CN113067773B

CN113067773B - 基于协议无感知的段路由与带内遥测融合方法

Info

Publication number: CN113067773B
Application number: CN202110280832.3A
Authority: CN
Inventors: 朱祖勍; 郑齐涛; 唐绍飞; 陈波帆
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2021-03-16
Filing date: 2021-03-16
Publication date: 2022-05-17
Anticipated expiration: 2041-03-16
Also published as: CN113067773A

Abstract

本发明公开了一种基于协议无感知的段路由与带内遥测融合方法，该方法能在不影响正常数据面通信的情况下，通过利用POF的协议无感知技术实现将INT和SR无缝组合以减轻其开销；而且对数据包中的报头字段(即SR‑INT头部)进行重复利用，并且即使同时使用INT和SR，也使数据包的端到端长度保持恒定，这使本发明的方案能够探索INT和SR的优势，同时避免了由于同时使用而产生的累积开销；此外，通过利用INT和SR的操作原理，用一个替换动作(即INT数据替换Segment字段)替换了原本在每一跳交换机都需要进行的操作复杂度更高的Add_Field和Del_Field(添加和删除动作)，这大大简化了数据包的处理难度。

Description

基于协议无感知的段路由与带内遥测融合方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于协议无感知的段路由与带内遥测融合方法。

背景技术

随着网络设施建设的快速发展以及网络用户越来越多样化的需求，网络运行环境也变得越来越复杂。新的网络基础结构和技术使互联网变得更加高效，可编程和应用感知，但它们也增加了网络管控的复杂性，并导致网络元素更容易出现故障。这激发了对实时，自适应和高效网络监控技术的空前需求。然而，传统的基于轮询的网络监视技术几乎不能满足上述需求。这是因为网络管控系统会定期从网络元素中提取状态数据，这既不是实时的也不是面向流的。最近，随着可编程数据平面的发展，网络监控变得越来越强大，及时和高效。带内网络遥测(INT)是最著名和最成功的启用PDP的网络监视技术之一。具体来说，基于在应用程序数据包报头中预编码的INT命令，数据包路由路径上的每个PDP交换机在处理数据包时都会收集其自身的状态，将状态编码为特定的INT字段，并将其插入到数据包的报头中。因此，INT可以通过实时收集每个数据包/每跳的信息来监视应用程序流的端到端性能。这成功地克服了传统的基于轮询的网络监视技术的延迟和一致性问题，以实时、细粒度的方式可视化网络，并显著简化了故障诊断。

但是，INT也有其缺点，例如：1)由于需要频繁调用AddField动作来插入INT字段，它可能会降低PDP交换机(尤其是基于软件的交换机)中数据包处理的吞吐量；2)由于INT字段的重复插入，可能会生成过长的数据包。这些缺点限制了INT的使用，尤其是第二个方面。这是因为其他网络创新技术也可能在数据包中添加新的标头字段。例如，众所周知的段路由(SR)在源交换机通过控制器选择的路由路径，用分段的有序列表表示该路径，并将其编码在相应流的数据包中。然后，沿路径的每个交换机仅需要根据编码的标签转发数据包。因此，SR简化了控制平面和数据平面之间的消息交换，优化了端到端路由策略。这使得将SR应用于流量工程，故障保护等很有希望。但是，由于INT和SR都需要对数据包中的报头字段进行编码，因此由于数据包的上限，它们可能彼此不兼容。

综上，在新的网络基础结构和技术下，传统的网络监控方案不能满足其实时、自适应和高效的要求，而INT也存在处理复杂度和开销的问题。因此，将SR与INT结合实现实时高效的网络监控是十分有必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于协议无感知的段路由与带内遥测融合方法，可以减轻INT和SR的开销，并将它们无缝组合以实现高效和自适应的网络监视。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于协议无感知的段路由与带内遥测融合方法，包括：

在源节点处，通过数据包匹配的方式来判定当前数据包是否为目标数据包，若是，则将预设的SR-INT头部插入至数据包指定位置，再将数据包向外发送；

在中间节点处，通过数据包匹配的方式来判定当前数据包是否为目标数据包，若是，则读取数据包的SR-INT头部，如果SR-INT头部中所包含的Segment个数不为0，则判断当前中间节点是否为当前Segment字段的最后一跳节点；如果是，则从当前中间节点中提取指定类型的INT数据并替换数据包中的当前Segment字段，如果不是，则按照SR-INT头部中的信息确定下一跳节点，并向外发送；

如果SR-INT头部中所包含的Segment个数为0，且当前节点是Segment字段的最后一跳节点，则当前节点为目的节点，从目的节点提取指定类型的INT数据替换数据包中的当前Segment字段，再复制一份发送给分析器进行网络中各节点的状态分析，以及删除SR-INT头部后还原为原始的数据包。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，1)能在不影响正常数据面通信的情况下，通过利用POF的协议无感知技术实现将INT和SR无缝组合以减轻其开销；2)对数据包中的报头字段(即SR-INT头部)进行重复利用，并且即使同时使用INT和SR，也使数据包的端到端长度保持恒定，这使本发明的方案能够探索INT和SR的优势，同时避免了由于同时使用而产生的累积开销；3)通过利用INT和SR的操作原理，用一个替换动作(即INT数据替换Segment字段)替换了原本在每一跳交换机都需要进行的操作复杂度更高的Add_Field和Del_Field，这大大简化了数据包的处理难度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于协议无感知的段路由与带内遥测融合方法的设计架构图；

图2为本发明实施例提供的数据包处理过程示意图；

图3为本发明实施例提供的SR-INT头部设计图

图4为本发明实施例提供的实现架构图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种基于协议无感知的段路由与带内遥测融合方法，它可以高效自适应的实现网络状态监控，如图1所示，为该方法(SR-INT)的设计架构图，图中各节点均为POF交换机(POF Switch)，POF交换机是支持SR-INT技术(段路由和带内遥测技术)的软件交换机，它能够匹配上做SR-INT技术的流表，并且能够将POF交换机的状态信息插入到数据包中，以及从数据包中将port值提取作为输出端口将数据包送到下一跳交换机。如图1所示，POF控制器(POF Controller)会下发FlowMod消息体给路径上的POF交换机，这些消息体里会包含指示POF交换机执行SR-INT技术的SR-INT头部插入位置、Segment字段长度及内容、监控数据类型等。具体来说，源节点处在数据包中插入SR-INT头部，通过SR规定路径，通过设置MapInfo字段规定监控的INT数据种类。中间节点如果不是位于一个Segment的末尾节点，则直接提取port值转发；如果是一个Segment字段的末尾节点，则需要根据MapInfo字段来提取相应的INT数据并且将Segment字段替换成INT数据。最后一跳交换机(也即目的节点)会复制一份INT数据包(也即包含SR-INT头部的完整数据包)给数据分析器，INT数据包会在删除SR-INT头部后再转发给用户。数据分析器会对INT数据包进行解析并过滤重复结果后记录到数据库中去。同时数据分析器也会对收集到的INT数据进行实时分析，当出现异常数据时会告知POF控制器，POF控制器接收到异常消息后会实时地根据当前网络状况制定网络策略。下面以一个数据包的处理及传输过程为例进行介绍，主要步骤包括：

1)在源节点处，接收POF控制器下发的FlowMod消息来设置流表，如图2所示。源节点通过数据包匹配的方式来判定当前数据包是否为目标数据包，若是，则将预设的SR-INT头部插入至数据包指定位置，再将数据包向外发送。

本发明实施例中，所涉及的各类节点均为POF交换机。

本发明实施例中，SR-INT头部由POF控制器预先定义，如图3所示，给出了SR-INT头部设计图。所述SR-INT头部包括：SR TTL字段占1字节，它代表SR-INT头部中包含的Segment个数。Length字段占1字节，它表示SR-INT头部中INT Metadata(INT元数据)的个数。Mapinfo字段占1字节，它采用了位图的思想，用来指示Segment字段的INT数据的类型；具体来说，最低6位比特依次对应图中的INT数据类型，最高2位比特暂时保留，表示所加的INT的数据类型，当某一位比特设置为1时，则表示交换机应该向INT数据包中插入该种类型的INT数据。INT Metadata字段占4字节，它包含有不同的INT数据类型，如图3底部所示，DeviceID为交换机的ID，Output Port为输出端口号，Hop Latency与Bandwidth分别为数据包经过每跳交换机的延迟和带宽。Segment字段占4字节，它的数目等同于SR TTL字段中设置的Segment个数，每一个Segment字段代表一个Segment，其包括TTL与Label两部分，这两部分分别表示Label中port的个数和port值；所述port的个数表示所属Segment字段剩余跳数，port值指示了输出端口。

此外，SR-INT头部可以插入在以太帧和IP帧之间，当然也可以根据需求将其插入至其他位置。为了区别于正常数据包可以将以太帧的EtherType字段修改为指定内容，以标识数据包为用于插入SR-INT头部的数据包，示例性的，可以修改为0x0808用以表示SR-INT数据包。

本发明实施例中，预先将数据包的以太网字段修改为指定内容，如之前提到的，将以太帧的EtherType字段修改为0x0808，因此，如果当前数据包的以太网字段为0x0808，则通过匹配，将其作为目标数据包。之后，可以通过指令Add_field动作将SR-INT头部插入至数据包，并记录偏移量，用来指示SR-INT头部的插入位置；示例性的，偏移量offset可以为15，表示插入到以太帧后方，当然具体的插入位置不是一定的，也可以根据需要插入至其他位置。

2)在中间节点处，通过数据包匹配的方式来判定当前数据包是否为目标数据包，若是，则读取数据包的SR-INT头部，如果SR-INT头部中所包含的Segment个数不为0，则判断当前中间节点是否为当前Segment字段的最后一跳节点；如果是，则从当前中间节点中提取指定类型的INT数据并替换数据包中的当前Segment字段，如果不是，则根据SR-INT头部中的信息确定下一跳节点，并向外发送。

同样的，中间节点根据POF控制器下发的FlowMod消息来设置流表；首先，中间节点匹配以太帧的EtherType字段，以确定数据包是否为目标数据包。如果是，则通过<偏移量＝((17+4*Length)+1)B，长度＝3B>从数据包中提取出来在源节点处插入的SR-INT头部的Label部分的port值，从而得到该数据包在当前跳交换机的输出端口，其中，B表示字节。

之后，从数据包中提取TTL字段，因为TTL字段代表当前Segment中还存有的port值的个数，因此，此时分为两种情况。

第一种情况：如果TTL不等于1，则表示当前中间节点不是当前Segment的最后一跳，此处不插入INT数据，因为SR TTL表示数据包中Segment的个数，所以此时的SR TTL不等于0，即通过Modify_srint_Field动作将TTL减1，最后将数据包按照之前提取的port值输出到交换机下一跳。

第二种情况：如果TTL字段等于1，则表示当前中间节点为当前Segment的最后一跳，则根据SR-INT头部设定的MapInfo字段从当前中间节点中提取相应类型的INT数据(交换机的状态信息)并利用Set_srint_Field动作将Segment字段替换成INT数据，并将SR TTL减1；接着提取处SR TTL字段的值，如果SR-INT不等于0则表示数据包中还有Segment，又TTL等于1，所以通过Modify_srint_Field动作将Length字段加1，SR TTL字段减1。

本发明实施例中，传统的Set_Field动作使用一个字段替换指定的一个字段的动作，Set_srint_field动作在传统的Set_Field动作上做过修改，它比传统的Set_Field动作多了一些功能，例如它可以从交换机中提取状态信息(即INT数据)。

3)如果SR-INT头部中所包含的Segment个数为0，且当前节点是Segment字段的最后一跳节点，则当前节点为目的节点，从目的节点提取指定类型的INT数据替换数据包中的当前Segment字段，再复制一份发送给分析器进行网络中各节点的状态分析，以及删除SR-INT头部后还原为原始的数据包。

同样的，根据POF控制器下发FlowMod消息来设置流表。首先匹配EtherType字段，确定为目标数据包。接着与前述步骤2)相同，从数据包中得到port值作为输出端口。接着从数据包中提取TTL字段和SR TLL字段，此时与前述步骤2)中第二种情况相同，但是此时的SRTTL等于0，因此，当前节点即为目的节点；需要在替换Segment字段为INT数据后，再复制一份数据包到数据分析器进行状态分析，并且按照<偏移量＝(15B，长度＝(3+Length*4)B>将数据包中的SR-INT头部删除，还原数据包。

之后，所述分析器能够从复制的数据包中解析出相应的状态信息，并分析相关节点是否发生异常，若是，则通知POF控制器；若否，则存储数据库。

图4是本发明上述方法的实现架构图，其中，网络管理模块(NET-M)控制数据平面中的网络元素并维护其状态；网络抽象模块(NAM)从NET-M获取有关网络状态的信息，以获得有关数据平面的全局视图，并将其存储在流量工程数据库(TED)中；SR处理程序(SR-H)处理与SR相关的任务(例如，路径计算，Segment的创建和标签分配)，而异常处理程序(EX-H)负责从异常中恢复网络(例如，调用路径切换以绕过拥塞的链路)；socket接口实现从数据分析器接收有关异常的报告；INT数据解析模块(INT Data Parser)用来从数据包中将INT数据解析出来；状态数据库(Status Database)用来存储INT收集的链路状态信息；数据分析器(Data Analytics)用于分析INT数据；DPDK(Data Plane Development Kit)用于交换机的数据加速。

POF交换机实现了对SR-INT技术的支持，能够将INT数据存储在Metadata空间中，并且会从数据包地Segment字段提取port值用于转发；在POF交换机中，通过POF指令集(POF-FIS，POF Forwarding Instruction Set)流水线来实现匹配EtherType字段并插入SR-INT头部、插入INT数据到数据包中的操作和提取output值等操作；数据分析器包括数据解析、数据库存储和数据分析三部分。数据解析部分从收到的数据中将INT数据解析出来将其存入数据库中，同时对这些数据进行分析，如果出现异常则通过socket将异常消息发送给控制器。POF控制器通过POF协议与POF交换机交互，并能从数据解析器获取数据面网络的实时状态信息，从而实现对网络的闭环控制。

本领域技术人员可以理解，本发明所涉及的各类动作，例如，Add_field、Set_Field、Modify_Field、output等均属于POF指令集中的动作，具体实现方式可参照常规技术。

本发明实施例上述方案，可以减轻INT和SR的开销，并将它们无缝组合以实现高效和自适应的网络监视。上述方案中，设计了SR的标签字段(即图3中的Segment字段)，使其长度等于INT字段(即图3中的INT Metadata字段)的长度，然后提出在每个路径段的最后一个交换机处用INT字段替换SR标签字段。为此，本发明实施例中对INT和SR的每个数据包中的报头字段进行重复利用，并且即使同时使用INT和SR，也使数据包的端到端长度保持恒定，这使我们的方案能够探索INT和SR的优势，同时避免了由于同时使用而产生的累积开销。此外，为了确保SR-INT的适应性，我们还将控制平面中的实现方式合并在一起，以便可以动态调整路径段的配置，以适应网络监控的要求。

为了进一步说明，下面将本发明上述方案的主要三个核心部分单独进行介绍。

一、对POF软件交换机的功能进行扩展，使其可以支持SR和INT的无缝组合。

首先扩展POF软件交换机使其支持SR和INT的操作，并使用位图(bitmap)来表示INT数据类型；通过POF控制器来定义SR-INT头部以及插入位置。主要步骤如下：

1)数据包进入POF软件交换机。

2)数据包匹配上插入SR数据的流表(即匹配的是带有Add_Field动作的流表，匹配项是目的ip地址)，通过POF软件交换机扩展的指令Add_Field动作，将SR-INT头部插入数据包中，并且通过POF软件交换机扩展的指令output动作从SR-INT头部获取出端口，将数据包引入下一跳。

3)数据包进入控制器指定的需要插入INT数据的交换机(即一个Segment字段的最后一跳)，使用POF交换机扩展的Set_srint_Field动作，将交换机的状态信息替换数据包中的Segment字段。该指令动作将数据包中已经使用过的Segment头部替换成INT数据。

4)数据包进入最后一跳转发给用户前，需要将SR-INT头部删除，使用POF软件交换机扩展指令Delete_srint_Field。该指令动作能够动态识别SR-INT头部的长度，并删除。最后用户得到的数据包是不携带SR-INT头部的原数据包。

二、实现高效自适应性的INT策略。

本发明实施例中，实现的高效自适应性的INT策略，一方面通过POF控制器设定Segment字段的字段值，可以高效的对不同路径的网络节点进行网络状态监控。另一方面，控制器也可以通过调整Segment字段中的port值，实现对同一路径上不同的网络节点进行有选择的监控，减少字段开销。实现高效自适应的INT策略步骤如下：

1)在源节点处，插入通过POF控制器定义的SR-INT头部，数据包根据SR-INT头部中定义的一系列port值在交换机之间进行传输。如果当前路径出现异常或故障，则可以在控制器处修改插入的port字段值即可以对路径进行高效的调整而避免路径切换带来的复杂操作。不仅如此，还可以通过这个过程来对指定的路径进行网络状态监控。

2)为了减少SR-INT头部开销过大导致对正常业务流的影响，一方面，可通过使用位图(bitmap)来对不同的INT数据进行有选择的提取，减少开销。另一方面，通过POF控制器定义的SR-INT头部，在每一个Segment字段的最后一跳插入INT数据，通过调整Segment字段中包含交换机的数量可以实现对一条链路上的交换机进行有选择的监控。

三、通过数据分析器实现对INT数据的解析并与SDN(软件定义网络)控制器通信反馈，达到闭环控制。

本发明实施例中，采用分布式的SR-INT数据分析器，它能够解析INT数据包，并存储相关数据到数据库中去。同时数据分析器在解析数据的同时分析数据，并实时的将网络异常信息发送到控制器进行交互实现闭环控制。闭环控制的具体过程如下：

1)数据分析器收到SR-INT数据后会逐步解析处相关状态信息，并且通过分析判断是否为异常数据。如果为异常数据则将相关信息发送到控制器，控制器通过收到的异常消息，进行故障恢复。

2)如果解析出的数据为正常，则会将数据存入数据库中为后续操作使用。

相对于现有技术而言，本发明实施例以上方案主要获得如下有益效果：

1)本发明能在不影响正常数据面通信的情况下，通过利用POF的协议无感知技术实现将INT和SR无缝组合以减轻其开销的网络监视方案。通过利用位图思想表示的INT类型的方案实现对网络状态的实时监控和精准的故障定位。

2)本发明通过利用INT和SR的操作原理，用一个Set_srint_field动作替换了原本在每一跳交换机都需要进行的操作复杂度更高的Add_Field和Del_Field(添加和删除动作)。这大大简化了数据包的处理难度。

3)本发明通过利用INT与SR的无缝结合使网络监控更加效率，SR可以管理INT数据的收集方式，通过调整Segment字段实时调整监控的节点数目。而且还通过位图思想来表示INT数据类型，实现对不同INT数据进行有选择的合理监控。这大大减小了SR-INT的网络开销。不仅如此通过SR与INT的结合仅仅只需在节点第一跳修改SR字段(即相应的Segment字段)便可以使得对同一源目的节点之间不同的链路进行高效的网络状态监测。当某条链路出现异常即可实时切换到另外一条。

4)本发明通过高性能的SR-INT数据分析器与POF控制器进行实时的信息交互实现了整个网络的闭环操作。并且，它该可以充分利用SR-INT的特性实现高效自适应的闭环系统。例如通过INT数据监测网络状态，如果链路中某一跳交换机的数据出现异常则告知控制器，控制器通过修改第一跳交换机的Segment字段切换到另外一条路径，从而实现高效的故障监测恢复功能。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种基于协议无感知的段路由与带内遥测融合方法，其特征在于，包括：

如果SR-INT头部中所包含的Segment个数为0，且当前节点是Segment字段的最后一跳节点，则当前节点为目的节点，从目的节点提取指定类型的INT数据替换数据包中的当前Segment字段，再复制一份发送给分析器进行网络中各节点的状态分析，以及删除SR-INT头部后还原为原始的数据包；

其中，所述SR-INT头部包括：

SR TTL字段，它代表SR-INT头部中包含的Segment个数；

Length字段，它表示SR-INT头部中INT元数据INT Metadata的个数；

Mapinfo字段，它采用了位图的思想，用来指示Segment字段的INT数据的类型；

INT Metadata字段，它包含有不同的INT数据类型；

Segment字段的数目等同于SR TTL字段中设置的Segment个数，每一个Segment字段代表一个Segment，其包括TTL与Label两部分，这两部分分别表示Label中port的个数和port值；所述port的个数表示所属Segment字段剩余跳数，port值指示了输出端口。

2.根据权利要求1所述的一种基于协议无感知的段路由与带内遥测融合方法，其特征在于，将预设的SR-INT头部插入至数据包后记录偏移量，用来指示SR-INT头部的插入位置。

3.根据权利要求1所述的一种基于协议无感知的段路由与带内遥测融合方法，其特征在于，所述通过数据包匹配的方式来判定当前数据包是否为目标数据包包括：

预先将数据包的以太网字段修改为指定内容，以标识数据包为用于插入SR-INT头部的数据包；

如果当前数据包的以太网字段为所述指定内容，则通过匹配，将其作为目标数据包。

4.根据权利要求1所述的一种基于协议无感知的段路由与带内遥测融合方法，其特征在于，所述源节点、中间节点与目的节点均为POF交换机；SR-INT头部由POF控制器预先定义；数据包根据SR-INT头部中所包含的输出端口信息在各节点之间进行传输，如果当前路径出现异常或故障，则通过POF控制器修改SR-INT头部中的输出端口信息来调整传输路径。

5.根据权利要求1所述的一种基于协议无感知的段路由与带内遥测融合方法，其特征在于，所述分析器能够从复制的数据包中解析出相应的状态信息，并分析相关节点是否发生异常，若是，则通知POF控制器；若否，则存储数据库。