[發明專利]可編程控制的SDN網絡測量系統和測量方法

有效

• 申請號: 201410074572.4
• 申請日: 2014-03-03
• 公開（公告）號: CN103795596B
• 公開（公告）日: 2017-05-24
• 發明（設計）人: 王文東;龔向陽;闕喜戎;羅瑞龍
• 申請（專利權）人: 北京郵電大學
• 主分類號: H04L12/26
• 分類號: H04L12/26;H04L12/947
• 代理公司: 北京德琦知識產權代理有限公司11018
• 代理人: 夏憲富

技術領域

本發明涉及一種用于軟件定義網絡SDN(Software Defined Network)的可編程控制的網絡測量系統和測量方法，確切地說，本發明的SDN網絡測量系統充分適應并利用了可軟件定義的特性，以及控制與轉發相分離、網絡控制器集中控制的特點，再對網絡控制器和交換機的功能進行擴展，能夠實現對網絡上的任一路徑執行多項性能指標的測量和分析，從而為現有的SDN網絡提供了一種可編程控制的網絡測量系統和測量方法，屬于網絡測量的技術領域。

背景技術

隨著網絡信息技術的快速發展，互聯網已經成為世界上不可或缺的重要基礎設施，它給人們的學習、生產、工作、生活、乃至娛樂、休閑等都帶來了巨大的便利和豐富的內涵。但是，在互聯網日益復雜、體積日趨龐大的背景下，人們對網絡的性能要求也隨之日益提高。如何對網絡的各個方面作出客觀的評價，提高網絡性能，進而為用戶提供高質量的服務，滿足不同的網絡應用以及網絡使用者的需求，不僅意義重大，而且，非常必要。

網絡測量是采用設定的方法和技術，通過軟件或硬件工具來測試網絡的運行狀態、表征網絡特性的一系列測試活動的總和。網絡測量對于掌握網絡的整體運行狀況，改善網絡性能具有非常重要的作用。通過網絡測量，網絡管理人員能夠獲得各種各樣的網絡性能參數，例如：傳輸時延、丟包率、帶寬等，不同的性能參數反映了網絡不同方面的性能。這些性能參數對指導網絡管理人員的日常工作非常有幫助，可以幫助他們了解網絡行為，發現網絡可能存在的擁塞，提高網絡資源利用率。

軟件定義網絡SDN(Software Defined Network)是美國斯坦福大學提出的一種新型網絡架構，SDN的設計理念是將網絡的控制平面與數據轉發平面進行分離，并且實現可編程化的控制。

基于OpenFlow協議的OpenFlow網絡是SDN的一種實現方式。參見圖1所示：OpenFlow網絡的組成結構主要包括網絡控制器和底層交換機。其中，網絡控制器可視為網絡操作系統，具有全局視野，對底層交換機執行集中管理和控制。網絡用戶可以使用網絡控制器向上層業務提供的標準SDN API進行編程，也就是使用軟件定義的方式開發網絡應用。底層交換機不具備任何網絡智能，它只負責根據網絡控制器下發的流表對數據包執行解析、匹配和轉發等操作。

目前，關于SDN的網絡測量主要有以下幾種現有技術：

(1)采用傳統的網絡測量方法進行測量：可以采用主動測量或者被動測量的方式對網絡性能指標進行測量，例如：通過主動發送Internet控制報文協議ICMP(Internet Control Message Protocol)探測分組來獲得網絡時延、分組丟包率與連通性等參數，或者在網絡關鍵節點上部署測量裝置捕獲數據分組，并進行統計分析，從而獲得網絡狀態和性能指標。傳統的網絡測量方法雖然很多，但是，這些方法都不能利用SDN網絡集中控制的特點。

(2)基于OpenFlow交換機保存的關于流表、流表項和端口等原始統計信息的測量：根據OpenFlow說明書，控制器可以通過查詢各個交換機中的統計信息，了解網絡的性能狀況，這是一種被動測量的方式。如果采用這種方式，當需要獲得大量網絡信息時、或者需要實時獲取網絡信息時，就會引入巨大的額外負載，導致控制器的處理能力以及控制器和交換機之間的通信能力成為網絡的瓶頸，嚴重影響OpenFlow網絡本身的各項性能；此外，這種測量方式對網絡的整體理解和網絡端到端行為的理解將會很困難。

(3)Ofpeck——另一種用于測量OpenFlow網絡性能的方案：它采用主動測量的方式，并且可以單獨運行在任意一個與OpenFlow交換機相連接的機器上，Ofpeck使用一些簡單的工具(例如ping和wget)收集一些關于網絡性能的參數。主要參數有以下幾個：

Flow Setup Time(流表建立時間)：在OpenFlow交換機中，當一個數據包到達后，就開始提取匹配項進行流表匹配。匹配失敗時，交換機會上報控制器并等待控制器下發新的流表項，為其所表示的數據流建立新的傳輸路徑。這個過程的持續時間就是Flow Setup Time。在OpenFlow網絡中，Flow Setup Time是一個非常重要的網絡性能指標，既用于衡量交換機對數據包的處理能力，又能夠體現交換機和控制器之間的信息交互過程。Ofpeck方案中，通常是每間隔10秒執行一次ping操作來測量該指標。

RTT(往返時延)和Loss Rate(丟包率)：Ofpeck方案中，通過每間隔1秒執行一次ping操作，用于測量到指定主機的往返時延和丟包率。