留了256位。具体地，在SR字段中，每个交换机输出端口ID占用4位，并通过右移操作(“>>”)执行出栈操作，弹出端口 ID。
(3)INT Shim Header：用于VXLAN GPE封装的INT首部，报头格式如图7所示。长度为8位的类型字段(Type)用于指示INT首部类型，8位的长度字段(Length)用于记录INT首部和INT项目数据的总长度，8位的封装协议域字段(Next Protocol)用于指明被封装的数据包的协议类型。
(4)INT Metadata Header：INT元数据首部，格式如图7所示。在INT元数据首部中，探测包每采集一个设备的状态信息，总跳数(Total Hop Cnt)值便加1。最大跳数字段(MaxHop Cnt)、指令设置字段(Instruction Bitmap)等均可在构造探测数据包时根据需求进行自定义设置。
(5)INT Metadata Stack：INT元数据栈字段，位于SR堆栈之上，具有可变长度。每条 INT元数据占据30字节，用于记录相关交换机的内部状态信息，例如设备ID、数据出入端口ID、队列情况、时延情况等。INT探测数据包经过一个交换机都会将指令设置字段中指定的数据信息添加到INT元数据字段的栈顶。
(二)Overlay网络中探测数据包的解析处理逻辑
转发路径上的底层设备需要对经过的探测数据报文进行解析，以便后续处理。数据平面是整个监测系统的重要组成部分，本发明基于P4编程语言定义了数据平面中交换机对数据包的处理逻辑。解析器负责解析头字段，解析流程链路设备不仅支持Ethernet、IPv4数据包的转发，还支持UDP、VXLAN、SR和INT协议的封装，为执行校验和、逆解析等操作提供基础。
链路交换机接收到数据包开始解析，通过先后匹配Ethernet报头(即Ethernet报文首部) 中的以太网类型字段、IP报文的封装协议字段和UDP报文的目标端口字段，对数据包进行初步解析。随后，对VXLAN报文、SR报文和INT报文进行解析，如图8所示。如果VXLAN报文中的协议字段(vxlan_gpe.Next_Protocol)为“SR_PRO”，表明内部字段封装的是源路由字段，则进入SR栈字段进行解析，否则默认进入数据包处理入口(Ingress)。随后默认对INT报文进行解析，如果指令数字段(ins_cnt)的值为0，表示不需要采集任何信息，直接进入数据包处理入口；如果ins_cnt值非0，则进行解析交换机的INT信息值(int_value)。在解析INT元数据的过程中，由于其中含有多个类型相同的值，并且值的个数会随着数据包的转发不断地增加，因此需要使用堆栈(Header Stack)存储，如果某条INT元数据的栈底位(bos) 的值为1，说明已经遍历到栈底，int_value已经解析完毕，直接进入到数据包处理入口；如果bos位的值为0，说明还有int_value值未解析，需要继续循环解析，直到解析完堆栈中的所有值。VXLAN、SR和INT解析部分的关键代码如图9所示。
(三)Overlay网络监测中DFS路径生成机制
Overlay网络中的主机或服务器通信时，往往存在大量的重复监测路径。为了降低不必要的带宽占用和处理开销，应当提高网络遥测的覆盖性和可扩展性，减少重复探测路径的数量。本发明利用简洁有效的DFS方法，生成覆盖整个网络的更少探测路径。DFS(DepthFirst Search，深度优先遍历或深度优先搜索)是一种遍历树或图形数据结构的有效图算法，此方法的特点是优先搜索或遍历深度方向，它能够以任意顶点为根节点开始遍历，并对每一个可能的分支路径深入到不能再深入为止，而且每条边只访问一次。DFS路径生成策略的基本思想是，在回溯之前将访问的顶点连续添加到当前路径中。在监测系统的路径规划阶段，遍历过程利用了堆栈功能，它具有“后进先出(Last Input First Output，LIFO)”的特点。
图10为一个包含8个设备的网络图，假设图中的左侧节点的搜索优先级高于右侧节点。遍历过程从顶点V1开始，该顶点被推入堆栈。随后搜索相邻顶点V2，如果边(V1，V2)没有被访问过，则将V2推入堆栈中，并将边(V1，V2)标记为已访问，此时路径为Path1＝[V1，V2]。然后，以V2为新的起始顶点，继续进行遍历。类似地，将边(V2，V3)标记为已访问，并将V3推入堆栈之中，此时路径更新为Path1＝[V1，V2，V3]。此时无法继续沿当前路径进行深度搜索，需要进行回溯操作，并将弹出的节点V2作为新路径的第一个顶点，这也是回溯路径的第一个具有未访问边缘的顶点。随后，从V2开始创建一个新路径，即Path2＝[V2， V3]。当路径扩展为Path2＝[V1，V4，V5]时，又无法继续沿深度搜索。因此，重复上述搜索与回溯过程，直到图中的所有边缘均被访问。最终，能够获得4条覆盖全图的非重叠INT探测路径，即Path1＝[V1，V2，V3]，Path2＝[V2，V4，V5]，Path3＝[V1，V6，V7]，Path4＝[V6， V8]。DFS运算过程伪代码见图11。
(四)Overlay网络监测中源路由路径控制策略
轻量级网络监测系统需要对探测路径进行合理规划，底层机制允许指定特定的监视路径，以解决路径不可控问题。基于该机制，本发明利用灵活的源路由策略对Overlay网络中的探测路径进行控制，定制每条探测路径的走向。具体地，将源路由嵌入到探测数据包之中，通过更改SR栈字段的值来指定每个交换机的输出端口，SR信息由控制器根据DFS算法计算得到，指引探测包有目的性地转发，所谓有目的性地转发指的是根据之前定制的探测路径的走向来进行探测包的转发。探测包具有“VXLAN+SR+INT”的报文格式，其中SR报文和INT报文均为堆栈结构，SR标签栈包括输出端口标签，INT信息栈包括设备标签和元数据列表。路由器通过弹出SR标签并插入INT标签完成一次遥测转发。
如图12所示，假设VTEP1与VTEP2之间的VXLAN隧道下对应的Underlay网络设备为交换机S1、S2和S3，基于源路由的探测包转发路径控制过程和INT信息采集过程可以概括为如下的步骤：
(1)源端虚拟机(VM1，VM2)向终端虚拟机(VM3，VM4)发送数据帧，帧中包含了源端和终端虚拟机的IP和MAC地址信息。
(2)源端虚拟机连接的VTEP节点(VTEP1)收到数据帧，通过查找源端所在的VXLAN以及终端所连接的VTEP节点，将该报文添加VXLAN报头以及外部报头，获得能够在 Overlay网络中传输的数据包。VTEP1同样作为INT源端，在VXLAN报头和Payload之间嵌入带有输出端口ID序列的SR栈报文和INT报头，构成探测包。此时，VTEP1即为带内网络遥测系统的第一个交换节点，INT模块通过在该节点上设置的采样方式匹配并镜像出该报文，根据遥测任务的需要将INT头部所指定的遥测信息封装成元数据(INT Meta 1)插入到INT Header之后。
(3)探测包从VTEP1继续向后传输，如果VXLAN首部中的Next_Protocol字段为“SR_PRO”，则将SR标签栈右移4位来实现出栈(Stack Pop)操作，获取设备输出端口ID，从而确定转发路径。此时VTEP1的出口ID为2，下一设备为S1。
(4)探测包抵达交换机S1后，设备匹配INT Header后插入元数据(INT Meta 2)；随后将SR堆栈右移4位弹出标签，获取此设备的输出端口ID，继续传输。继续此步骤，直到数据包抵达终端VTEP节点(VTEP2)。
(5)VTEP2接收到报文后，交换设备匹配INT Header插入最后一个元数据(INTMeta 5)，将INT Header拆除，提取全部遥测信息上传到控制器。这样控制器就采集到了时延、拥塞等网络链路状态信息，控制器将信息解析后存储在数据库中。最后，检查报文的VNI以及内部数据帧的目的MAC地址，拆除VXLAN报头后将内部数据帧交付给终端虚拟机(VM3，VM4)，传输完成。
(五)INT监测信息的存储
INT探测数据包到达终点后，通过交换机与控制层之间建立的Socket连接，将采集到的 INT信息发送给控制层。本发明中，INT监测信息的存储主要由控制层实现：依据“两路探测”的监测方式，控制器维护数据库中的两个表格，用以存储数据层获取的网络监测信息。以图 13中的Fat Tree拓扑网络为例，此网络拓扑有4个pod、20台交换机和16台主机，在其上配置VXLAN并进行Overlay网络监测。
本发明提出的Overlay网络监测方法分为两路探测：
第一路：按照DFS算法和SR机制规划的路径进行全网随路监测，数据包在转发过程中，根据指令设置字段设置的信息类别，沿路依次采集Underlay链路设备的各类内部状态信息；
第二路：当Overlay网络中任意主机之间进行通信时，数据包在对应链路中进行转发，只需要依次采集Underlay链路上设备的ID即可。
进行Overlay网络全网探测时，控制器将采集到的Underlay链路上的INT信息解析并存储于“INT元数据表”之中，如表1所示。注意，表格的Key值是“switch_id”和“next_switch_id”，分别为当前设备的ID和下一设备的ID，Value值是“egress_port”、“deq_timedelta”和“process_delay”，分别为设备输出端口ID、排队时延和处理时延。INT时延信息单位精确到微秒，由P4交换机的端口时间戳等固有元数据计算得到。任意主机之间进行通信时，控制器将采集到的Underlay路径信息存储于“INT探测路径表”之中，如表2所示。其中，Key值为“End-to-end IP”，表示通信两端主机或服务器的IP地址，Value值为“Path”，表示数据包的转发路径，由沿路有序设备ID组成。
图14(a)和图14(b)展示了路径规划前后的INT采集信息，其中，实线为路径规划之前的探测信息，虚线为路径规划之后的探测信息。图14(a)展示了排队时延随探测时间间隔的变化情况，随着探测时间间隔的增大，路径规划前后的排队时延仍旧相近；图14(b)展示了处理时延随探测时间间隔的变化情况，随着探测时间间隔的增大，路径规划前后的处理时延差距略微增大。当全网采集频率高，探测时间间隔小时，按照低开销的规划路径采集到的底层设备状态信息可近似逼近每条Overlay链路对应的Underlay链路设备状态信息，因此能够采用轻量级的Overlay网络监测方法。
表1 INT元数据表
Figure BDA0002847576820000111
表2 INT探测路径表
Figure BDA0002847576820000112
(六)INT监测信息的查询
INT监测信息的查询主要由控制层实现：通过“两步查找”操作，控制器能够快速准确获取监测得到的设备状态信息。如图15所示，查询INT监测信息时，需要进行两步查找操作：
第一步：通过两端主机的IP地址等Overlay隧道信息查询Underlay经过的有序设备ID。查询“INT探测路径表”，得到Overlay网络和对应Underlay网络的映射关系，获知数据转发路径。此时同样面临“N平方”问题，但因为只依次采集了设备ID，不采集端口上的链路状态，因此并不占用太多网络带宽。
第二步：通过第一步查询所得的有序设备ID序列进一步查询每个设备的端口链路状态信息。“INT元数据表”中储存有以较小代价采集到的全网监测信息，根据转发路径的设备列表获得键值对“switch_id-next_switch_id”，即通过同时匹配“switch_id”和“next_switch_id”，来获得当前设备的内部状态信息。其中，设备列表中最后一个交换机没有后续交换机，则“next_switch_id”用“None”表示。
具体地，以图13中的虚拟主机VM1和VM3通讯为例，根据双方的IP地址对“10.0.1.10-10.0.3.10”，查询表格“INT路径表”(第一次查表)，得到传输路径[S1，S9，S2]；随后根据路径得到设备ID“S1-S9”、“S9-S2”和“S2-None”，查询表格“INT元数据表”(第二次查表)，从而获得设备S1、S9和S2的内部状态信息，例如，S1的输出端口ID为P3，排队时延为12微秒，处理时延为149微秒。两步查找策略减小了存储表的总体规模，以更小代价完成了监测信息的采集与查询。
本发明同时还提供一种面向Overlay的轻量级带内网络遥测装置，包括报文封装模块、报文解析模块、探测路径生成模块、探测路径定制模块、探测信息存储模块和探测信息查询模块，所述报文封装模块用于对IP报文进行封装，以得到探测数据包，所述探测数据包能够依次采集沿途Underlay设备的ID以及设备端口侧的链路状态信息；所述报文解析模块用于对探测数据包进行解析；所述探测路径生成模块用于生成非重叠的探测路径；所述探测路径定制模块用于通过指定交换机的输出端口来指引探测数据包有目的性地转发，从而得到定制的探测数据包转发路径；所述探测信息存储模块用于存储采集到的网络监测信息；所述探测信息查询模块用于获取监测到的设备状态信息。
具体实施时，报文封装模块在原始报文(Original Payload)外部依次添加INT首部(INT Header)、源路由标签栈(SR Stack)和VXLAN首部(VXLAN GPE Header)来构造用于Overlay 网络信息采集的探测包，其中，INT首部由INT Shim Header、INT MetadataHeader和INT Metadata Stack三部分构成。继续添加UDP首部(UDP Header)、外部IP首部(Outer IP Header) 和外部Ether首部(Outer Ether Header)，构成最终的探测数据包。
报文解析模块收到探测数据包后开始解析，通过先后匹配Ethernet报头(Ether首部)中的以太网类型字段、IP报文的封装协议字段和UDP报文的目标端口字段，对数据包进行初步解析。随后，对VXLAN报文、SR报文和INT报文进行解析，如图8所示。如果VXLAN报文中的协议字段(vxlan_gpe.Next_Protocol)为“SR_PRO”，表明内部字段封装的是源路由字段，则进入SR栈字段进行解析，否则默认进入数据包处理入口(Ingress)。随后默认对INT报文进行解析，如果指令数字段(ins_cnt)的值为0，表示不需要采集任何信息，直接进入数据包处理入口；如果ins_cnt值非0，则进行解析交换机的INT信息值(int_value)。在解析INT元数据的过程中，由于其中含有多个类型相同的值，并且值的个数会随着数据包的转发不断地增加，因此需要使用堆栈(Header Stack)存储，如果某条INT元数据的栈底位(bos)的值为1，说明已经遍历到栈底，int_value已经解析完毕，直接进入到数据包处理入口；如果bos位的值为0，说明还有int_value值未解析，需要继续循环解析，直到解析完堆栈中的所有值。
探测路径生成模块利用简洁有效的深度优先遍历方法，生成覆盖整个网络的更少探测路径。
探测路径定制模块利用灵活的源路由策略对Overlay网络中的探测路径进行控制，定制每条探测路径的走向。具体地，将源路由嵌入到探测数据包之中，通过更改SR栈字段的值来指定每个交换机的输出端口，SR信息由控制器根据DFS算法计算得到探测数据包转发路径，指引探测包有目的性地转发。
探测信息存储模块采用两路探测法以存储数据层获取的网络监测信息，其中，第一路：按照DFS算法和SR机制规划的路径进行全网随路监测，数据包在转发过程中，根据指令设置字段设置的信息类别，沿路依次采集Underlay链路设备的各类内部状态信息；第二路：当Overlay网络中任意主机之间进行通信时，数据包在对应链路中进行转发，只需要依次采集 Underlay链路上设备的ID即可。
探测信息查询模块通过两步查找操作实现探测信息的查询：
第一步：通过两端主机的IP地址等Overlay隧道信息查询Underlay经过的有序设备ID。查询“INT探测路径表”，得到Overlay网络和对应Underlay网络的映射关系，获知数据转发路径。此时同样面临“N平方”问题，但因为只依次采集了设备ID，不采集端口上的链路状态，因此并不占用太多网络带宽。第二步：通过第一步查询所得的有序设备ID序列进一步查询每个设备的端口链路状态信息。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行上述的面向Overlay的轻量级带内网络遥测方法。
本发明基于P4语言定义了数据报文格式、设计了高级解析过程，基于DFS路径生成算法和SR路径控制策略提出了有效的探测路径规划机制，在不影响遥测性能的前提下，通过两路探测策略，使用更少的探测路径进行全网监测，克服了Overlay网络中用户进行通信时造成的大量重复探测路径问题，降低了网络监测开销。如图16(a)和图16(b)所示，在 pod数目为20的Fat-Tree拓扑网络中，路径规划前，网络中的INT报头达到25MB；路径规划控制后，网络中的INT报头仅为14KB。本发明提出的方法有效地减少了全网探测路径和控制器的储存消耗，明显降低了网络开销，实现了轻量级的带内网络遥测。

Claims (10)

1.一种面向Overlay网络的轻量级带内网络遥测方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、对IP报文进行封装以得到探测数据包，使探测数据包能够依次采集沿途Underlay设备的ID以及设备端口侧的链路状态信息；
S2、对探测数据包进行解析；
S3、以Overlay网络中的任一设备为根节点开始遍历，得到非重叠的探测路径；
S4、依据步骤S3中的探测路径进行控制，得到定制的探测数据包转发路径；
S5、当探测数据包到达终点后，将采集到的网络监测信息进行存储和查询。
2.根据权利要求1所述的面向Overlay网络的轻量级带内网络遥测方法，其特征在于：在所述探测数据包的原始报文外部依次添加INT首部、SR标签栈、VXLAN首部、UDP首部、外部IP首部和外部Ether首部，以构成用于Overlay网络信息采集的探测数据包。
3.根据权利要求2所述的面向Overlay网络的轻量级带内网络遥测方法，其特征在于：所述INT首部包括INT Shim Header、INT Metadata和INT Metadata Stack。
4.根据权利要求2所述的面向Overlay网络的轻量级带内网络遥测方法，其特征在于：所述步骤S2具体为：先通过匹配Ether首部中的以太网类型字段、IP报文中的封装协议字段和UDP报文的目标端口字段对数据包进行初步解析，然后对VXLAN报文、SR报文和INT报文进行解析。
5.根据权利要求2所述的面向Overlay网络的轻量级带内网络遥测方法，其特征在于：所述步骤S4具体为：通过指定每个设备的输出端口来指引探测数据包有目的性地转发，从而得到定制的探测数据包转发路径。
6.根据权利要求1或2所述的面向Overlay网络的轻量级带内网络遥测方法，其特征在于：所述步骤S3中采用的路径探测方法为深度优先遍历算法。
7.根据权利要求1或2所述的面向Overlay网络的轻量级带内网络遥测方法，其特征在于：所述步骤S5中的网络监测信息存储具体为：控制层依据两路探测的检测方式存储数据层获取的网络监测信息，其中一路为按照深度优先遍历算法和SR机制规划的路径进行全网随路检测，数据包在转发过程中沿路依次采集Underlay网络设备的内部状态信息；另一路为当Overlay网络中任意主机之间进行通信时，数据包只采集Underlay网络设备的ID。
8.根据权利要求1或2所述的面向Overlay网络的轻量级带内网络遥测方法，其特征在于：所述步骤S5中的网络监测信息查询具体为：
S51、通过两端设备的Overlay隧道信息查询Underlay经过的有序设备ID；
S52、通过步骤S51查询所得的有序设备ID序列进一步查询每个设备的端口链路状态信息。
9.一种面向Overlay网络的轻量级带内网络遥测装置，其特征在于：包括报文封装模块、报文解析模块、探测路径生成模块、探测路径定制模块、探测信息存储模块和探测信息查询模块，所述报文封装模块用于对IP报文进行封装，以得到探测数据包，所述探测数据包能够依次采集沿途Underlay设备的ID以及设备端口侧的链路状态信息；所述报文解析模块用于对探测数据包进行解析；所述探测路径生成模块用于生成非重叠的探测路径；所述探测路径定制模块用于通过指定交换机的输出端口来指引探测数据包有目的性地转发，从而得到定制的探测数据包转发路径；所述探测信息存储模块用于存储采集到的网络监测信息；所述探测信息查询模块用于获取监测到的设备状态信息。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行如权利要求1-8中任一项所述的面向Overlay网络的轻量级带内网络遥测方法。
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