一种基于混合SDN的网络资源池拥塞控制框架及控制方法

技术领域

本发明属于网络控制技术领域，具体涉及一种基于混合SDN的网络资源池拥塞控制框架及控制方法。

背景技术

传统的TCP端到端拥塞控制，由于是基于丢包与超时的反馈机制来调节数据发送速率，当端到端的路径上存在瓶颈链路时，如果发送方数据发送速率大于瓶颈链路的转发速率，则会存在丢包情况，此时根据丢包反馈发送端将通过拥塞控制最终使发送方速率收敛于瓶颈链路的转发速率，无法充分利用链路资源，且传统端到端的TCP流无法通过绕行路由实现网络资源的充分利用，其次TCP拥塞控制基于RTT(往返时延)来对数据的发送速率进行调控，具有不同RTT的TCP流拥有不统一的发送速率增长速度，从而导致不同RTT流的公平性无法保证，最终拥有较长RTT的TCP流拥有低于公平值的发送速率，延长了流完成时间。

为了充分利用网络资源，克服端到端的基于丢包与超时反馈的低效性并提高不同流之间的带宽占用公平性，有现有技术考虑到为中间路由的各个接口增加额外的存储空间，每个接口的缓存空间设置上下占用阈值，当网络通畅时，路由器使用链路最大发送速率直接转发接受到的数据；如果路由器的数据接收速率大于数据输出速率，则当前路由器暂时缓存无法及时转发的数据，并寻找是否存在可绕行路径(此处采用一跳绕行路径)，利用绕行路径尽快转发当前不能及时转发的数据；当路由器的缓存空间的使用率超过阈值上限时，接口状态转换为拥塞状态，利用数据确认包(ACK数据包)逐跳向上游路由反馈拥塞通知，上游路由收到拥塞通知后缓存将要到达拥塞接口的数据包，从而控制数据包的转发速率，逐跳反馈的拥塞通知最终可传送到数据发送端，此时可从发送端抑制数据的发送速率，实现上游路由共享的存储空间与可控的发送速率。当路由接口缓存占用低于下限阈值时接口脱离拥塞状态，接口向上游路由传送取消拥塞的通知，使得上游链路恢复最大转发速率。

通过上述方法，发送方使用最大的发送速率，而不考虑瓶颈链路的速率，实现了更好的公平性和流的稳定性；数据发送速率不再局限于瓶颈链路的速率，提高了数据传输速率，缩短了流完成时间；路由器之间共享存储空间、实现流量绕行，提高了网络资源的利用率；利用逐跳即时反馈的方式与基于丢包与超时的反馈方式相比，提高了反馈效率。

虽然使用给路由器接口添加额外缓存的方法相对于传统拥塞控制算法来说提供了许多优势，但是现有的技术仅使用一跳的绕行路径，并没有充分的利用网络中的多跳绕行路径资源。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明使用混合SDN技术，实现一个网络控制中心，通过SDN技术框架中的网络监测技术可以较好的了解全局网络拓扑信息和链路带宽信息，通过对全局网络的感知可以较好的实现数据流量的多跳绕行。

本发明的技术方案如下：

一种基于混合SDN的网络资源池拥塞控制框架，采用混合路由节点形成混合SDN架构，利用SDN控制器对资源池拥塞进行控制，从而达到对网络的集中控制和网络状态的监测，所述混合路由节点3个功能模块包括：

路由协议控制模块，用于实现传统路由器的转发表生成功能；

OpenFlow交换机模块，实现与SDN控制器的交互与流表转发功能；

数据转发模块，根据转发规则转发数据。

进一步地，混合SDN架构控制规则包括：

当数据输入时，数据首先输入OpenFlow交换机模块，对输入数据进行流表匹配；如果数据流成功匹配流表项则直接使用数据转发模块转发数据；如果数据流没有匹配流表项则数据将流向路由协议控制模块，利用传统的路由协议生成路由转发表，根据路由转发表对数据进行转发。

一种基于混合SDN的网络资源池拥塞控制框架的控制方法，控制方法包括如下步骤：

(1)SDN控制器与路由节点建立连接，获取网络拓扑信息和链路带宽信息；

(2)判断路由接口是否存在拥塞，当路由接口不存在拥塞时，以链路最大发送速率转发数据；当路由接口拥塞时，路由发送异步消息到SDN控制器请求绕行路径，同时拥塞路由向上游路由反馈拥塞信息；

(3)SDN控制器根据网络拓扑信息和链路带宽信息生成绕行路径，同时上游路由缓存流向下游节点的数据流量；

(4)SDN控制器生成流表下发给绕行路径上的每一个路由，同时发送端降低发送速率；

(5)拥塞路由使用绕行路由转发缓冲区中的数据；

(6)路由接口跳出拥塞状态后通知SDN控制器，SDN控制器删除绕行流表项；

(7)上游路由取消缓存，继续以最大速率转发数据。

进一步地，在所述步骤(1)中，

使用LLDP协议采取主动测量的方法获取网络拓扑信息，通过SDN控制器周期性的下发LLDP数据包，根据路由器端口返回的数据包，计算出当前网络的拓扑情况；

获取的链路带宽信息为网络链路剩余带宽信息，采用被动测量法，SDN控制器通过OpenFlow协议查询路由的计数器统计信息，路由返回流经端口的数据流的转发Bytes(字节数)，通过同一时间周期T的n次和n+1次探测，则可得出单位时间内的数据吞吐率Through的大小，数据吞吐率的计算公式如下所示：

进一步地，在所述步骤(2)中，根据路由器的接口缓存占用量判断路由接口是否存在拥塞，当路由器的接口缓存占用量没有达到上限阈值时，表示数据传输过程中没有发生拥塞；当路由器接口的缓存占用量超过上限阈值时，表示数据传输过程中存在拥塞，此时当前路由接口状态变为拥塞状态。

进一步地，在所述步骤(3)中，绕行路径的计算使用所获得的网络拓扑信息和链路带宽信息，将当前网络设为G＝(V,E)，V为网络中所有节点的集合，E为拓扑中所有链路的集合，使用链路利用率θ表示拓扑中链路的权值，Bandwidth表示链路的带宽大小，链路计算公式如下所示：

根据网络拓扑与对应链路上的权值信息，SDN控制器使用单源最短路径算法计算绕行路径。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

通过SDN控制器感知全局网络拓扑信息可以更好的判断网络拥塞情况，为拥塞接口指定更加合理的多跳绕行路径，既提高了网络资源利用率又提高了拥塞接口缓解效率；同时利用SDN控制器中的网络测量技术可以针对基于显性反馈的资源池拥塞控制框架提供监控管理网络故障功能和预防防御网络攻击行为的功能，为更加安全高效的拥塞控制提供了保障。

附图说明

图1是本发明的路由接口拥塞控制流程；

图2是本发明的混合路由节点的框架模型。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明将资源池拥塞控制结合混合SDN架构，实现对网络的集中控制和网络状态的监测，不同于传统的网络与完全SDN架构，混合SDN架构既可以基于传统IP控制转发流量也可以基于SDN控制转发流量，根据不同的流量类型可以使用不同的转发方式。资源池拥塞控制可以很好的减少流完成时间提高网络传输效率，混合SDN架构可以为网络流量提供高细粒度调控等优点，将两者结合将形成更高效的网络数据传输模型。

请参阅附图1-2，本发明公开了一种基于混合SDN的网络资源池拥塞控制框架，采用混合路由节点形成混合SDN架构，利用SDN控制器对资源池拥塞进行控制，从而达到对网络的集中控制和网络状态的监测。

如图2所示，展示了混合路由节点的框架模块，该混合路由节点共分为3个功能模块，分别是路由协议控制模块，用于实现传统路由器的转发表生成功能；OpenFlow交换机模块，实现与SDN控制器的交互与流表转发功能；数据转发模块，根据转发规则转发数据。

混合路由节点的工作方式为，当数据输入时，数据首先输入OpenFlow交换机模块，对输入数据进行流表匹配；如果数据流成功匹配流表项则直接使用数据转发模块转发数据；如果数据流没有匹配流表项则数据将流向路由协议控制模块，利用传统的路由协议生成路由转发表，根据路由转发表对数据进行转发。

采用此框架模块，路由器既可以利用传统路由协议转发数据又可以根据由SDN控制器生成的OpenFlow流表转发数据，从而实现了基于混合SDN架构的网络控制。

基于上述控制框架，本发明还公开了一种基于混合SDN的网络资源池拥塞控制框架的控制方法，如图1所示，该控制方法包括如下步骤：

步骤(1)、SDN控制器与路由节点建立连接，获取网络拓扑信息和链路带宽信息。使用LLDP协议采取主动测量的方法获取网络拓扑信息，通过SDN控制器周期性的下发LLDP数据包，根据路由器端口返回的数据包，计算出当前网络的拓扑情况；获取的链路带宽信息为网络链路剩余带宽信息，采用被动测量法，SDN控制器通过OpenFlow协议(中的OFPT_MULTIPART_REQUEST信息)查询路由的计数器统计信息，路由(则通过OFPT_MULTIPART_REPLY信息)返回流经端口的数据流的转发Bytes(字节数)，通过同一时间周期T的n次和n+1次探测，则可得出单位时间内的数据吞吐率Through的大小，数据吞吐率的计算公式如下所示：

步骤(2)、可根据数据吞吐率和路由器的接口缓存占用量判断路由接口是否存在拥塞。当使用路由器的接口缓存占用量判断时，当路由器的接口缓存占用量没有达到上限阈值时，表示数据传输过程中没有发生拥塞；当路由器接口的缓存占用量超过上限阈值时，表示数据传输过程中存在拥塞，此时当前路由接口状态变为拥塞状态。当路由接口不存在拥塞时，以链路最大发送速率转发数据；当路由接口拥塞时，路由发送异步消息到SDN控制器请求绕行路径，同时拥塞路由向上游路由反馈拥塞信息。上游路由收到信息后缓存将通过拥塞窗口的数据，从而控制数据发送速率，当拥塞状态下的接口缓存占用量低于下限阈值时，接口状态变为推送状态，上游路由器不再缓存当前接口的流量，路由节点继续以最大发送数据转发数据，此时路由器发送异步消息到SDN控制器，通知SDN控制器路由端口的状态变化

步骤(3)、SDN控制器根据网络拓扑信息和链路带宽信息生成绕行路径，同时上游路由缓存流向下游节点的数据流量。绕行路径的计算使用所获得的网络拓扑信息和链路带宽信息，将当前网络设为G＝(V,E)，V为网络中所有节点的集合，E为拓扑中所有链路的集合，使用链路利用率θ表示拓扑中链路的权值，Bandwidth表示链路的带宽大小，链路计算公式如下所示：

根据网络拓扑与对应链路上的权值信息，SDN控制器使用Dijkstra算法(单源最短路径算法)计算绕行路径。

步骤(4)、SDN控制器生成流表下发给绕行路径上的每一个路由，同时发送端降低发送速率。

步骤(5)、拥塞路由使用绕行路由转发缓冲区中的数据。

步骤(6)、路由接口跳出拥塞状态后通知SDN控制器，SDN控制器删除绕行流表项，避免大量的绕行流量导致流表过大以及过多的绕行流量占用带宽资源导致网络资源分配不公平

步骤(7)、上游路由取消缓存，继续以最大速率转发数据。

本发明还可以利用混合SDN架构对网络中的数据流进行细粒度处理,根据网络的状况来动态地实现流量调度，也可以根据不同业务属性的数据流实现多路径传输，从而进一步提高网络资源利用率。SDN控制器可以利用OF-Config(OpenFlow管理和配置协议)实现路由节点中不同接口的上限阈值与下限阈值的统一配置，避免网络节点维护的繁琐。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

通过SDN控制器感知全局网络拓扑信息可以更好的判断网络拥塞情况，为拥塞接口指定更加合理的多跳绕行路径，既提高了网络资源利用率又提高了拥塞接口缓解效率；同时利用SDN控制器中的网络测量技术可以针对基于显性反馈的资源池拥塞控制框架提供监控管理网络故障功能和预防防御网络攻击行为的功能，为更加安全高效的拥塞控制提供了保障。