CN114567575B - 基于int的丢包检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于INT的丢包检测方法,该方法包括带内遥网络测模块、丢包检测模块和统计溯源模块,所述带内网络遥测模块进行带内遥测并转发遥测数据包;交换机将数据包转发至遥测服务器进行解析;部署在INT节点交换机的丢包检测模块进行丢包检测,并将结果上传至遥测服务器;所述统计溯源模块进行丢失率的计算以及故障溯源;本发明采用在INT头部的保留字段中使用一定数据位标记遥测数据包,通过INT节点的计数器和遥测服务器的检测和统计模块实现对丢失数据包的检测和丢失率的统计,最后实现网络故障的溯源。
Description
技术领域
本发明涉及丢包检测方法,尤其涉及一种基于INT的丢包检测方法。
背景技术
随着信息时代的到来,网络使用量激增,当发生网络拥塞或网络被攻击时,通信双方会采取一定控制措施丢弃一些不能传输的数据包。数据包丢失是一种常见的网络故障,它会造成网速降低甚至引发网络服务中断等问题,因此有必要通过数据包丢失分析定位网络故障,方便网络管理员及时采取措施进行故障排除。
带内网络遥测(INT,InBand-Network-Telemetry)是一种新的网络测量方法,INT可以快速收集和整合网络状态数据,以监测服务质量,实现网络服务的端到端流量可视化。INT的工作原理是使用用户端数据包逐跳携带交换设备的遥测数据并由最后一跳交换机转发至遥测服务器。但是由于网络拥塞等原因,用户数据包可能会丢失,INT遥测信息将随数据包不可避免地丢失,然而目前带内网络遥测技术在丢包检测机制方面并不完善,仍有以下问题:
1)无法准确感知数据包丢失。INT的工作原理使其对丢包不敏感。遥测服务器可以连续接收INT报告数据包,并识别相应的INT头部解析相应的遥测信息,但服务器并不能获取这些数据包丢失的情况,服务器接收的数据包本身可能并不完整。一旦含有关键网络故障的遥测信息与用户数据包一起丢失,会阻碍对网络故障的判断。
2)没有可行的丢包解决方案。目前INT的丢包测量主要是集成现有SDN丢包测量和定位方案,测量方法主要基于主动测量,需要在INT各节点布置多个探测器定位丢包位置,这会造成巨大的网络开销,而且主动测量方式只能进行数据包定位,不能进行丢失率的统计,因此不适合直接集成到现有的INT方案中。
发明内容
发明目的:本发明的目的是提供一种基于INT的丢包检测方法。
技术方案:本发明的丢包检测方法,包括带内网络遥测模块、丢包检测模块和统计溯源模块,所述带内网络遥测模块进行带内遥测并转发遥测数据包;交换机将数据包转发至遥测服务器进行解析;部署在INT节点交换机的丢包检测模块进行丢包检测,并将结果上传至遥测服务器;所述统计溯源模块进行丢失率的计算以及故障溯源,具体的实现过程包括步骤如下:
S1,用户端发送数据包;
S2,交换机按照遥测指令开始带内网络遥测,并采集带内网络遥测数据封装进用户数据包;
S3,丢包检测模块进行丢包检测,统计溯源模块计算数据包丢失率;
S4,遥测服务器根据丢失率和丢失位测量结果生成遥测报告,再将遥测报告转发给控制器,控制器根据接收到的丢失位测量结果定位网络状态。
进一步,所述步骤S3中,统计模块计算数据包的实现过程如下:
步骤31,数据包标记
交换机向每个用户端发送的数据包嵌入对应的INT协议头部h,对于第i个INT节点
的数据包,在INT协议头hi的保留字段中使用1个或多个位,定义为丢失位li;INT节点对每个
数据包的丢失位li进行收集,并将丢失位li的相关信息储存在INT节点的计数器中,生成丢
失向量:
其中,D()为向量化函数,n为经过的INT节点数;
步骤32,丢失数据包定位
其中,cil()为定位矩阵构建函数;
步骤33,丢失率计算
其中,e为自然对数;
各INT节点的计数器添加丢失位后,存储在INT头部的元数据中;遥测服务器提取相应元数据,统计所有丢失位长度;设INT头部协议的总共丢失位长度为L,则丢失率p为:
进一步,所述步骤S4中,遥测服务器根据生成的定位矩阵统计数据包发送过
程中未接收到的丢失向量;若数据包丢失,则定位矩阵数据异常,遥测服务器识别出异
常的定位矩阵后,根据数据包对应节点的交换机ID和时间戳,识别数据包丢失过程所经过
的真实路由路径,生成完整路径丢失位测量结果;
并根据步骤S3得到的丢失率和丢失位测量结果,生成对应的遥测报告;遥测服务器将遥测报告转发给控制器,控制器根据接收到的丢失位测量结果获取相应INT节点的网络状态,定位网络故障。
进一步,所述统计溯源模块部署在遥测服务器中,包括计算单元与故障溯源单元,所述计算单元根据检测模块提供的结果进行丢失率的计算;
遥测报告生成后,所述故障溯源单元启动,遥测服务器将遥测报告反馈给控制器进行溯源。
本发明与现有技术相比,其显著效果如下:
1、本发明采用了一种丢包标记策略,通过在INT协议头部的保留字段中使用一位或多位生成丢失位,丢失位进一步向量化生成丢失向量进行数据包标记,遥测服务器可以根据接收到的丢失向量统计丢失的遥测数据包,使INT能够感知实际网络中的丢包事件,遥测服务器将遥测报告转发控制器后,由于每个遥测报告中带有对应丢失数据包的网络节点的交换机ID或时间戳,能帮助控制器确定丢失数据包经过的真实路由路径和序列,从而控制器根据接收到的丢失位测量结果获取相应INT节点的网络状态,定位网络故障解决以往INT对丢包不敏感的问题;
2、本发明通过在每个INT节点维护计数器的方式进行丢包率的计算和丢包定位,每个INT节点维护的计数器占用带宽少,精度高,能够以较低的开销和较高的精度测量每流丢包率,能够解决以往集成INT丢包测量方法网络开销大的问题。
附图说明
图1为本发明的平台架构图;
图2为本发明的全过程流程图;
图3为本发明的丢包检测方法示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。
本发明将丢包检测方法应用至INT过程以提高网络监控性能。本发明在INT头部的保留字段中使用一位或多位标记遥测数据包,通过INT节点的计数器和遥测服务器实现对丢失数据包的检测和丢失率的统计,最后实现丢失数据包的定位。
为实现上述目的,本发明的架构包括:带内网络遥测模块,丢包检测模块和统计溯源模块,如图1所示。
带内网络遥测模块的作用是进行带内网络遥测并转发遥测数据包。带内网络遥测模块包括遥测单元和数据包转发单元,由具有遥测功能的交换机和控制器完成,当用户设备发起互联网访问请求后,控制器下发遥测指令开始带内网络遥测,用户端发送数据包给交换机,交换机采集遥测数据封装成遥测数据包,由最后一跳交换机将数据包转发至遥测服务器进行解析。在遥测过程中会有一定的丢包概率,部署在INT节点交换机的丢包检测模块会进行相应的丢包检测,并将结果上传至遥测服务器。
为了测量和定位数据包丢失,本发明在每个INT节点的交换机部署了丢包检测模块。丢包检测模块由标记单元和检测单元构成。标记单元采用在INT头部的保留字段中使用一位或多位作为丢失位,丢失位由控制器下发的遥测指令指定,并存储在INT元数据堆栈中每个跃点的INT元数据。检测丢失定位的所有INT节点为每个流维护一个计数器,并向计数器依次添加自己的丢失位。计数器可以以很少的开销集成到INT操作中,若遥测服务器没有接收到丢失位的标记信息,则说明该数据包大概率丢失。由于需要检测丢失率和丢失定位,计数器根据收集的丢失位生成丢失向量上传至遥测服务器,遥测服务器根据丢失向量和数据包的源节点构建相应的定位矩阵确定丢失数据包的位置,根据统计得到的丢失率和丢失位测量结果生成遥测报告。
统计溯源模块主要作用是进行丢失率的计算以及故障溯源,该模块部署在遥测服务器中,包含计算单元与故障溯源单元,计算单元根据检测模块提供的结果进行丢失率的计算,由节点的计数器执行并将结果存储在遥测服务器中,由于不同遥测指令导致数据包转发概率不同,计算单元可以根据数据包发送满足的概率分布给出不同的丢失率计算结果,丢失率的结果存储至遥测服务器,由遥测服务器写入遥测报告中,遥测报告生成后故障溯源单元启动,遥测服务器通过遥测报告的生成反馈给控制器进行溯源。由于每个遥测报告都携带序列信息,控制器可以根据遥测报告当中的丢失位获取具体丢失的遥测数据包,生成完整路径丢失位测量结果并确认故障来源后给出相应预警,方便网络管理员及时处理。
如图2所示,对丢包检测的整体过程实现如下:
步骤一,用户发起互联网访问请求,控制器接受用户请求,发送遥测指令指示用户端发送数据包。
步骤二,交换机按照遥测指令开始带内网络遥测,并采集带内网络遥测数据,封装进用户数据包。
步骤三,丢包检测模块进行丢包检测,统计溯源模块计算数据包丢失率。
如图3所示,对数据包丢失率统计的实现过程如下:
步骤31,数据包标记
在带内网络遥测过程中,交换机会向每个用户端发送的数据包嵌入对应的INT协
议头部h,在协议头的字段中使用1个或多个位作为丢失位,丢失位记作字母l;对于第i个
INT节点(对应第i个交换机,即每个INT节点均设有一个交换机)的数据包,在INT协议头hi
的保留字段中使用1个或多个位,称之为丢失位li,丢失位将作为每个数据包的标记方式,
若数据包丢失,则对应INT节点交换机无法接收到对应丢失位。INT节点对每个数据包的丢
失位li进行收集,将丢失位li的相关信息储存在节点的计数器当中用于计算数据包丢失率,
并生成丢失向量:
步骤32,丢失数据包定位
步骤33,丢失率计算
各INT节点的计数器添加丢失位后会存储在INT头部的元数据中,遥测服务器提取相应元数据,统计所有丢失位长度,设INT头部协议的总共丢失位长度为L,则根据公式(4),丢失率p为:
步骤四,控制器进行故障溯源
由于定位矩阵标记了每一个INT节点与对应的数据包丢失向量,遥测服务器
可以根据生成的定位矩阵统计数据包发送过程中未接收到的丢失向量;若数据包丢
失,则定位矩阵数据异常,遥测服务器识别出异常的定位矩阵后可以根据对应节点的
交换机ID和时间戳识别数据包丢失过程所经过的真实路由路径,生成完整路径丢失位测量
结果,从而对数据包丢失过程进行还原,并根据丢包检测结果(即由步骤三得到的丢失率和
本步骤得到的丢失位测量结果),生成对应的遥测报告,遥测服务器将遥测报告转发给控制
器,控制器可以根据接收到的丢失位测量结果获取相应INT节点的网络状态,定位网络故
障,并采取重新分配流量或路由策略等方式,排除对应节点的网络故障。
Claims (3)
1.一种基于INT的丢包检测方法,其特征在于,该方法包括带内网络遥测模块、丢包检测模块和统计溯源模块,所述带内网络遥测模块进行带内遥测并转发遥测数据包;交换机将数据包转发至遥测服务器进行解析;部署在INT节点交换机的丢包检测模块进行丢包检测,并将结果上传至遥测服务器;所述统计溯源模块进行丢失率的计算以及故障溯源,具体的实现步骤如下:
S1,用户端发送数据包;
S2,交换机按照遥测指令开始带内网络遥测,并采集带内网络遥测数据封装进用户数据包;
S3,丢包检测模块进行丢包检测,统计溯源模块计算数据包丢失率;
S4,遥测服务器根据丢失率和丢失位测量结果生成遥测报告,再将遥测报告转发给控制器,控制器根据接收到的丢失位测量结果定位网络状态;
所述步骤S3中,统计模块计算数据包的实现过程如下:
步骤31,数据包标记
交换机向每个用户端发送的数据包嵌入对应的INT协议头部h,对于第i个INT节点的数据包,在INT协议头hi的保留字段中使用1个或多个位,定义为丢失位Ii;INT节点对每个数据包的丢失位Ii进行收集,并将丢失位Ii的相关信息储存在INT节点的计数器中,生成丢失向量Fl:
其中,D()为向量化函数,n为经过的INT节点数;
步骤32,丢失数据包定位
将每个INT节点交换机在网络中的位置标记为s,各节点计数器根据生成的丢失向量Fl和第i个节点交换机的位置si构建定位矩阵Mfs:
Mfs=cil(si|Fl)
其中,cil( )为定位矩阵构建函数;
步骤33,丢失率计算
设每两个遥测数据包的发送时间间隔为t,到达遥测服务器的数据包个数服从λ的泊松分布:
F(t;λ)=1-e^(λt),t≥0
其中,e为自然对数;
各INT节点的计数器添加丢失位后,存储在INT头部的元数据中;遥测服务器提取相应元数据,统计所有丢失位长度;设INT头部协议的总共丢失位长度为L,则丢失率p为:
p=2^(Lλ);
所述步骤S4中,遥测服务器根据生成的定位矩阵Mfs统计数据包发送过程中未接收到的丢失向量;若数据包丢失,则定位矩阵Mfs数据异常,遥测服务器识别出异常的定位矩阵后,根据数据包对应节点的交换机ID和时间戳,识别数据包丢失过程所经过的真实路由路径,生成完整路径丢失位测量结果;
并根据步骤S3得到的丢失率和丢失位测量结果,生成对应的遥测报告;遥测服务器将遥测报告转发给控制器,控制器根据接收到的丢失位测量结果获取相应INT节点的网络状态,定位网络故障。
2.根据权利要求1所述的基于INT的丢包检测方法,其特征在于,所述定位矩阵Mfs将被储存在遥测服务器中。
3.根据权利要求1所述的基于INT的丢包检测方法,其特征在于,所述统计溯源模块部署在遥测服务器中,包括计算单元与故障溯源单元,所述计算单元根据检测模块提供的结果进行丢失率的计算;
遥测报告生成后,所述故障溯源单元启动,遥测服务器将遥测报告反馈给控制器进行溯源。
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