CN115225550B - 一种基于分簇的路径规划算法的按需全网遥测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于分簇的路径规划算法的按需全网遥测装置。该装置包括：需求解析单元通过收集并解析上层遥测应用下发的差异化遥测需求，将遥测参数传输给遥测规划单元；遥测规划单元根据遥测参数通过基于分簇的路径规划算法规划相应的转发路径，并按照基于源路由的按需转发策略为每条转发路径生成包含相应源路由标签堆栈的探针数据包，将探针数据包发送给探针收发单元；探针收发单元将探针数据包注入到网络中，并回收完成遥测任务的探针数据包，数据分析单元提取探针数据包收集的网络状态信息，对网络状态信息进行分析生成遥测报告。本发明装置通过生成转发路径，利用源路由技术支持探针数据包的按需转发，克服MTU限制、实现快速全网遥测。

Description

一种基于分簇的路径规划算法的按需全网遥测装置

技术领域

本发明涉及计算机网络通信技术领域，尤其涉及一种基于分簇的路径规划算法的按需全网遥测装置。

背景技术

网络遥测是遵照一定的方法、技术和标准，通过测试表征网络状态及其性能指标，以了解网络运行状态的一系列活动。网络遥测能够获取大量网络状态信息，因此被广泛应用于负载均衡、拥塞控制、故障定位等场景。近年来，由于用户数量的持续增长、新型应用的不断涌现，网络规模空前巨大、网络结构愈发复杂，传统网络遥测方案已经无法满足未来网络的发展需求。

得益于软件定义网络的发展和可编程数据平面的出现，带内网络遥测(In-bandNetwork Telemetry，INT)支持探针数据包查询设备内部的状态信息，为实时的、细粒度的网络遥测提供了新思路。然而，当转发路径过长时，原始INT架构逐跳收集网络状态信息的工作方式容易造成探针数据包大小超过最大传输单元(Maximum Transmission Unit，MTU)的阈值，进而造成探针数据包分片或丢包。此外，原始INT架构仅支持单条转发路径上的网络遥测，需要进一步扩展以支持网络范围内任意转发路径的遥测。

现有技术中的一种INT方案包括：一种基本可行的全网遥测方案，即：INT-path方案，通过在用户数据报协议(User Datagram Protocol，UDP)头部上封装64字节作为源路由(Source Routing，SR)标签堆栈用来指示探针数据包依次转发的端口号(每个端口号用4比特来标记)，并在SR标签堆栈上逐跳插入22字节的INT元数据，以此完成指定转发路径的网络遥测。此外，该方案进一步开发了一种基于欧拉迹的路径规划策略，以生成数量最少的覆盖整个网络的非重叠转发路径，最终完成全网遥测。

上述现有技术中的INT方案的缺点为：

(1)探针数据包头部过长，占据了探针数据包大量的可用空间。INT-path定义的SR标签堆栈为64字节，仅SR标签堆栈一项就占据了探针数据包可用空间的4.27％。此外，还有以太网头部、IP头部、UDP头部等字段，导致探针数据包可用空间进一步减少。

(2)基于欧拉迹的路径规划策略容易产生过长的转发路径，导致探针数据包长度超过MTU。INT-path沿用原始INT架构逐跳收集网络状态信息的工作方式，因此探针数据包大小与转发路径长度成正比。当转发路径过长时，探针数据包大小很容易超过MTU的默认阈值1500字节，导致探针数据包分片或丢包。

(3)基于欧拉迹的路径规划策略难以产生长度均衡的转发路径，导致多路遥测不同步。单条转发路径的遥测时延与转发路径长度成正比，且全网遥测时延取决于最长转发路径的遥测时延。当转发路径的长度不均衡时，多路遥测的遥测时延会存在一定的差异，导致全网遥测时延加长。

(4)只能收集节点ID，Ingress端口号，Egress端口号，Egress队列深度等固定的几种网络状态信息，不支持上层应用自定义收集的网络状态信息种类，导致难以满足差异化的遥测需求。

发明内容

本发明的实施例提供了一种基于分簇的路径规划算法的按需全网遥测装置，以实现有效地克服MTU限制，进行快速按需全网遥测。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种基于分簇的路径规划算法的按需全网遥测装置，包括：

需求解析单元，用于通过收集并解析上层遥测应用下发的差异化遥测需求，得到遥测参数，将所述遥测参数传输给遥测规划单元；

遥测规划单元，用于根据遥测参数通过基于分簇的路径规划算法规划相应的转发路径，并按照基于源路由的按需转发策略为每条转发路径生成包含相应源路由标签堆栈的探针数据包，将探针数据包发送给探针收发单元；

探针收发单元，用于将探针数据包注入到网络中，并回收完成遥测任务的探针数据包，将回收的探针数据包传输给数据分析单元；

数据分析单元，用于提取探针数据包收集的网络状态信息，对网络状态信息进行分析生成遥测报告，将遥测报告提交给上层遥测应用。

优选地，所述的遥测规划单元，具体用于根据基于最小支配集的概念选取多个节点作为簇头，以从最后选出的簇头开始到最先选出的簇头结束的倒序方式为每个簇头分配簇成员，将整个网络划分为多个簇，每个簇由一个簇头和多个簇成员组成；

在分簇的基础上，将簇头作为每条转发路径的源节点或目的节点，簇头在探针数据包插入INT元数据或生成遥测报告，将簇成员作为转发节点，簇成员在转发探针数据包的同时连续插入INT元数据，在簇内生成多条从簇头开始最多经过两个簇成员回到簇头的转发路径，在相邻簇间生成多条从一个簇头最多经过两个簇成员到达另一个簇头的转发路径。

优选地，所述的遥测规划单元，具体用于按照下面的流程选择簇头：

(1)初始化簇头集合Head{}为空，候选者集合Candidate{}为全网节点集合，未访问集合Unvisited{}为全网节点集合；

(2)计算候选者集合Candidate{}中每个节点在未访问集合Unvisited{}中的邻居节点数，选择邻居节点数最大的节点，将所选节点加入到簇头集合Head{}，并从候选者集合Candidate{}中去除所选节点，同时更新未访问集合Unvisited{}，将所选节点及其邻居节点从未访问集合Unvisited{}中去除；

(3)重复步骤(2)，直到未访问集合Unvisited{}为空；

(4)返回簇头集合Head{}。

优选地，所述的遥测规划单元，具体用于利用源路由技术将每条转发路径对应的源路由标签堆栈嵌入到探针数据包中，在每个探针数据包中，以太网头部包含14字节，其中的EtherType字段设置为0x123以指示数据包是探针数据包，源路由标签堆栈包含n字节，每8比特用来标记一个端口，其中的第1比特用于标记该端口是否为最后一跳，“1”表示该端口是最后一跳，“0”表示该端口不是最后一跳，INT头部包含16比特的遥测指令，用以标记需要收集的网络状态信息，INT头部还包含多组长度不固定的INT元数据，每个INT元数据的长度与遥测指令相关。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提出了一种基于分簇的路径规划算法的按需全网遥测装置，通过生成一系列不超过4跳的覆盖全网的转发路径，并利用SR技术支持探针数据包的按需转发，在克服MTU限制、实现快速全网遥测的同时满足差异化的遥测需求。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

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的介绍，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的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于分簇的路径规划算法的按需全网遥测装置的实现原理图；

图2为本发明实施例提供的一种路径规划示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于源路由的探针数据包封装格式示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明针对转发路径过长容易导致探针数据包大小超过最大传输单元(MaximumTransmission Unit，MTU)，转发路径长度不均衡容易造成多路遥测不同步等问题，提出了一种基于分簇的路径规划算法的按需全网遥测装置。该方法旨在通过将网络分簇，在簇内生成多条从簇头开始最多经过两个簇成员回到簇头的转发路径，并在相邻簇间生成多条从一个簇头最多经过两个簇成员到达另一个簇头的转发路径，以此将转发路径的长度限制在4跳以内，并且设计了开销较小的探针数据包封装格式，支持上层遥测应用指定遥测频率、遥测对象(部分或全部节点/路径)、需要收集的网络状态信息种类等，在克服MTU限制、实现快速全网遥测的同时满足差异化的遥测需求。

本发明实施例提出的一种基于分簇的路径规划算法的按需全网遥测装置的实现原理图如图1所示，包括需求解析单元、遥测规划单元、探针收发单元和数据分析单元。

需求解析单元，用于通过收集并解析上层遥测应用下发的差异化遥测需求，得到具体的遥测参数，将遥测参数提交到遥测规划单元，上述遥测参数包括遥测频率、遥测对象(部分或全部节点/路径)、需要收集的网络状态信息种类等。

遥测规划单元，用于根据遥测参数通过基于分簇的路径规划算法规划相应的转发路径，并按照基于源路由的按需转发策略为每条转发路径生成包含相应源路由标签堆栈的探针数据包，将探针数据包发送给探针收发单元。

探针收发单元，用于将遥测规划单元生成的探针数据包注入到网络中，并回收完成遥测任务的探针数据包，将回收的探针数据包传输给数据分析单元，进一步分析处理。

数据分析单元，用于提取探针数据包收集的网络状态信息，对网络状态信息进行分析生成遥测报告，将遥测报告提交给上层遥测应用。

遥测规划单元通过基于分簇的路径规划算法和基于源路由的按需转发策略完成。下面分别做介绍。

基于分簇的路径规划算法。一方面，本发明基于最小支配集的概念选取多个节点作为簇头，然后以从最后选出的簇头开始到最先选出的簇头结束的倒序方式为每个簇头分配簇成员，由此将整个网络被划分为多个簇，每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。簇头选择的具体流程如下：

(1)初始化簇头集合Head{}为空，候选者集合Candidate{}为全网节点集合，未访问集合Unvisited{}为全网节点集合；

(2)计算候选者集合Candidate{}中每个节点在未访问集合Unvisited{}中的邻居节点数，选择邻居节点数最大的节点，将所选节点加入到簇头集合Head{}，并从候选者集合Candidate{}中去除所选节点，同时更新未访问集合Unvisited{}，将所选节点及其邻居节点从未访问集合Unvisited{}中去除；

(3)重复步骤(2)，直到未访问集合Unvisited{}为空；

(4)返回簇头集合Head{}。

另一方面，在分簇的基础上，将簇头作为每条转发路径的源节点或目的节点，簇头负责在探针数据包插入INT元数据或生成遥测报告，将簇成员作为转发节点，负责插入INT元数据并转发探针数据包。本发明实施例提供的一种簇内和簇间的路径规划示意图如图2所示，在簇内，若两个簇成员之间有连接，例如簇成员S2和簇成员S3之间存在连接L2，则从簇头S1出发依次经过簇成员S2，簇成员S3回到簇头S1，为连接L1，L2，L3生成一条转发路径S1→S2→S3→S1；若簇成员S2和簇成员S3之间不存在连接L2，则为连接L1，L3分别生成转发路径S1→S2→S1和转发路径S1→S3→S1。因此，簇内的每条转发路径不超过4跳。

在簇间，存在两个簇头之间有连接，一个簇的簇头和另一个簇的簇成员之间有连接以及一个簇的簇成员与另一个簇的簇成员之间有连接三种情况及其组合情况；若两个簇头之间有连接，例如簇头S4和簇头S5之间存在连接L4，则直接为连接L4生成一条转发路径S4→S5；若一个簇的簇头和另一个簇的簇成员之间有连接，且该簇成员与该簇头所在簇的其他簇成员之间有连接，例如簇头S4和簇成员S6之间存在连接L6，且簇成员S6和簇成员S7之间存在连接L7，则类似于簇内的处理方式，为连接L6，L7，L8生成一条转发路径S4→S6→S7→S4；若一个簇的簇头和另一个簇的簇成员之间有连接，且该簇成员与该簇头所在簇的其他簇成员之间均无连接，例如簇头S4和簇成员S6之间存在连接L6，且簇成员S6和簇成员S7之间不存在连接L7，则从簇头S4出发经过簇成员S6到达簇头S5，为连接L6，L5生成一条转发路径S4→S6→S5；若一个簇的簇成员与另一个簇的簇成员之间有连接，且一个簇成员与另一个簇成员所在簇的簇头之间均无连接，例如簇成员S6和簇成员S7之间存在连接L7，且簇头S4和簇成员S6之间不存在连接L6，则从簇头S5出发依次经过簇成员S6，簇成员S7到达簇头S4，为连接L5，L7，L8生成一条转发路径S5→S6→S7→S4。同样地，簇间的每条转发路径不超过4跳。

基于源路由的按需转发策略。为了支持探针数据包能够按照规划的转发路径进行遥测，本发明利用源路由技术将每条转发路径对应的源路由标签堆栈嵌入到探针数据包中，本发明实施例提供的一种基于源路由的探针数据包封装格式如图3所示。在每个探针数据包中，以太网头部包含14字节，其中的EtherType字段设置为0x123以指示数据包是探针数据包；源路由标签堆栈包含n字节，每8比特用来标记一个端口，其中的第1比特用于标记该端口是否为最后一跳，“1”表示该端口是最后一跳，“0”表示该端口不是最后一跳，由于每条转发路径不超过4跳，所以源路由标签堆栈最多占用4字节；INT头部包含16比特的遥测指令，用以标记需要收集的网络状态信息(例如节点ID，Ingress端口号，Egress端口号，Ingress时间戳，Egress时间戳，Egress队列深度等)，每种网络状态信息用1比特标记，“1”表示该网络状态信息需要收集，“0”表示该网络状态信息不需要收集；INT头部还包含多组长度不固定的INT元数据，每个INT元数据的长度与遥测指令相关，由于每条转发路径不超过4跳，所以INT头部中最多包含4组元数据。

当网络中的节点接收到一个数据包时，处理流程如下：

(1)首先解析以太网头部，根据EtherType字段判断该数据包是否为探针数据包；

(2)若EtherType字段不为0x123，则判断该数据包为用户数据包，直接转发该数据包；

(3)若EtherType字段为0x123，则该数据包为探针数据包，弹出一个源路由标签，并根据该源路由标签的第1比特判断该端口是否为最后一跳；

(4)若第1比特为1，则该端口为最后一跳，根据遥测指令收集相应的网络状态信息，并通过该端口将探针数据包发送至探针收发单元；

(5)若第1比特为0，则该端口不为最后一跳，根据遥测指令收集相应的网络状态信息，并通过该端口将探针数据包继续转发至下一个节点，直到最后一跳为止。

综上所述，本发明实施例设计了一种基于分簇的路径规划算法的按需全网遥测装置。该方法能够带来以下几个方面的有益效果：

1：本发明设计的方法可以作为未来网络智慧化管理的重要使能技术，促进网络自动化的发展。

2：本发明提出的基于分簇的路径规划算法能够生成一系列不超过4跳的转发路径，有效克服了MTU限制并实现了快速全网遥测。

3：本发明提出的基于源路由的按需转发策略支持上层遥测应用指定遥测频率、遥测对象(部分或全部节点/路径)、需要收集的网络状态信息种类等，满足了差异化的遥测需求。

4：本发明中的数据平面开销较小，有利于实际部署。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，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或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

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揭露的技术范围内，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的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种基于分簇的路径规划算法的按需全网遥测装置，其特征在于，包括：

需求解析单元，用于通过收集并解析上层遥测应用下发的差异化遥测需求，得到遥测参数，将所述遥测参数传输给遥测规划单元；

遥测规划单元，用于根据遥测参数通过基于分簇的路径规划算法规划相应的转发路径，并按照基于源路由的按需转发策略为每条转发路径生成包含相应源路由标签堆栈的探针数据包，将探针数据包发送给探针收发单元；

探针收发单元，用于将探针数据包注入到网络中，并回收完成遥测任务的探针数据包，将回收的探针数据包传输给数据分析单元；

数据分析单元，用于提取探针数据包收集的网络状态信息，对网络状态信息进行分析生成遥测报告，将遥测报告提交给上层遥测应用；

所述的遥测规划单元，具体用于根据基于最小支配集的概念选取多个节点作为簇头，以从最后选出的簇头开始到最先选出的簇头结束的倒序方式为每个簇头分配簇成员，将整个网络划分为多个簇，每个簇由一个簇头和多个簇成员组成；

在分簇的基础上，将簇头作为每条转发路径的源节点或目的节点，簇头在探针数据包插入INT元数据或生成遥测报告，将簇成员作为转发节点，簇成员在转发探针数据包的同时连续插入INT元数据，在簇内生成多条从簇头开始最多经过两个簇成员回到簇头的转发路径，在相邻簇间生成多条从一个簇头最多经过两个簇成员到达另一个簇头的转发路径；

所述的遥测规划单元，具体用于利用源路由技术将每条转发路径对应的源路由标签堆栈嵌入到探针数据包中，在每个探针数据包中，以太网头部包含14字节，其中的EtherType字段设置为0x123以指示数据包是探针数据包，源路由标签堆栈包含n字节，每8比特用来标记一个端口，其中的第1比特用于标记该端口是否为最后一跳，“1”表示该端口是最后一跳，“0”表示该端口不是最后一跳，INT头部包含16比特的遥测指令，用以标记需要收集的网络状态信息，INT头部还包含多组长度不固定的INT元数据，每个INT元数据的长度与遥测指令相关。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的遥测规划单元，具体用于按照下面的流程选择簇头：

(1)初始化簇头集合Head{}为空，候选者集合Candidate{}为全网节点集合，未访问集合Unvisited{}为全网节点集合；

(2)计算候选者集合Candidate{}中每个节点在未访问集合Unvisited{}中的邻居节点数，选择邻居节点数最大的节点，将所选节点加入到簇头集合Head{}，并从候选者集合Candidate{}中去除所选节点，同时更新未访问集合Unvisited{}，将所选节点及其邻居节点从未访问集合Unvisited{}中去除；

(3)重复步骤(2)，直到未访问集合Unvisited{}为空；

(4)返回簇头集合Head{}。