一种可动态配置的轻量化部署带内网络遥测方法

技术领域

本发明涉及数据中心网络中可动态配置的带内网络遥测领域，具体涉及一种可动态配置的轻量化部署带内网络遥测方法。

背景技术

在数据中心中，网络测量数据的全面收集是数据中心内高效网络管理任务的基础。准确和实时的网络测量对于在这些任务中做出关键决策至关重要，如流调度、安全防御、负载平衡和异常检测。面对当前网络流量激增的情形，传统的测量技术，如基于采样的方法具有显著误差，基于镜像的技术成本高昂，传统方法难以满足现有的测量需求。在此背景下，基于带内网络测量(In-bandNetworkTelemetry，简称INT)凭借可编程数据平面灵活可编程的特性，通过分组级测量捕获细粒度和准确的流量状态的独特优势脱颖而出。INT允许将测量元数据插入数据包以进行同时转发。这种方法实现了数据包级测量的全面网络范围可见性，为网络管理任务提供准确和细粒度的数据平面状态。

INT的这种测量特性将其焦点放在了网络信息的收集上，但忽视了在无中断条件下动态调整网络测量任务的需求。为了实现数据中心网络管理任务之间的无缝切换，动态调整In-band NetworkTelemetry(INT)所需的网络信息显得至关重要，包括添加、删除和修改，而这些操作必须在不造成任何停机的情况下执行。然而，目前的研究主要集中在应用INT测量数据、优化INT网络开销以及规划INT遥测路径上，而INT的动态重配置在数据中心环境中却是一种常见需求。具体而言，为了高效应对网络管理需求，通常需要同时进行多个INT操作，涉及拥塞控制、攻击防御和故障排除等方面。然而，目前尚缺乏专门应对INT动态重配置挑战的解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可动态配置的轻量化部署带内网络遥测方法，能有效降低网络开销。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种可动态配置的轻量化部署带内网络遥测方法，解耦了数据平面遥测操作，使用数据收集、报告上传、端口选择三个通用子模块来实现轻量级遥测，同时在控制平面利用启发式算法进行动态规划求解最优遥测路径，并提供用于定义网络测量任务的原语，来实现对底层网络遥测架构的抽象，实现了高度灵活的动态配置遥测，并显著的降低了网络开销，包括如下步骤：

(1)系统提供原语定义需求。原语涉及定义测量意图与控制遥测系统。测量意图设计涉及指定需要测量的网络指标或数据、测量应发生的条件以及这些测量的目标。

(2)根据需求规划测量路径。遥测需求系统定义了测量意图后，系统自动将遥测任务转换为遥测需求，将这些需求传递给路径规划组件，并通过该组件生成遥测配置；遥测需求系统接收到遥测任务转换的原语后，遥测需求系统整合来自所有测量任务的元数据，消除冗余需求后向路径规划组件传递数据。路径规划通过目标函数、约束变量和决策变量建立整数线性规划模型，并设计启发式算法获得接近最优的路径规划解决方案。

(3)交换机配置路径。遥测配置系统接受前一步生成的遥测配置，接收到路径规划组件规划出的遥测路径后，遥测配置系统就会将其转换为遥测配置，并部署相应的匹配动作流表。

(4)构建实时不中断机制。配置分发系统提供一个配置同步机制，机制包括原语切换与修改流表，此机制确保在不引起网络中断或故障的情况下进行对现有遥测操作更新。

(5)子模块定制遥测处理逻辑。数据平面遥测处理系统，通过结合数据收集、报告上传、端口选择三个通用子模块实施不同交换机的定制遥测处理逻辑。包括数据收集、报告上传、端口选择，与最初测量意图一致实现。能够在统一的逻辑中实现遥测，同时适应不同交换机的具体要求。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明一种可动态配置的轻量化部署带内网络遥测方法，实现了高度灵活的动态部署带内网络遥测的同时显著的降低了网络开销。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

图2为本发明实例的一种可动态配置的轻量化部署带内网络遥测方法整体流程图。

图3为路径规划示意图。

图4为数据平面处理逻辑示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

如图1所示，本发明提供了一种可动态配置的轻量化部署带内网络遥测方法，根据可编程数据平面特性对遥测操作进行解耦，实现数据收集、报告上传、端口选择三个通用子模块的轻量化遥测，并提出网络测量原语来抽象底层遥测架构的详细信息，从而在控制平面对不同遥测任务进行最优部署求解。包括如下步骤：

(1)测量意图系统提供一组原语定义测量意图与控制遥测系统；

(2)遥测需求系统定义测量意图后，遥测需求系统自动将测量任务转换为遥测需求，将这些需求传递给路径规划组件，并通过路径规划组件生成遥测配置；

(3)遥测配置系统接受步骤(2)生成的遥测配置，并将相应的匹配动作流表分发给相关网络设备；

(4)配置分发系统提供一个配置同步机制，此机制确保在不引起网络中断或故障的情况下进行对现有遥测操作更新；

(5)数据平面遥测处理系统，通过结合数据收集、报告上传、端口选择三个通用子模块实施不同交换机的定制遥测处理逻辑；与最初测量意图一致实现。

以下为本发明具体实现过程。

请参照图2，本发明包括实时和无中断的遥测配置、在线路径规划、数据平面处理逻辑三个部分。

(1)实时和无中断的遥测配置

本发明方法为网络运营商提供了一组原语，以自动生成数据平面遥测配置，以满足网络运营商的测量意图。表1给出了原语列表，其中第一类原语用于定义测量意图，第二类用于控制遥测系统。

表1

在接收到Telemetryupdate()原语后，遥测需求系统有效地整合了所有遥测任务的元数据，消除了冗余需求。接下来将测量要求传输到路径规划组件，以确定最佳的遥测路径。遥测配置系统一旦接收到遥测路径，就会将其转换为遥测配置，并部署相应的匹配动作流表。遥测配置系统采用了一种动态配置变化策略(参见算法1)，允许实时适应新的配置，确保平稳过渡，并避免对正在进行的遥测操作的干扰。遥测配置系统系统通过添加、删除和修改动作匹配流表条目来修改数据平面中的遥测配置来实现这一点。

(2)在线路径规划

如图3所示，本发明方法提供了在遥测需求中接近最优的路径，表2为路径规划组件符号含义。

表2路径规划组件符号含义

规划目标

对于优化框架，最终目标是找到一组路径P，使P中的路径至少遍历图G(V，N)中的所有边缘节点和顶点至少一次，并使P中路径的总代价最小化，目标具体表述如下：

约束

在优化框架中，确保每个顶点或边缘节点至少经过一条路径,即

在优化框架中，路径权重计算考虑路径上现有权重所造成的传输开销,即

在优化框架中，路径通过一个顶点或边缘节点后，权重设为最大值，避免重复收集，即

算法2定义了getPath函数，用于路径规划第1-16行)。该函数基于启发式规则利用递归方法，在给定的图G中找到尽可能接近最优的路径。然后，该算法遍历图G中的所有边节点，并根据它们的权重对它们进行排序(第17-23行)。最后，该算法从权值最小且尚未被访问的边缘节点开始启动一个循环。它调用getPath函数来查找一个路径，直到所有的边缘节点都被访问过(第24-35行)。

(3)数据平面处理逻辑

如图4，数据平面处理逻辑分为数据收集、报告上传和端口选择。

A、数据收集：系统通过重构INT的遥测架构，将所有交换机视为相同的类型，实现统一的遥测逻辑。每个交换机根据特定的网络管理任务自主决定包含哪个INT元数据。同时在P4程序中为不同的INT元数据设置相应的报头信息，可动态地确定是否需要通过交换机的匹配动作表(MAT)中的表条目来收集特定的元数据。为了确保所有元数据都满足P4中头字段为8的倍数的要求，我们将不兼容的头字段归零。为了关联入口和出口接口标识符的需求，我们对两者都使用单个头字段，每个字段设置为12位。此外，我们为“队列长度”分配24位，为“队列标识符”分配8位。

B、报告上传：考虑任何执行上传操作的交换机，包括遥测数据包尚未到达目的地的中间交换机和目的地交换机本身。

C、端口选择：对遥测数据包设计了一个单独的控制转发逻辑。该控制转发逻辑根据遥测数据包的类型和标识符来确定它们的转发规则和端口。在控制转发逻辑中，有三个动作：丢包、单播和多播。丢包：遥测包在交换机处丢弃，表明其生命周期已结束，无需进一步转发。单播：根据控制平面确定的单播路由路径，将遥测数据包转发到特定的目标交换机。多播：根据控制平面确定的路由路径，将遥测数据包复制并转发到多个目标交换机。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。