CN112887202B - 一种基于子拓扑网络的sdn链路故障网络收敛方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于子拓扑网络的SDN链路故障网络收敛方法，该方法在SDN控制器获得网络全局信息和故障后，利用当前网络的剩余链路带宽，规划一张内嵌于网络拓扑的子拓扑网络。该子拓扑网络由几个枢纽节点和枢纽节点之间的路径组成。非枢纽节点通过依附的枢纽节点进出该子网络。本发明方法通过组建得用于故障收敛的子网络，支持多条流同步收敛操作，且缩小了操作的网络拓扑尺寸，有效减少了增删流表的数量，同时可以保证转移路径的质量，缩短收敛时间。在充分利用SDN以及子拓扑网络架构优势下，提供了一个链路故障恢复的方法。

Description

一种基于子拓扑网络的SDN链路故障网络收敛方法

技术领域

本发明涉及网络通信技术领域，具体涉及一种基于子拓扑网络的SDN链路故障网络收敛方法。

背景技术

软件定义网络(SDN)是由美国斯坦福大学CLean State研究组提出的一种新型网络创新架构，可通过软件编程的形式定义和控制网络，其控制平面和转发平面分离及开放性可编程的特点，被认为是网络领域的一场革命。SDN极大地简化网络管理，促进创新和发展,其主要思想是让软件开发人员能够像依赖存储和计算资源一样，轻松地依赖网络资源。在SDN网络中，网络智能在逻辑上集中于基于软件的控制器(控制平面)，网络设备成为简单的包转发设备(数据平面)，可以通过开放接口编程(如ForCES、OpenFlow等),受到学术界广泛的关注，得到工业界的极大重视。SDN通过提供集中控制的网络环境，将控制信息由控制器接口单独处理，不干扰数据平面流量。当网络发生故障，如一个链路出现故障时，连接到该链路的节点将直接向控制器发送关于网络中发生故障的控制信息。在传统的网络中，控制信息会被淹没在数据中，而由于在SDN网络中数据平面没有中断，提高了网络的效率。

网络收敛一直是电信网络研究的一个热点问题，在这个以服务为导向的网络世界中，网络故障和中断会导致严重的信息丢失和经济损失。因此，不管是传统网络还是SDN，网络的可用性和可靠性一直是人们主要关注的问题，也是网络发展的驱动力之一。它一个方面涉及了网络对故障或变化的反应程度，另一方面涉及在故障或更改发生后网络收敛的速度。在传统IP网络中，网络收敛则是指对网络具有相同拓扑感知的路由器集合的状态，每个节点创建自己的路由表并通过与其它路由器交换拓扑信息以统一网络的状态。分布式路由协议如OSPF、BGP已经发展了很多年，收敛作为网络性能的一个重要方面，人们很早就想到了这一点，并引入了改进它的技术。但面对如今高速发展和更高服务要求的网路，它们复杂的结构使得自身很难去变革和应对网络的发展趋势。SDN的出现为打破传统路由协议所面临的困境带来了希望。得益于数据平面与控制平面解耦和集中控制的优势，通过集中式控制器监督、控制和管理网络来提供整个底层网络基础设施的实时视图，SDN可以实现高效的路由计算和对数据包的细粒度控制并能快速响应链路和设备中发生的任何更改。尽管SDN针对网络收敛具有架构上的优势，但目前并不存在一个受业界广泛接受的SDN网络协议或收敛方案来专门应对SDN网络收敛需求并发挥SDN的架构优势，因此针对SDN网络的收敛问题一直是业界研究的热点。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提出了一种基于子拓扑网络的SDN链路故障网络收敛方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：一种基于子拓扑网络的SDN链路故障网络收敛方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：获取SDN网络拓扑，构建网络连接矩阵，网络连接矩阵中包含网络的各结点间的邻接关系；

步骤2：将网络连接矩阵和网络拓扑中的节点数n输入到枢纽节点竞选算法中，记录节点的连接数，表示为：

其中，node_link[i]为节点i，T[i][j]为i节点连接的链路，选出具有最高链路连接数的节点作为枢纽节点，得到枢纽节点集合hub。

步骤3：基于枢纽节点对网络进行细粒度区域划分，并得到各区域间的连接矩阵A。连接矩阵A如下所示：

网络区域划分过程还得到区域间的交界节点和交界链路，以完成对网络以区域为粒度的拓扑连接状态的描述。

步骤4：将步骤2得到的枢纽节点集合hub以及步骤3得到的连接矩阵A加入到初始化网络g(V,E)中，通过遍历连接矩阵A矩阵中上三角元素，当元素为1时在网络g中为对应区域之间的枢纽节点计算最短路径，并将路径中的节点和链路加入网络g中。在完成矩阵A上三角元素的遍历后，网络g为所构建的子拓扑网络。

步骤5：使用子拓扑网络规划出收敛路径，具体如下：

当故障链路为普通链路时，使用根节点h_s到终端节点的h_d路径

替换故障链路，路径

的生成步骤如下：

1)根据子拓扑网络构建算法，生成以h_s对应区域为根节点的树。

2)若终端节点为h_d对应区域，获取从根节点到终端节点所有的路径。在所有这些路径中选择深度最小的路径，即经过区域最少的路径。

3)根据步骤2)得到区域路径area₁→…→area_n，由于一个区域对应一个枢纽节点，可以将该路径转换为枢纽节点路径hub₁→…→hub_n。

4)在子拓扑网络构建算法中，已经规划了相邻枢纽节点间的路径，则步骤3)中枢纽节点路径可以转换为需要的路径

当故障链路为子拓扑网络中的链路，意味着有邻接枢纽节点间的原有路径断开。在获取区域路径之前，还需对生成的树进行删减操作，具体为，在树中，若有两节点为父子关系且是受链路故障影响的邻接区域，则删除子节点和以该子节点为根节点的子树，得到删减之后的树，之后步骤与普通链路故障的路径生成一致。

进一步地，所述枢纽节点包含以下特征：相比周围其他节点具有较多的邻接交换机、在网络空间上较均匀分布、控制合适的数量。

进一步地，所述子拓扑网络规划出的链路故障的备用路径主要由三部分组成：受故障影响流的源节点s到对应根节点h_s的路径，根节点h_s到受故障影响流的目的节点d所在区域的终端节点h_d的路径和终端节点h_d到目的节点d的路径，即：

进一步地，所述步骤3中，基于枢纽节点对网络进行细粒度区域划分具体过程如下：

将枢纽节点及其所有的下一跳节点的链路连接进行数置零操作，枢纽节点的所有下一跳节点就是该枢纽节点的依附节点。通过枢纽交换机对依附交换机的选取，实现了网络拓扑的细粒度区域划分。

进一步地，枢纽节点作为子拓扑网络的骨干，为相邻区域的枢纽节点规划路径。最终，枢纽节点与相邻枢纽节点路径上的普通节点、链路构成子拓扑网络。

本发明的有益效果：

本发明为路由链路故障的一种主动恢复方法。通过该方法，链路故障后，能够通过本发明所构建的子拓扑网络，使路由达到快速有效地收敛。

附图说明

图1为内嵌子拓扑网络的网络拓扑图；

图2为SDN网络拓扑图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。

针对现有的被动故障恢复，本发明提出一种子拓扑网络的SDN链路故障网络收敛方法，利用SDN架构转发控制分离，通过控制器对SDN交换机的集中控制，选择网络拓扑中的部分交换机构成一张子拓扑网络机制。利用该子拓扑，使用网络剩余带宽来支持多条流的同步收敛操作，加快路由收敛过程，减少网络流表数量。

如图1所示，本发明提供了一种子拓扑网络的SDN链路故障网络收敛方法，该方法包括以下内容：

步骤1：构建网络拓扑矩阵，使用Mininet搭建(如图2)的网络拓扑图，为了验证基于子拓扑网络的SDN链路故障网络收敛方法的可行性和有效性，搭建测试平台进行实验。本发明选择在Ubuntu16.04系统中使用Mininet[56]仿真平台来进行系统的功能测试，采用基于Python编程语言的Ryu控制器来实现本发明设计的各功能，扩展了OpenvSwitch[57]的功能用于链路故障的检测。

步骤2：将网络连接矩阵和节点数n输入到枢纽节点竞选算法中，记录节点的连接数，该参数表示为：

其中，node_link[i]为节点i，T[i][j]为i节点连接的链路，选出那些具有最高链路连接数的节点作为枢纽节点，并输出枢纽节点集合hub。所述枢纽节点包含以下特征：相比周围其他节点具有较多的邻接交换机、在网络空间上较均匀分布、控制合适的数量。

步骤3：基于枢纽节点使用算法对网络进行细粒度区域划分，具体过程为：将枢纽节点及其所有的下一跳节点的链路连接进行数置零操作，枢纽节点的所有下一跳节点就是该枢纽节点的依附节点。通过枢纽交换机对依附交换机的选取，实现了网络拓扑的细粒度区域划分。输出各区域间的连接矩阵A。连接矩阵A如下所示：

进一步地，算法还输出交界节点和交界链路，以此完成对网络以区域为粒度的拓扑连接状态的详细描述。

在网络中对于那些不相邻区域，为了之后的故障恢复需要提前规划这些区域间的连接方式。由于区域间的连接是双向的，所以只需遍历区域邻接矩阵A的上三角元素，当A[i][j]等于0则进行区域i与区域j之间的连接计算。

步骤4：将步骤2得到的枢纽节点集合hub以及步骤3得到的连接矩阵A加入到初始化网络g(V,E)中，通过遍历矩阵中上三角元素，当元素为1时在网络G中为对应区域间的枢纽节点计算最短路径，并将路径中的节点和链路加入网络g中。在完成矩阵A上三角元素的遍历后，网络g就是本节中所构建的子拓扑网络。枢纽节点作为子拓扑网络的骨干，为相邻区域的枢纽节点规划路径。最终，枢纽节点与相邻枢纽节点路径上的普通节点、链路构成子拓扑网络。

步骤5：使用子拓扑网络规划出收敛路径：

当故障链路为普通链路，则

的生成步骤如下(如图2所示)：

1)根据子拓扑网络构建算法，生成以h_s对应区域为根节点的树。

2)若终端节点为h_d对应区域，获取从根节点到终端节点的路径。在所有这些路径中选择深度最小的路径，即经过区域最少的路径。

3)根据步骤2)所得到区域路径area₁→…→area_n，由于一个区域对应一个枢纽节点，可以将该路径转换为枢纽节点路径hub₁→…→hub_n。

4)在子拓扑网络构建算法中，已经规划了相邻枢纽节点间的路径，则步骤3)中枢纽节点路径可以转换为我们需要的路径

当故障链路为子拓扑网络中的链路，意味着有邻接枢纽节点间的原有路径断开，

的生成步骤相比于故障链路为普通链路的路径生成步骤最大区别在于步骤2)。在获取区域路径之前，还需对生成的树进行删减操作。在树中，若有两节点为父子关系且是受链路故障影响的邻接区域，则删除子节点和以该子节点为根节点的子树。通过删减完树，其它步骤与普通链路故障的路径生成一样。

在完成子拓扑网络的构建后，基于子拓扑网络的收敛方法可以通过实例描述。在图2所示的实例中，以一条数据流的例，当节点6、7之间的链路发生路障，受故障影响的Source 1对应的边缘节点2重新规划路径至枢纽节点1；枢纽节点1经过子拓扑网路规划处至枢纽节点13的路径；最后规划出枢纽节点13到Destination 1对应的边缘节点16。最终经过子拓扑网络规划出收敛路径2→1→4→7→11→13→15→16。通过实例的描述在本文的方案中链路故障的备用路径主要由三部分组成：受故障影响流的源节点s到对应枢纽节点h_s的路径，枢纽节点h_s到受故障影响流的目的节点所在区域的枢纽节点h_d的路径和枢纽节点h_d到目的节点s的路径，即：

当链路故障影响了多条流时，这些流的收敛操作都和上述的数据流1一样，因为子拓扑网络支持多条流的并行收敛操作。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于子拓扑网络的SDN链路故障网络收敛方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：获取SDN网络拓扑，构建网络连接矩阵，网络连接矩阵中包含网络的各结点间的邻接关系；

步骤2：将网络连接矩阵和网络拓扑中的节点数n输入到枢纽节点竞选算法中，记录节点的连接数，表示为：

其中，node_link[i]为节点i，T[i][j]为i节点连接的链路，选出具有最高链路连接数的节点作为枢纽节点，得到枢纽节点集合hub；

步骤3：基于枢纽节点对网络进行细粒度区域划分，并得到各区域间的连接矩阵A；连接矩阵A如下所示：

网络区域划分过程还得到区域间的交界节点和交界链路，以完成对网络以区域为粒度的拓扑连接状态的描述；

步骤4：将步骤2得到的枢纽节点集合hub以及步骤3得到的连接矩阵A加入到初始化网络g中，通过遍历连接矩阵A矩阵中上三角元素，当元素为1时在网络g中为对应区域之间的枢纽节点计算最短路径，并将路径中的节点和链路加入网络g中；在完成矩阵A上三角元素的遍历后，网络g为所构建的子拓扑网络；

步骤5：使用子拓扑网络规划出收敛路径，具体如下：

当故障链路为普通链路时，使用根节点h_s到终端节点的h_d路径pathh_s→h_d替换故障链路，路径pathh_s→h_d的生成步骤如下：

1)根据子拓扑网络构建算法，生成以h_s对应区域为根节点的树；

2)若终端节点为h_d对应区域，获取从根节点到终端节点所有的路径；在所有这些路径中选择深度最小的路径，即经过区域最少的路径；

3)根据步骤2)得到区域路径area₁→…→area_n，由于一个区域对应一个枢纽节点，可以将该路径转换为枢纽节点路径hub₁→…→hub_n；

4)在子拓扑网络构建算法中，已经规划了相邻枢纽节点间的路径，则步骤3)中枢纽节点路径可以转换为需要的路径pathh_s→h_d；

当故障链路为子拓扑网络中的链路，意味着有邻接枢纽节点间的原有路径断开；在获取区域路径之前，还需对生成的树进行删减操作，具体为，在树中，若有两节点为父子关系且是受链路故障影响的邻接区域，则删除子节点和以该子节点为根节点的子树，得到删减之后的树，之后步骤与普通链路故障的路径生成一致。

2.根据权利要求1所述的一种基于子拓扑网络的SDN链路故障网络收敛方法，其特征在于，所述枢纽节点包含以下特征：相比周围其他节点具有较多的邻接交换机、在网络空间上较均匀分布、控制合适的数量。

3.根据权利要求1所述的一种子拓扑网络的SDN链路故障网络收敛方法，其特征在于，所述子拓扑网络规划出的链路故障的备用路径主要由三部分组成：受故障影响流的源节点s到对应根节点h_s的路径，根节点h_s到受故障影响流的目的节点d所在区域的终端节点h_d的路径和终端节点h_d到目的节点d的路径，即：

path_备用＝pathS→h_s+pathh_s→h_d+pathh_d→d。

4.根据权利要求1所述的一种基于子拓扑网络的SDN链路故障网络收敛方法，其特征在于，所述步骤3中，基于枢纽节点对网络进行细粒度区域划分具体过程如下：

将枢纽节点及其所有的下一跳节点的链路连接进行数置零操作，枢纽节点的所有下一跳节点就是该枢纽节点的依附节点；通过枢纽交换机对依附交换机的选取，实现了网络拓扑的细粒度区域划分。

5.根据权利要求1所述的一种基于子拓扑网络的SDN链路故障网络收敛方法，其特征在于，枢纽节点作为子拓扑网络的骨干，为相邻区域的枢纽节点规划路径；最终，枢纽节点与相邻枢纽节点路径上的普通节点、链路构成子拓扑网络。

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