基于流類型的SDN數(shù)據(jù)平面故障恢復(fù)算法

段 潔，高江明，程克非，趙國鋒，韓 健

(1.重慶郵電大學(xué) 未來網(wǎng)絡(luò)研究中心，重慶 400065；2.重慶郵電大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究所，重慶 400065)

0 引 言

云計(jì)算[1]、大數(shù)據(jù)[2]等互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)的出現(xiàn)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)流量迅速增加。尤其數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)(data center networking，DCN)東西向流量急劇增加，對(duì)核心層鏈路負(fù)載提出了嚴(yán)峻考驗(yàn)[3]。因此，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在流量管理、可擴(kuò)展性、鏈路故障恢復(fù)等方面的局限性日益突出。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)(software defined networking,SDN)是一種新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，被廣泛部署于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，其核心思想是將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制平面和數(shù)據(jù)平面進(jìn)行分離、實(shí)現(xiàn)邏輯上的集中式控制[4]。因此，SDN網(wǎng)絡(luò)故障分為控制平面故障和數(shù)據(jù)平面故障：控制平面故障可以是組件故障、計(jì)算能力不足等；數(shù)據(jù)平面故障是網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)/鏈路出現(xiàn)故障，需要在所能容忍的故障恢復(fù)時(shí)延范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)故障的快速恢復(fù)，并盡量減少數(shù)據(jù)包的丟失等[5]。

目前對(duì)SDN網(wǎng)絡(luò)故障的研究集中在數(shù)據(jù)平面，且處理故障的方法分為主動(dòng)式和被動(dòng)式：①主動(dòng)式故障恢復(fù)：為網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流計(jì)算一條備份路徑，將備份路徑轉(zhuǎn)換為流表項(xiàng)并下發(fā)到對(duì)應(yīng)交換機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)；②被動(dòng)式故障恢復(fù)：當(dāng)交換機(jī)/鏈路出現(xiàn)故障，故障交換機(jī)發(fā)送Packet_In數(shù)據(jù)包給控制器，控制器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息為故障流重新計(jì)算一條工作路徑，并將工作路徑轉(zhuǎn)換為流表項(xiàng)下發(fā)給相應(yīng)的交換機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)，交換機(jī)根據(jù)流表項(xiàng)對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行傳輸。

文獻(xiàn)[6]是在不考慮任何約束的情況下，為網(wǎng)絡(luò)中每條數(shù)據(jù)流都計(jì)算備份路徑，此方案可以保證故障的快速恢復(fù)，但可能會(huì)導(dǎo)致鏈路擁塞、數(shù)據(jù)包丟失、且消耗大量交換機(jī)流表項(xiàng)。文獻(xiàn)[7]首先對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行收集和分析，標(biāo)識(shí)出大象流；然后只對(duì)大象流計(jì)算備份路徑，除此以外的數(shù)據(jù)流將不再計(jì)算備份路徑。此方案可以節(jié)約流表項(xiàng)，但還是沒有考慮鏈路負(fù)載的問題。

為了更靈活地處理鏈路故障，SDN工作組提出了組表的概念，組表由唯一的組ID、組類型和行動(dòng)存儲(chǔ)段組成。組表類型設(shè)置為Fast Failover，行動(dòng)存儲(chǔ)段(action buckets)可以存儲(chǔ)多個(gè)行動(dòng)指令，為受影響的流存儲(chǔ)主路徑和備份路徑，故障發(fā)生后，交換機(jī)自動(dòng)將故障流轉(zhuǎn)移到備份路徑進(jìn)行傳輸。文獻(xiàn)[8]是利用組表的行動(dòng)存儲(chǔ)段來存儲(chǔ)多個(gè)動(dòng)作指令，當(dāng)?shù)?個(gè)指令失效后去執(zhí)行第2個(gè)指令，此方案可以節(jié)約交換機(jī)存儲(chǔ)資源，但沒有負(fù)載調(diào)節(jié)能力，容易產(chǎn)生鏈路擁塞。文獻(xiàn)[9-10]考慮了網(wǎng)絡(luò)資源與用戶請(qǐng)求之間的關(guān)系，根據(jù)用戶請(qǐng)求數(shù)據(jù)流大小計(jì)算備份路徑，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的最大化吞吐量和滿足用戶帶寬需求的限制。

本文為了滿足用戶的定制化需求和體現(xiàn)數(shù)據(jù)流的差異化特性，提出了基于流類型的SDN數(shù)據(jù)平面故障恢復(fù)算法。該方案是不同數(shù)據(jù)流在滿足約束和實(shí)現(xiàn)用戶的定制化需求情況下，對(duì)不同數(shù)據(jù)流采用不同故障恢復(fù)方法。

1 網(wǎng)絡(luò)模型

本文用無向圖G=(S,E)表示SDN網(wǎng)絡(luò)，s是交換機(jī)集合S中的元素，e是鏈路集合E中的元素。其余符號(hào)及意義如表1所示。

表1 符號(hào)及意義Tab.1 Signs and meanings

流備份圖如圖1所示。圖1中有7個(gè)交換機(jī)和9條鏈路，每條鏈路帶寬是10個(gè)單位，數(shù)據(jù)流的大小見圖1。圖1a是數(shù)據(jù)流傳輸?shù)某跏紶顟B(tài)，為了防止鏈路出現(xiàn)故障，已有研究工作是為每條流的工作路徑上每條鏈路都作備份路徑，且沒有考慮備份路徑是否會(huì)對(duì)鏈路產(chǎn)生擁塞，圖1b是備份路徑的一種情況。

已有研究工作是為每條數(shù)據(jù)流都計(jì)算備份路徑，但由于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流數(shù)量眾多，將消耗巨大的流表項(xiàng)。因此，本文是對(duì)鏈路上數(shù)據(jù)流作備份路徑，同時(shí)由于組表可以存儲(chǔ)多個(gè)行動(dòng)指令，所以，在計(jì)算備份路徑時(shí)可以將行動(dòng)指令存儲(chǔ)在組表的行動(dòng)存儲(chǔ)段里面，以此來減少流表項(xiàng)的消耗；不同數(shù)據(jù)流對(duì)服務(wù)質(zhì)量有不同要求，因此，需要設(shè)計(jì)具有差異化的故障恢復(fù)方法。通過仿真證明，本方法可以減少交換機(jī)流表項(xiàng)消耗、故障恢復(fù)時(shí)延、數(shù)據(jù)包丟失率。

圖1 流備份圖Fig.1 Flow backup diagram

2 SDN數(shù)據(jù)平面故障恢復(fù)算法

由于數(shù)據(jù)流具有差異化的服務(wù)質(zhì)量要求，因此，在作備份路徑時(shí)需要有所側(cè)重；同時(shí)某些數(shù)據(jù)流在傳輸?shù)臅r(shí)候也被加入了一些定制化的需求。本文提出了基于流類型的SDN數(shù)據(jù)平面故障恢復(fù)算法：首先將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流按照服務(wù)質(zhì)量要求進(jìn)行分類；然后根據(jù)數(shù)據(jù)流定制化需求和約束條件為不同類型數(shù)據(jù)流制定相應(yīng)的備份路徑選擇策略。

2.1 流的分類

實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流會(huì)有不同的要求，比如在線直播就需要傳播速度快、播放流暢等要求；大文件傳輸需要提供足夠帶寬，減少數(shù)據(jù)包分步傳輸數(shù)量。因此，本文根據(jù)服務(wù)質(zhì)量要求將數(shù)據(jù)流分為3類；①時(shí)延敏感業(yè)務(wù)(delay flow, FD)：對(duì)時(shí)間要求高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的業(yè)務(wù)，如語音業(yè)務(wù)、視頻交互業(yè)務(wù)等；②吞吐量敏感業(yè)務(wù)(throughput flow, FT)：對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬有較大要求，不重點(diǎn)關(guān)注時(shí)延的影響，如視頻點(diǎn)播業(yè)務(wù)、海量數(shù)據(jù)文件傳輸業(yè)務(wù)等；③盡力而為業(yè)務(wù)：對(duì)時(shí)延和吞吐量都沒有特殊要求的數(shù)據(jù)流業(yè)務(wù)可以歸于此類。

由于運(yùn)營商/用戶對(duì)某些數(shù)據(jù)流有固定的定制化需求[11]，因此，在部分?jǐn)?shù)據(jù)流上綁定了一些定制化需求，例如故障恢復(fù)時(shí)延要求小于50 ms，對(duì)數(shù)據(jù)流負(fù)載進(jìn)行限制等。具體情況如表2所示。

2.2 基于流類型的故障恢復(fù)方法

本文算法總體流程圖如圖2所示。

首先在端主機(jī)處對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行類型識(shí)別并標(biāo)識(shí)和判斷數(shù)據(jù)流類型；然后根據(jù)判斷的不同類型數(shù)據(jù)流調(diào)用不同備份路徑計(jì)算方法；最后將產(chǎn)生的備份路徑轉(zhuǎn)換為流表項(xiàng)并下發(fā)到相應(yīng)的交換機(jī)上進(jìn)行存儲(chǔ)。以下分別對(duì)不同數(shù)據(jù)流的備份路徑計(jì)算進(jìn)行詳細(xì)介紹。

表2 定制化需求介紹Tab.2 Customize requirement introduction

圖2 流程圖Fig.2 Flow chart

2.2.1 時(shí)延敏感業(yè)務(wù)

時(shí)延敏感業(yè)務(wù)是指運(yùn)營商/客戶對(duì)故障恢復(fù)時(shí)間要求非常短或?qū)收虾翢o察覺。對(duì)于此類數(shù)據(jù)流需要采用主動(dòng)式策略進(jìn)行備份路徑計(jì)算，即在滿足一定約束的情況下，以鏈路為主，為鏈路上的所有時(shí)延敏感業(yè)務(wù)作相同的備份路徑，且不考慮備份流量對(duì)鏈路帶寬的占用，即這條鏈路出現(xiàn)故障，時(shí)延敏感業(yè)務(wù)將沿著提前作好的備份路徑進(jìn)行傳輸。其中，{?(e,f)|xf,e=1}表示在鏈路e上需要為流f作備份路徑，反之，不需要作備份路徑；對(duì)于那些不能通過的鏈路集合用{f.avoidV|?e∈V,xf,e=0}表示。

此類型數(shù)據(jù)流考慮的目標(biāo)及約束條件為

約束

(1)

由于時(shí)延敏感業(yè)務(wù)對(duì)故障恢復(fù)時(shí)延有嚴(yán)格要求，因此，對(duì)于重要鏈路上的備份路徑可以計(jì)算第2條備份路徑。如何選擇重要鏈路及如何計(jì)算備份路徑是后續(xù)研究工作中值得關(guān)注的方向。圖3是鏈路故障后的備份路徑執(zhí)行過程。

圖3 時(shí)延敏感業(yè)務(wù)備份路徑Fig.3 Delayed sensitive service backup path

如果圖3中的數(shù)據(jù)流F1是多條時(shí)延敏感業(yè)務(wù)組成的集合，此數(shù)據(jù)流的工作路徑是，由于不考慮鏈路剩余帶寬的限制，因此，為鏈路上所有時(shí)延敏感業(yè)務(wù)所作備份路徑是鏈路，鏈路上所有時(shí)延敏感業(yè)務(wù)所作備份路徑是鏈路，實(shí)際情況見圖3。其中的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則存儲(chǔ)在相應(yīng)交換機(jī)的組表上，例如交換機(jī)A上為F1集合所作的備份路徑轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則見圖3。數(shù)據(jù)包的正常傳輸是從端口3轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)鏈路出現(xiàn)故障，將從端口4轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)際轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則存儲(chǔ)如圖所示，其余交換機(jī)組表的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則相同。

2.2.2 吞吐量敏感業(yè)務(wù)

吞吐量敏感業(yè)務(wù)是指數(shù)據(jù)流對(duì)帶寬需求比較大，對(duì)此類數(shù)據(jù)流的要求是沒有或很少有數(shù)據(jù)包的丟失，保證數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量。為此類數(shù)據(jù)流作備份路徑時(shí)，需要考慮減少數(shù)據(jù)包多路分發(fā)傳輸,即讓同一數(shù)據(jù)流在一條路徑上傳輸完成，而不是在多條路徑上按分割比例傳輸。所以計(jì)算備份路徑時(shí)應(yīng)考慮鏈路剩余帶寬與流大小之間的關(guān)系，為此類數(shù)據(jù)流提前在備份路徑上預(yù)留出足夠的帶寬，且此備份路徑是與工作路徑?jīng)]有交集的路徑，除了流f的源、目的節(jié)點(diǎn)外。

為此類數(shù)據(jù)流計(jì)算備份路徑時(shí)，尋找的是一條全新的路徑，且要考慮鏈路剩余帶寬與數(shù)據(jù)流的大小。因此，在計(jì)算備份路徑時(shí)，需要滿足的約束條件為

(2)

約束1)是鏈路e上傳輸?shù)牧髁考由蟼浞萘髁恐托∮诘扔谠O(shè)置的鏈路閾值，即需要考慮備份數(shù)據(jù)流占用帶寬；約束2)是交換機(jī)s上原存儲(chǔ)資源消耗加上備份數(shù)據(jù)流資源消耗之和小于等于交換機(jī)存儲(chǔ)容量；約束3)保證工作路徑與備份路徑?jīng)]有鏈路相交，除了數(shù)據(jù)流f的源、目的節(jié)點(diǎn)相同，即尋找一條全新的路徑作為備份路徑；約束4)是備份路徑上傳輸數(shù)據(jù)流所用時(shí)間要小于等于數(shù)據(jù)流的定制化故障恢復(fù)時(shí)間限制。鏈路故障后的備份路徑執(zhí)行過程如圖4所示。

如果圖4中的數(shù)據(jù)流F3是吞吐量敏感業(yè)務(wù)，需要為F3計(jì)算一條全新的路徑作為備份路徑。考慮到F3的大小與路徑的剩余帶寬關(guān)系，為此類數(shù)據(jù)流所作備份路徑是，此備份路徑除了源、目的節(jié)點(diǎn)相同，其余節(jié)點(diǎn)都不同。如果F3的工作路徑上有任何一條鏈路出現(xiàn)故障，那么數(shù)據(jù)流將按照備份路徑進(jìn)行傳輸，實(shí)際情況見圖4。其中的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則存儲(chǔ)在相應(yīng)交換機(jī)的組表上，只有交換機(jī)A上的組表存儲(chǔ)了2個(gè)行動(dòng)指令，交換機(jī)F，G上的組表分別只有一個(gè)行動(dòng)指令。

圖4 吞吐量敏感業(yè)務(wù)備份路徑Fig.4 Throughput sensitive service backup path

2.2.3 盡力而為業(yè)務(wù)

盡力而為業(yè)務(wù)是除了時(shí)延和吞吐量敏感業(yè)務(wù)之外的沒有特別要求的業(yè)務(wù)。對(duì)于此類業(yè)務(wù)，為了節(jié)約交換機(jī)的存儲(chǔ)空間，將不會(huì)對(duì)此類數(shù)據(jù)流作任何的備份路徑，采用的是被動(dòng)式故障恢復(fù)策略。當(dāng)交換機(jī)/鏈路出現(xiàn)故障后，由控制器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⑦M(jìn)行重路由計(jì)算，并生成流表項(xiàng)下發(fā)到相應(yīng)的交換機(jī)，然后根據(jù)此流表項(xiàng)傳輸數(shù)據(jù)流。在計(jì)算備份路徑時(shí)，由于不存在備份流量的影響，因此，需要考慮的約束是(1)式中的約束1)和約束2)，即鏈路帶寬和交換機(jī)存儲(chǔ)資源的限制。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中首次產(chǎn)生數(shù)據(jù)流時(shí)，交換機(jī)會(huì)向控制器請(qǐng)求計(jì)算工作路徑，在計(jì)算工作路徑時(shí)，同時(shí)判斷此數(shù)據(jù)流屬于什么類型，并根據(jù)不同類型分別計(jì)算備份路徑，數(shù)據(jù)流的備份路徑算法具體步驟如下。

Input:G=(S,E),f，α

Step1DF=0,TF=0 //DF：時(shí)延流為空，TF：吞吐量流為空

Step2 while (f.newFlow) //f是新的流

if (f∈FD)DF=f

return to Step3

if (f∈FT)TF=f

return to Step4

else while (f. linkFailure)

WPf=f. recomputeWPf

foreach (e∈WPf)

return WPf

Step3BPF=0

foreach (einG=(S,E))

Floyd (esrc,edst)

if (esatisfy (1)中約束)

BP. add (e) //e添加到BPf中

returnBPf

BPf.add(e)

returnBPf

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生了新的數(shù)據(jù)流，首先判斷數(shù)據(jù)流類型并加入到對(duì)應(yīng)的集合中；然后調(diào)用對(duì)應(yīng)方法計(jì)算備份路徑，對(duì)盡力而為業(yè)務(wù)是返回工作路徑，其余2種數(shù)據(jù)流是返回備份路徑。在確定了備份路徑后，控制器會(huì)向相應(yīng)的交換機(jī)下發(fā)流表項(xiàng)，并實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中交換機(jī)和鏈路狀態(tài)信息，為控制器做出決策提供信息參考。

3 實(shí)驗(yàn)仿真

本部分通過實(shí)驗(yàn)對(duì)所提算法進(jìn)行有效性驗(yàn)證。所選對(duì)比方法分別是為所有數(shù)據(jù)流作備份路徑和根據(jù)鏈路等級(jí)不同設(shè)計(jì)備份路徑策略，并對(duì)不同算法的性能指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。

3.1 仿真拓?fù)?/h3>

實(shí)驗(yàn)采用的是Mininet仿真平臺(tái)，Mininet是一款輕量級(jí)軟件定義網(wǎng)絡(luò)仿真及測(cè)試平臺(tái)，利用此平臺(tái)可以模擬出任意的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。實(shí)驗(yàn)采用的仿真拓?fù)鋱D如圖5所示，由9個(gè)交換機(jī)和14條鏈路組成，圈中的數(shù)字表示交換機(jī)序號(hào)，每條鏈路的帶寬都是1 Gbit/s，鏈路上的數(shù)字表示交換機(jī)之間的距離。交換機(jī)7，8上分別連接了2個(gè)主機(jī)，交換機(jī)1，4上分別連接了4個(gè)主機(jī)，主機(jī)之間是可以相互連接和通信。

圖5 仿真拓?fù)鋱DFig.5 Simulation topology

3.2 仿真結(jié)果與分析

為了對(duì)所提算法進(jìn)行驗(yàn)證，本文選擇了目前比較普遍的故障恢復(fù)方法[12](fast recovery approach, FRA)和基于備份資源的故障恢復(fù)方法[13](backup-resource based failure recovery, BR-FR)。本實(shí)驗(yàn)的鏈路閾值率根據(jù)帶寬預(yù)留限制取值為0.8 (α=0.8)，即鏈路帶寬利用率達(dá)到了0.8以上就認(rèn)為鏈路出現(xiàn)了擁塞。

不同故障恢復(fù)方法的交換機(jī)流表項(xiàng)消耗數(shù)量如圖6所示。從圖6可以看出，在數(shù)據(jù)流較少的情況下，F(xiàn)R-FT和FRA幾乎一樣，BR-FR有一定優(yōu)勢(shì)。但隨著數(shù)據(jù)流增多，F(xiàn)R-FT表現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢(shì)。這是由于FRA是為每個(gè)數(shù)據(jù)流都作備份路徑，BR-FR是為重要鏈路計(jì)算2條備份路徑。本方案對(duì)于時(shí)延敏感業(yè)務(wù)是以鏈路為主來計(jì)算備份路徑，對(duì)同一鏈路上所有時(shí)延敏感業(yè)務(wù)作的備份路徑都是相同的，這是本方案節(jié)約交換機(jī)流表項(xiàng)消耗的重要原因。

圖6 流條目消耗數(shù)量Fig.6 Consume number of entry

不同算法的鏈路故障恢復(fù)時(shí)延如圖7所示。從圖7可以看出，開始階段故障恢復(fù)時(shí)間幾乎一樣，但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流增加時(shí)，鏈路負(fù)載率也隨之增加，BR-FR和FRA的故障恢復(fù)時(shí)延比較久，這是由于BR-FR和FRA只是作備份路徑，沒有考慮網(wǎng)絡(luò)鏈路負(fù)載的實(shí)時(shí)性變化。本文方法考慮到了吞吐量敏感業(yè)務(wù)的備份數(shù)據(jù)流對(duì)鏈路的影響。

圖7 故障恢復(fù)時(shí)延時(shí)間Fig.7 Fault recovery latency time

網(wǎng)絡(luò)鏈路出現(xiàn)故障后的數(shù)據(jù)包丟失率如圖8所示。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)重要鏈路數(shù)較少時(shí)，幾乎沒有數(shù)據(jù)包的丟失，其中，重要鏈路本文指的是鏈路利用率達(dá)到0.6的鏈路。隨著重要鏈路數(shù)的增多，數(shù)據(jù)包的丟失率都有明顯的增加。本文方法考慮到了部分備份數(shù)據(jù)流對(duì)鏈路負(fù)載的影響，因此，數(shù)據(jù)包的丟失量相對(duì)較少。尤其重要鏈路數(shù)越多，故障可能性越大，因此，F(xiàn)R-FT的優(yōu)勢(shì)就更加明顯。

圖8 數(shù)據(jù)包丟失率Fig.8 Packet loss rate

4 結(jié)束語

本文針對(duì)現(xiàn)有SDN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)平面故障恢復(fù)算法在鏈路備份方面沒有對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行分類及考慮運(yùn)營商定制化需求的缺陷，提出了基于流類型的SDN數(shù)據(jù)平面故障恢復(fù)算法，并對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證。該方法首先將數(shù)據(jù)流劃分為3類不同服務(wù)要求的類型，并對(duì)不同類型的數(shù)據(jù)流分別建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型；然后根據(jù)運(yùn)營商/客戶定制化需求及不同數(shù)據(jù)流的約束條件提出不同的故障恢復(fù)策略，實(shí)現(xiàn)不同服務(wù)類型流之間的差異化。仿真結(jié)果表明，本方法可以減少故障恢復(fù)時(shí)延、數(shù)據(jù)包丟失率等。

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(編輯：王敏琦)