CN114553772A - 一种基于isp和sdn混合网络的域间流量工程方法 - Google Patents

一种基于isp和sdn混合网络的域间流量工程方法 Download PDF

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张啸
余昊
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Abstract

本发明公开了一种基于ISP和SDN混合网络的域间流量工程方法，为进入ISP和SDN混合网络中选择一组最优的出口路由器来路由域间过境流量的问题，以使出口链路的最大链路利用率最小化。本发明提出来具有SDN节点的ISP出口路由器选择问题，并提出了一种启发式算法，该算法可以再BGP决策过程中围绕最近的出口断开点进行工作。

Description

一种基于ISP和SDN混合网络的域间流量工程方法
技术领域
本发明涉及一种基于ISP和SDN混合网络的域间流量工程方法，属于流量工程领域。
背景技术
随着网络规模的增大，传统网络的层次结构遇到发展瓶颈，封闭的网络设备中包含太多种类的复杂网络协议，对ISP造成的巨大障碍。ISP (Internet Service Provider)的出口选择是选择一个出口路由器，将域间流量通过ISP路由以实现流量工程目标的过程。在传统的ISP网络中，通过ISP的流量通过网络，并从离源最近的出口流出，减少用于中转流量的网络资源。这种退出策略被称为烫手山芋路由(HPR)。但该种方法不能最大限度的减小最大链路利用率。
发明内容
本发明的目标是为进入ISP和SDN混合网络中选择一组最优的出口路由器来解决自治域间过境流量的问题，以使出口链路的最大链路利用率最小化。本发明提出了具有SDN节点的ISP出口路由器选择问题，并提出了一种启发式算法，该算法可以在BGP决策过程中围绕最近的出口断开点进行工作。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种基于ISP和SDN混合网络的域间流量工程方法，所述ISP网络中的自治域由边界路由器和内部路由器互连而成，所述边界路由器分为入域边界路由器和出域边界路由器两种，流量经由所述入域边界路由器进入自治域，经由所述出域边界路由器进入其他自治域；
相邻两个自治域之间的域间流量工程方法的具体步骤如下：
S1、流量通过起始自治域的入域边界路由器进入起始自治域后，经由起始自治域的出域边界路由器进入目的自治域，SDN控制器将目的自治域的入域边界路由器的IP网络前缀发送到起始自治域的出域边界路由器上；
S2、若流量的传输路径上无SDN转发节点，SDN控制器根据IGP协议形成流表项并下发给起始自治域的内部路由器，起始自治域的内部路由器根据流表进行流量转发，选择从与目的自治域之间距离最近的起始自治域的出域边界路由器进行流量传输；
S3、若传输路径上有SDN转发节点，则SDN控制器根据最小化对等链路的最大链路利用率准则，选择起始自治域的出域边界路由器进行流量传输，利用SDN转发节点将流量向与目的自治域的内部路由器分流。
进一步地，所述最小化对等链路的最大链路利用率准则为：
目标函数：
Min z
Figure DEST_PATH_IMAGE002
约束条件：
（1）如果
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，则
Figure DEST_PATH_IMAGE006
；
（2）映射
Figure DEST_PATH_IMAGE008
满足SDN邻近约束；
（3）
Figure DEST_PATH_IMAGE010
；
（4）
Figure DEST_PATH_IMAGE012
；
（5）
Figure DEST_PATH_IMAGE014
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
表示目的自治域的入域边界路由器m的IP网络前缀；
Figure DEST_PATH_IMAGE018
表示从起始自治域的入域边界路由器j到以
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE019
为网络前缀的目的自治域的流量；
Figure DEST_PATH_IMAGE020
表示流量
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE021
经由起始自治域的出域边界路由器e传输至目的自治域；
Figure DEST_PATH_IMAGE023
表示接收到
Figure 544373DEST_PATH_IMAGE019
的起始自治域的出域边界路由器集合；
Figure DEST_PATH_IMAGE025
，
Figure DEST_PATH_IMAGE027
表示流量
Figure 523830DEST_PATH_IMAGE018
经由起始自治域的出域边界路由器e进入目的自治域的链路通，
Figure DEST_PATH_IMAGE029
表示流量
Figure 365884DEST_PATH_IMAGE021
经由起始自治域的出域边界路由器e进入目的自治域的链路断；
Figure DEST_PATH_IMAGE031
表示不与e冲突的起始自治域的出域边界路由器的集合；Q表示e以及与e冲突的第一自治域的出域边界路由器构成的集合；
Figure DEST_PATH_IMAGE033
，
Figure DEST_PATH_IMAGE035
表示流量
Figure DEST_PATH_IMAGE037
经由起始自治域的出域边界路由器e进入目的自治域的链路通，
Figure DEST_PATH_IMAGE039
表示流量
Figure DEST_PATH_IMAGE040
经由起始自治域的出域边界路由器e进入目的自治域的链路断；L(e)表示分配给e的流量之和；C(e)表示e的容量。
进一步地，所述ISP网络中两个自治域间通过BGP协议交换信息。
进一步地，任一边界路由器通过对等连接接收来自相邻自治域的路由信息；所有边界路由器都能够学习到相邻自治域发布的路由信息。
进一步地，所述步骤S1中起始自治域的出域边界路由器的容量相等。
进一步地，所述步骤S3中，
Figure DEST_PATH_IMAGE042
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE044
表示流量
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE045
所需要的链路资源。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明在ISP网络中引入SDN网络控制，通过SDN的灵活性进行出域边界路由器的选择；进一步地，将路由器选择问题映射成基于整数线性规划ILP问题，通过计算降低不同自治域间对等链路的最大利用率，避免自治域间流露拥塞。
附图说明
图1是本发明方法的流程图；
图2是自治域的系统模型；
图3是流量转发模型；
图4是多个路由域的拓扑抽象。
具体实施方式
在ISP网络中自治域(AS)由边界路由器和内部路由器的互连组成，如图2所示。如果某一自治域的一台路由器与相邻的自治域之间存在对等链路，则该路由器称为边界路由器；否则，该路由器是一个内部路由器。两个自治域间的连接通过自治域之间的边界路由器实现，并通过BGP协议交换信息。边界路由器通过对等连接接收来自相邻自治域的路由信息，进一步地，所有边界路由器都能够学习到相邻自治域发布的路由。
流量通过边界路由器进入自治域，该边界路由器被称为入域边界路由器，如图2中的R1、 R2；流量通过边界路由器通过自治域间的对等链路进入其他自治域，该边界路由器被称为出域边界路由器，如图2中的R3、R4、R5。本发明中定义入域边界路由器的集合为J，定义为出域边界路由器的集合为E。所有自治域内的路由器都通过IGP协议进行域内路由。
用P表示AS2的入域边界路由器的IP网络前缀的集合
Figure DEST_PATH_IMAGE047
，由SDN控制器将所述网络前缀发送到AS1的出域边界路由器。对于任何IP网络前缀
Figure 335327DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 415279DEST_PATH_IMAGE023
表示接收到IP网络前缀
Figure 34479DEST_PATH_IMAGE019
的AS1的出域边界路由器集合。流量
Figure 567092DEST_PATH_IMAGE045
对应从AS1的入域边界路由器j到以
Figure 297150DEST_PATH_IMAGE016
为网络前缀的目的AS2的入域边界路由器的流量，
Figure DEST_PATH_IMAGE048
表示流量
Figure 497187DEST_PATH_IMAGE021
所需要的链路资源。
出域边界路由器的对等链路有一个有限的容量，即出域边界路由器e的容量，用C(e)表示。一个流量总是通过一个出域边界路由器离开AS，容量C(e)应该足够大，以容纳通过出口路由选择退出的流的流量需求的总和。
对于任意一台控制器，既能运行OSPF协议，也能运行BGP协议，运行拓扑聚合方法来生成域间的抽象拓扑视图，视图中包含了包括SDN设备和传统路由器。控制器首先将本域的抽象拓扑发送给全网中其他的控制器，同时也接收来自其他控制器的域内抽象网络拓扑。在接收完所有的控制器传来的抽象拓扑信息之后，控制器可以生成一个全局的网络拓扑。在不同的控制器中所存储的全局拓扑信息也都不一样。多个路由域的拓扑抽象如图4所示，通过拓扑，SDN控制器识别确认域内路由器、入域边界路由器和出口边界路由器。
本发明中，ISP网络由传统路由设备和SDN转发设备组成。SDN节点由一个集中的SDN控制器控制和集中管理，根据各SDN节点转发表中的表项对报文进行转发。SDN控制器计算网络中的路由，并将这些计算出来的路由表项填充到SDN设备的转发表中，也称为流表项。SDN控制器通过SDN设备传播和学习网络中传统路由器的状态信息。
本发明提供了一种基于ISP和SDN混合网络的域间流量工程方法，如图1和3所示，具体地步骤如下：
S1、流量
Figure 287289DEST_PATH_IMAGE021
通过AS1的入域边界路由器j1、j2经过AS1进入AS2，SDN控制器将AS2的入域边界路由器的IP网络前缀p1、p2发送到AS1的出域边界路由器e1、e2上，两个出域边界路由器e1、e2的容量相等，即
Figure DEST_PATH_IMAGE050
；SDN控制器计算流量
Figure 372444DEST_PATH_IMAGE021
从入域边界路由器到出域边界路由器的可能性路径。
S2、流量
Figure 375035DEST_PATH_IMAGE021
的传输路径取决于出域边界路由器的选择
若流量
Figure 429579DEST_PATH_IMAGE021
传输路径上无SDN转发节点，SDN控制器根据IGP协议形成流表项并下发给AS1的内部路由器，AS1的内部路由器根据流表进行流量转发，从e1、e2中选择最近AS2的一个，流量
Figure 390581DEST_PATH_IMAGE045
将全部从选出的出域边界路由器传输。
本发明提出一个新变量
Figure DEST_PATH_IMAGE052
：
Figure DEST_PATH_IMAGE053
，
Figure DEST_PATH_IMAGE054
表示流量
Figure 491262DEST_PATH_IMAGE021
经由AS1的出域边界路由器e进入AS2的链路通，
Figure DEST_PATH_IMAGE055
表示流量
Figure 828702DEST_PATH_IMAGE045
经由AS1的出域边界路由器e进入AS2的链路断。假设e1更靠近AS2，则
Figure DEST_PATH_IMAGE057
且
Figure DEST_PATH_IMAGE059
，流量
Figure 127965DEST_PATH_IMAGE021
全部从e1传输；反之，则
Figure DEST_PATH_IMAGE061
且
Figure DEST_PATH_IMAGE063
，流量
Figure 584836DEST_PATH_IMAGE021
全部从e2传输。
S3、若传输路径上有SDN转发节点，则SDN控制器根据最小化对等链路的最大链路利用率准则，选择AS1的出域边界路由器进行流量传输，利用SDN转发节点将流量向与AS2的内部路由器分流，流量
Figure 844916DEST_PATH_IMAGE045
可以通过AS1的出域边界路由器e1、e2同时向AS2传输流量，即
Figure DEST_PATH_IMAGE064
且
Figure DEST_PATH_IMAGE063A
。
本发明中将L(e)定义为分配给出域边界路由器e的所有流量的流量之和，即
Figure 313943DEST_PATH_IMAGE042
。
本发明中每一个进入AS的流量都会选择一个出域边界路由器，从而降低使对等链路上的最大链路利用率，即是一个映射
Figure DEST_PATH_IMAGE066
；其中，F表示所有流量的集合；E表示出域边界路由器。
建立对等链路的链路利用率
Figure DEST_PATH_IMAGE068
最大化的目标函数：
Figure DEST_PATH_IMAGE070
约束条件：
（1）如果
Figure 998871DEST_PATH_IMAGE004
，则
Figure 36097DEST_PATH_IMAGE006
；确保仅当e播发前缀
Figure DEST_PATH_IMAGE071
时，流量
Figure 51982DEST_PATH_IMAGE021
映射到出口边界路由器；
（2）映射
Figure 465646DEST_PATH_IMAGE008
满足SDN邻近约束。
在本发明中定义为SDN的邻近约束(SDN-PC)。本发明中利用了SDN节点的灵活性，将流量转发给相邻节点，而不是IGP的下一跳。在传统网络中，当一个前缀发布的所有BGP属性相等时，抢标者是从入接口路由器到达出接口路由器的最小IGP开销。因此，外部对等链路上的负载从未被考虑。进一步地，本发明将SDN节点引入到传统网络中，为这个僵化的决策过程带来了新的灵活性；若SDN节点出现在通往出口路由器的最短路径上，就可以绕过IGP。否则，BGP决策算法完全依赖IGP。
本发明中将最大链路利用率问题映射到完全完成时间调度问题，将每个出口边界路由器关联为一台机器，将每个从入口到目的地前缀的流量关联为一个作业。作业的处理时间映射到流的流量需求，本发明中将出口边界路由器对等链路上的链路利用率映射为一台机器所使用的总处理时间。进一步地，任何出口链路上的最大链路利用率可以与计划的完工时间相关。本发明首先解决最大链路利用率问题的LP松弛，然后使用FordFulkerson最大流量算法在二部图中获得匹配，从而四舍五入LP分数解。考虑到多出口选择问题的特殊性，舍入得到的解非常接近于最优解。进一步地，因为二部图中寻找匹配时没有考虑约束问题，流最终映射到出口边界路由器将违反SDN-PC约束。
因此，必须识别并移动违反SDN-PC约束的流，进而提出了一种贪婪启发式算法，它将检查每个流是否违反了SDN-PC约束；若违反了SDN-PC约束，该算法将流从一个出口移动到另一个出口，直到没有流违反SDN-PC约束，同时保持最大链路利用率较低。
AS1中流量
Figure 83709DEST_PATH_IMAGE021
的出域边界路由器的选择问题可以表示成整数线性问题，即最小化对等链路的最大链路利用率准则的目标函数为：
Min z
Figure DEST_PATH_IMAGE072
约束条件：
（1）
Figure 88575DEST_PATH_IMAGE010
，表示确保每个流量
Figure 792088DEST_PATH_IMAGE018
只分配给一个出域边界路由器；
（2）
Figure 743864DEST_PATH_IMAGE012
；
（3）
Figure 747592DEST_PATH_IMAGE014
。
其中，
Figure 861041DEST_PATH_IMAGE004
表示流量
Figure 317431DEST_PATH_IMAGE045
经由起始自治域的出域边界路由器e传输至目的自治域；
Figure 72897DEST_PATH_IMAGE023
表示接收到
Figure 665552DEST_PATH_IMAGE019
的起始自治域的出域边界路由器集合；
Figure DEST_PATH_IMAGE073
表示不与e冲突的起始自治域的出域边界路由器的集合；Q表示e以及与e冲突的第一自治域的出域边界路由器构成的集合。
本发明所提供的一种基于ISP和SDN混合网络的域间流量工程方法，能够解决域间流量工程问题，最大限度地减少对等链路的最大链路利用率。
应当指出，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也在本申请权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于ISP和SDN混合网络的域间流量工程方法，其特征在于，所述ISP网络中的自治域由边界路由器和内部路由器互连而成，所述边界路由器分为入域边界路由器和出域边界路由器两种，流量经由所述入域边界路由器进入自治域，经由所述出域边界路由器进入其他自治域；
相邻两个自治域之间的域间流量工程方法的具体步骤如下：
S1、流量通过起始自治域的入域边界路由器进入起始自治域后，经由起始自治域的出域边界路由器进入目的自治域，SDN控制器将目的自治域的入域边界路由器的IP网络前缀发送到起始自治域的出域边界路由器上；
S2、若流量的传输路径上无SDN转发节点，SDN控制器根据IGP协议形成流表项并下发给起始自治域的内部路由器，起始自治域的内部路由器根据流表进行流量转发，选择从与目的自治域之间距离最近的起始自治域的出域边界路由器进行流量传输；
S3、若传输路径上有SDN转发节点，则SDN控制器根据最小化对等链路的最大链路利用率准则，选择起始自治域的出域边界路由器进行流量传输，利用SDN转发节点将流量向与目的自治域的内部路由器分流；
所述最小化对等链路的最大链路利用率准则为：
目标函数：
Min z
Figure 220376DEST_PATH_IMAGE002
约束条件：
（1）如果
Figure 480456DEST_PATH_IMAGE004
，则
Figure 90429DEST_PATH_IMAGE006
；
（2）映射
Figure 119564DEST_PATH_IMAGE008
满足SDN邻近约束；
（3）
Figure 422370DEST_PATH_IMAGE010
；
（4）
Figure 904167DEST_PATH_IMAGE012
；
（5）
Figure 317831DEST_PATH_IMAGE014
；
其中，
Figure 251674DEST_PATH_IMAGE016
表示目的自治域的入域边界路由器m的IP网络前缀；
Figure 522119DEST_PATH_IMAGE018
表示从起始自 治域的入域边界路由器j到以
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为网络前缀的目的自治域的流量；
Figure DEST_PATH_IMAGE021
表示流量
Figure 553529DEST_PATH_IMAGE022
经由起始自治域的出域边界路由器e传输至目的自治域；
Figure 505304DEST_PATH_IMAGE024
表示接收到
Figure 509032DEST_PATH_IMAGE019
的起始自治域的出域边界路由器集合；
Figure 356902DEST_PATH_IMAGE026
，
Figure 314756DEST_PATH_IMAGE028
表示流量
Figure 70223DEST_PATH_IMAGE018
经由起始自治域的出域边界路由器e进入目的自治域的链路通，
Figure 662878DEST_PATH_IMAGE030
表示流量
Figure 478387DEST_PATH_IMAGE022
经由起始自治域的出域边界路由器e进入目的自治域的链路断；
Figure 422073DEST_PATH_IMAGE032
表示不与e冲 突的起始自治域的出域边界路由器的集合；Q表示e以及与e冲突的第一自治域的出域边界 路由器构成的集合；
Figure 981230DEST_PATH_IMAGE034
，
Figure 959550DEST_PATH_IMAGE036
表示流量
Figure 680382DEST_PATH_IMAGE038
经由起始自治域的 出域边界路由器e进入目的自治域的链路通，
Figure 612828DEST_PATH_IMAGE040
表示流量
Figure DEST_PATH_IMAGE041
经由起始自 治域的出域边界路由器e进入目的自治域的链路断；L(e)表示分配给e的流量之和；C(e)表 示e的容量。
2.如权利要求1所述的一种基于ISP和SDN混合网络的域间流量工程方法，其特征在于，所述ISP网络中两个自治域间通过BGP协议交换信息。
3.如权利要求1所述的一种基于ISP和SDN混合网络的域间流量工程方法，其特征在于，任一边界路由器通过对等连接接收来自相邻自治域的路由信息；所有边界路由器都能够学习到相邻自治域发布的路由信息。
4.如权利要求1所述的一种基于ISP和SDN混合网络的域间流量工程方法，其特征在于，所述步骤S1中起始自治域的出域边界路由器的容量相等。
5.如权利要求1所述的一种基于ISP和SDN混合网络的域间流量工程方法，其特征在于， 所述步骤S3中，
Figure DEST_PATH_IMAGE043
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE045
表示流量
Figure 506835DEST_PATH_IMAGE022
所需要的链路资源。
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