CN114844812B - 一种面向主动网络遥感的低时延低开销路径部署方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向主动网络遥感的低时延低开销路径部署方法，包括：创建探测流路径，并根据初始节点选择策略确定探测流起点；随后根据路径时延要求设定节点添加策略，并基于添加节点更新路径信息；实现全网络覆盖后，完成全部路径部署并输出路径结果。本发明提出的方法可以以较高的效率生成主动带内遥感系统的探测流路径部署方案，利用此方法可以在保证遥测可见性的前提下有效地降低遥感系统的时延和开销。

Description

一种面向主动网络遥感的低时延低开销路径部署方法
技术领域
本发明涉及网络流量遥感技术领域，特别是涉及一种面向主动网络遥感的低时延低开销路径部署方法。
背景技术
由于超大规模数据中心网络的出现，以及部署的各个种类服务不断增加，细粒度的、全网络范围的可见性对进行大规模数据中心网和骨干网的拥塞控制、故障排除和容量规划等工作至关重要。然而传统的流量感知方案需要在控制平面与数据平面之间频繁交互，更由于设备能力的限制，传统的流量感知方案已经无法满足目前大规模数据中心网络对流量感知细粒度、低延迟、高覆盖范围的要求。
如今，网络遥测技术已经发展成为了用来收集网络数据的热门技术。相较于传统的流量感知技术，网络遥测技术具有更好的网络可见性和延展性。带内遥测技术(INT)作为网络遥测技术的典型代表,它通过在数据包转发的过程中查询并收集设备内部状态信息来完成网络测量。INT在进行网络测量的过程中会不断向转发的数据包中注入遥测信息，并在转发路径的最后一跳发送遥测数据信息到控制平面进行集中存储和分析。INT有一个关键性的缺点是网络流量感知所带来的巨大开销。随着路径上各个交换机不断地添加信息，数据包所携带的遥测信息也不断增加，特别是在转发路径较长的情况下，数据包携带的数据量随着不断转发而增大，给后面交换机之间的转发带来了很大的开销。同时，随着软件定义网络的不断发展，控制层面越来越需要获取整个网络拓扑的可见性，获得实时的整体流量状态信息对于进行网络控制至关重要。
在主动带内感知方案中，一种主动将源路由嵌入到INT探测中，并允许指定探测包通过网络路由的带内遥测方案。主动带内感知的优势在于可以为控制器稳定提供全网络的可见性，但是由于需要主动生成探测流来完成整个网络拓扑的流量信息采集，各个探测流的路径部署是影响感知系统性能的重要因素。目前通常采用的欧拉路径部署算法，虽然可以根据拓扑网络奇数顶点的个数生成最小数量的探测流来覆盖整个探测网络，但是由于没有考虑各个探测流路径上的时延差距，从而导致在实际情况中巨大的时延影响了控制器的集中控制。此外，欧拉路径部署方案在部署的过程中忽略了不同路由设备由于搭载的服务不同而导致的被遥测数据种类和数据量不同，从而在流量感知的过程中造成了不必要的开销，导致了网络系统的性能下降。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种面向主动网络遥感的低时延低开销路径部署方法，用以解决背景技术中提及的技术问题。本发明在主动带内遥感路由机制的基础上进一步完善了对探测流路径的部署。在网络服务种类日益复杂的今天，网络控制需要获得的信息种类也日益繁多，不同的路由往往因为承担服务的不同而需要向控制平面提供不同种类的数据。因此，不考虑不同路由所需添加的数据量直接进行路径规划显然是不合时宜的。一方面，本发明考虑了不同路由所需添加的数据量对整体流量感知系统带来的影响；另一方面，本发明对各个探测流路径的时延做了均衡限制处理将路径时延控制问题带入了路径规划问题中。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种面向主动网络遥感的低时延低开销路径部署方法，所述方法包括如下步骤：
步骤S1、针对一网络拓扑，构建一探测流路径，通过该探测流路径对该网络拓扑中各个节点，其需添加入探测数据包的数据量进行逐步遍历，其中，基于选择策略选择该探测流的起始节点；
步骤S2、执行判断，判断步骤S1中选择的起始节点，其是否存在未覆盖的物理链路，若存在，则执行步骤S3，若不存在，则回到步骤S1继续选择起始节点；
步骤S3、基于该起始节点其对应的未检测物理链路信息，选择该起始节点的下一节点；
步骤S4、执行路径时延检测以判断是否继续添加节点，若满足时延检验条件，则继续添加节点，若不满足时延检验条件，则回到步骤S1中；
步骤S5、添加节点，并更新当前节点信息和网络覆盖信息；
步骤S6、执行检测，检测是否完成网络拓扑全覆盖，若没有完成，则回到步骤S2，若已完成，则进行判断，判断是否满足终止条件，若满足，则停止并完成所有路径规划任务。
进一步的，在构建探测流路径之前，先根据网络拓扑状态初始化邻接矩阵，其具体包括：
将探测网络定义为一个无向物理图，用G＝(V,E)表示；其中，V＝{i|i＝1,…,n}为物理节点的集合，i∈V为监测网络中序号为i物理节点；E＝{e(i,j)|i,j∈V}为节点直接物理链路的集合，其中e(i,j)∈E为节点i和节点j之间的物理链路状态；
如果节点i和节点j之间有连通的物理链路，则e(i,j)存在；否则e(i,j)不存在；存储图信息的邻接矩阵初始化为：
进一步的，在步骤S1中，在路径规划的过程中，采用如下的选择策略来选择探测流的起始节点，包括：
假设部署第k条路径fk时，为路径fk中第一个节点的序号，则/>的选择策略表述为：
在公式(2)中，b(i)表示节点i需要向探测数据包中添加的数据量；
其中，该还必须拥有一条不在系统已覆盖链路集合L'的物理链路，则系统已覆盖链路集合L'表示为：
在公式(3)中，Lj是第j条路径覆盖的链路集合，具体表示为 其中，Nj表示第j条路径中的节点数量。
进一步的，在所述步骤S2中，通过如下的方法来判断某一节点其是否存在未覆盖的物理链路，包括：
假设部署第k条路径fk时，已向路径中添加节点此时路径fk暂时表示为 是第k条路径fk中第i个节点；
使用集合表示与节点/>相连节点的集合，则用公式(4)表示：
从集合中选择下一个节点/> 并且节点/>与节点/>之间的链路不能被集合L'覆盖，则表示为：/>
进一步的，在所述步骤S3中，通过如下的方法选择该起始节点的下一节点，包括：
在节点选择的过程中，路径下一节点/>选择策略具体步骤如下：
首先，通过当前节点获取集合/>并根据是否满足/>排除已经被覆盖的链路所连接的节点；
然后，选择集合剩余节点中需要向数据包中添加数据量最小的节点作为目标，选择策略描述为：/>b(i)表示节点i所需向数据包中插入的数据量。
进一步的，所述步骤S4具体包括：
首先，根据路径的当前信息计算得路径的当前时延Tk，时延表达式表示为：
在公式(5)中，t(i,j)表示节点i和节点j之间的时延信息；
然后，获取所选定节点与节点/>之间的时延/>时延检验公式如下所示：
在公式(6)中，Tmax是系统能够接受的最大时延值；
如果满足时延检验条件，则继续添加节点否则，放弃添加并执行步骤S1。
进一步的，在所述步骤S5中，添加节点后所需更新的信息具体包括：路径fk经过节点的信息；路径fk当前的时延信息Tk；遥感系统当前的覆盖链路集合L′。
进一步的，在所述步骤S6中，所述网络拓扑全覆盖，其判断条件为：E＝L′，即遥感系统覆盖的链路集合L′与网络拓扑的物理链路集合E相同。
进一步的，在所述步骤S6中，所述终止条件，具体为：达到最大运行时间限制。
本发明的有益效果是：
本发明基于各路由设备遥测项目的信息，利用贪心选择算法的思想设计了探测包转发路径规划方案，降低了主动带内遥测系统的开销。同时基于各路径的时延信息，控制了转发路径长度以实现了对探测系统时延的控制。带内网络遥测系统可以获得稳定的全网可见性，有效降低遥测的开销并提升遥测系统的时延性能。
附图说明
图1为实施例1中提供的路由机制的结构示意图；
图2为实施例1中提供的一种面向主动网络遥感的低时延低开销路径部署方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参见图1和图2，本实施例提供一种面向主动网络遥感的低时延低开销路径部署方法，该方法采用的路由机制，如图1所示，具体的说，在该机制中，使用UDP数据包来携带INT信息，分配固定大小的空间作为SR标签用来存储端口号以便控制数据包的转发路径，然后分配不定大小的空间作为INT标签用来存储网络遥感信息。
主动带内流量感知方案通过源路由(SR)技术解决了路径不可控的问题。也即是，在本实施例中路由机制需要INT生成器、INT转发器和INT收集器三种逻辑路由器来共同实现。INT生成器负责在探测流的起始节点处生成沿特定路由路径转发的探测数据包。INT转发器负责将本地流量信息添加入探测数据包中，并根据数据包传输路径转发数据包至下一端口。INT收集器一般是探测流路径上的最后一个节点，他负责在探测流完成流量信息收集工作后将数据包转发给控制平面进行分析处理。
具体的说，本实施例采用的该路由机制，其最大的优点在于可以生成覆盖整个网络拓扑的检测流，从而稳定地获取全网络的网络状态信息。这对于如今大规模网络的流量感知是非常重要的优势。
本实施例方法具体流程如图2所示，其包括如下的步骤：
步骤S1、根据网络拓扑状态初始化邻接矩阵；
具体的说，在本实施例中，该步骤S1包括：
将探测网络定义为一个无向物理图，用G＝(V,E)表示。其中，V＝{i|i＝1,…,n}为物理节点的集合，i∈V为监测网络中序号为i物理节点；E＝{e(i,j)|i,j∈V}为节点直接物理链路的集合，其中e(i,j)∈E为节点i和节点j之间的物理链路状态。如果节点i和节点j之间有连通的物理链路，则e(i,j)存在；否则e(i,j)不存在。存储图信息的邻接矩阵可以初始化为：
步骤S2、新建一条探测流路径，并对网络拓扑各个节点的所需添加入探测数据包的数据量进行逐步遍历，并根据选择策略选择探测流的起始节点；
具体的说，在本实施例中，在路径规划的过程中，采用如下的选择策略来选择探测流的起始节点，包括：
假设部署第k条路径fk时，为路径fk中第一个节点的序号，则/>的选择策略可以表述为：
在公式(2)中，b(i)表示节点i需要向探测数据包中添加的数据量；
需要注意的是，还必须拥有一条不在系统已覆盖链路集合L'的物理链路，其中，系统已覆盖链路集合L'可以表示为：
在公式(3)中，Lj是第j条路径覆盖的链路集合，具体表示为其中，Nj表示第j条路径中的节点数量。
步骤S3、若当前节点的所有物理链路均已经被覆盖，则执行步骤S2；
具体的说，在本实施例中，当前节点需存在物理链路尚未被覆盖的条件可以具体描述为：
假设部署第k条路径fk时，已向路径中添加节点此时路径fk暂时可以表示为 是第k条路径fk中第i个节点。为了方便描述，使用集合/>表示与节点/>相连节点的集合，可以用公式(4)表示：
从集合中选择下一个节点/> 并且节点/>与节点/>之间的链路不能被集合L'覆盖，则表示为：/>
步骤S4、若当前节点的根据当前节点的未检测物理链路信息，依据选择策略，选择即将添加下一节点；
在节点选择的过程中，路径下一节点/>选择策略具体步骤如下：
首先，通过当前节点获取集合/>并根据是否满足/>排除已经被覆盖的链路所连接的节点。
然后，选择集合剩余节点中需要向数据包中添加数据量最小的节点作为目标，选择策略可以描述为：/>b(i)表示节点i所需向数据包中插入的数据量。
步骤S5、执行路径时延检测以判断是否继续添加节点，若不满足则执行步骤S2；
具体的说，为了保证路径时延不超过系统最大实验限制，需要进行路径时延检测。路径时延检测具体步骤如下：
首先，根据路径的当前信息计算得路径的当前时延Tk，时延表达式可以表示为：
在公式(5)中，t(i,j)表示节点i和节点j之间的时延信息。
然后，获取所选定节点与节点/>之间的时延/>时延检验公式如下所示：
在公式(6)中，Tmax是系统可以接受的最大时延值。
如果满足时延检验条件，则可以继续添加节点否则，放弃添加并执行步骤S2。
步骤S6、添加节点，并更新当前节点信息和网络覆盖信息；
具体的说，在本实施例中，在该步骤中，添加节点后所需更新的信息具体包括：a、路径fk经过节点的信息；b、路径fk当前的时延信息Tk；c、遥感系统当前的覆盖链路集合L′。
步骤S7、检测是否完成网络拓扑全覆盖，若不满足则执行步骤S3；
具体的说，在本实施例中，为了满足网络遥测系统全网络覆盖的要求需要进行全网络覆盖判断。全网络覆盖的具体判断条件可以描述为E＝L′，即遥感系统覆盖的链路集合L′与网络拓扑的物理链路集合E相同。
步骤S8、如果满足终止条件，停止并完成所有路径规划任务。
具体的说，在本实施例中，完成路径规划的终止条件为：
1、网络遥感系统完成全网络覆盖。遥感系统覆盖的链路集合L′与网络拓扑的物理链路集合E相同，E＝L′。
2、达到最大运行时间限制。针对网络规模过大或较为复杂无法完成全网络覆盖的情况，避免浪费不必要的资源。
综上所述，本发明提出一种面向主动网络遥感的低时延低开销路径部署方法，该方法可以以较高的效率生成主动带内遥感系统的探测流路径部署方案，利用此方法可以在保证遥测可见性的前提下有效地降低遥感系统的时延和开销。
本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种面向主动网络遥感的低时延低开销路径部署方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤S1、针对一网络拓扑，构建一探测流路径，通过该探测流路径对该网络拓扑中各个节点，其需添加入探测数据包的数据量进行逐步遍历，其中，基于选择策略选择该探测流的起始节点；
步骤S2、执行判断，判断步骤S1中选择的起始节点，其是否存在未覆盖的物理链路，若存在，则执行步骤S3，若不存在，则回到步骤S1继续选择起始节点；
步骤S3、基于该起始节点其对应的未检测物理链路信息，选择该起始节点的下一节点；
步骤S4、执行路径时延检测以判断是否继续添加节点，若满足时延检验条件，则继续添加节点，若不满足时延检验条件，则回到步骤S1中；
步骤S5、添加节点，并更新当前节点信息和网络覆盖信息；
步骤S6、执行检测，检测是否完成网络拓扑全覆盖，若没有完成，则回到步骤S2，若已完成，则进行判断，判断是否满足终止条件，若满足，则停止并完成所有路径规划任务。
2.根据权利要求1所述的一种面向主动网络遥感的低时延低开销路径部署方法，其特征在于，在构建探测流路径之前，先根据网络拓扑状态初始化邻接矩阵，其具体包括：
将探测网络定义为一个无向物理图，用G＝(V,E)表示；其中，V＝{i|i＝1,…,n}为物理节点的集合，i∈V为监测网络中序号为i物理节点；E＝{e(i,j)|i,j∈V}为节点直接物理链路的集合，其中e(i,j)∈E为节点i和节点j之间的物理链路状态；
如果节点i和节点j之间有连通的物理链路，则e(i,j)存在；否则e(i,j)不存在；存储图信息的邻接矩阵初始化为：
3.根据权利要求2所述的一种面向主动网络遥感的低时延低开销路径部署方法，其特征在于，在步骤S1中，在路径规划的过程中，采用如下的选择策略来选择探测流的起始节点，包括：
假设部署第k条路径fk时，为路径fk中第一个节点的序号，则/>的选择策略表述为：
在公式(2)中，b(i)表示节点i需要向探测数据包中添加的数据量；
其中，该还必须拥有一条不在系统已覆盖链路集合L'的物理链路，则系统已覆盖链路集合L'表示为：
在公式(3)中，Lj是第j条路径覆盖的链路集合，具体表示为其中，Nj表示第j条路径中的节点数量。
4.根据权利要求3所述的一种面向主动网络遥感的低时延低开销路径部署方法，其特征在于，在所述步骤S2中，通过如下的方法来判断某一节点其是否存在未覆盖的物理链路，包括：
假设部署第k条路径fk时，已向路径中添加节点此时路径fk暂时表示为/> 是第k条路径fk中第i个节点；
使用集合表示与节点/>相连节点的集合，则用公式(4)表示：
从集合中选择下一个节点/>并且节点/>与节点/>之间的链路不能被集合L'覆盖，则表示为：/>
5.根据权利要求4所述的一种面向主动网络遥感的低时延低开销路径部署方法，其特征在于，在所述步骤S3中，通过如下的方法选择该起始节点的下一节点，包括：
在节点选择的过程中，路径下一节点/>选择策略具体步骤如下：
首先，通过当前节点获取集合/>并根据是否满足/>排除已经被覆盖的链路所连接的节点；
然后，选择集合剩余节点中需要向数据包中添加数据量最小的节点作为目标，选择策略描述为：/>b(i)表示节点i所需向数据包中插入的数据量。
6.根据权利要求5所述的一种面向主动网络遥感的低时延低开销路径部署方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：
首先，根据路径的当前信息计算得路径的当前时延Tk，时延表达式表示为：
在公式(5)中，t(i,j)表示节点i和节点j之间的时延信息；
然后，获取所选定节点与节点/>之间的时延/>时延检验公式如下所示：
在公式(6)中，Tmax是系统能够接受的最大时延值；
如果满足时延检验条件，则继续添加节点否则，放弃添加并执行步骤S1。
7.根据权利要求6所述的一种面向主动网络遥感的低时延低开销路径部署方法，其特征在于，在所述步骤S5中，添加节点后所需更新的信息具体包括：路径fk经过节点的信息；路径fk当前的时延信息Tk；遥感系统当前的覆盖链路集合L′。
8.根据权利要求7所述的一种面向主动网络遥感的低时延低开销路径部署方法，其特征在于，在所述步骤S6中，所述网络拓扑全覆盖，其判断条件为：E＝L′，即遥感系统覆盖的链路集合L′与网络拓扑的物理链路集合E相同。
9.根据权利要求8所述的一种面向主动网络遥感的低时延低开销路径部署方法，其特征在于，在所述步骤S6中，所述终止条件，具体为：达到最大运行时间限制。
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