一种基于SDN的网络流量矩阵测量方法技术

本发明专利技术属于网络管理和网络测量领域，提供一种基于SDN的网络流量矩阵测量方法，以达到满足流聚合可行性约束及网络测量资源有限约束，降低流量矩阵的估计误差等目的。本发明专利技术中设定目的节点相同的流都聚合在一起，通过解聚和路由规则来设计汇聚矩阵；采用两步法来估计流量矩阵，第一步是选择一个聚合流最多的路由规则(称为旧规则)来产生新规则，使得旧规则和新规则聚合流的数目相差最小，然后利用矩阵完成技术估计出一个流量矩阵；第二步是以第一步中估计出的流量矩阵作为基础，从中选择最大的前k个流来直接测量；本发明专利技术降低了测量的周期和直接测量每个流的困难，并且满足流聚合可行性约束，估计误差比较低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于网络管理和网络测量领域，特别是部署了支持OpenFlow协议的SDN交 换机的网络管理和测量。
技术介绍
网络测量是指遵照一定的方法和技术，利用软件或硬件工具来测试表征网络状态 和性能的指标，获取网络拓扑结构、节点属性和业务量特征等一系列活动的总称。网络测量 的主要内容包括网络的时延、丢包率，可用带宽、网络拓扑和网络流量矩阵等。网络管理员 为了有效地管理网络，必须及时地了解网络的运行状态。因此，测量网络运行状态指标的网 络测量技术成为了网络管理的核心技术之一。其中，流量矩阵表示的是网络中任意两个节 点对间的流量大小。流量矩阵是很多网络管理任务的关键输入信息，比如流量工程、网络规 划、网络性能诊断分析和流量计费等。网络流量矩阵测量是对网络中承载的所有流量大小 进行测量和估计，以便网络管理员可以根据测量得到的流量矩阵，合理的规划和安排网络 流的路由，从而提高业务的服务质量和网络资源的利用效率。 传统的网络流量矩阵测量方法主要包括直接测量法和估计法。直接测量法的基本 原理是将网络探针安装在网络节点或链路上，以便直接获取所需要的参数。但是，直接测 量流量矩阵存在多方面的困难，首先，流的数目一般比较大，不可能直接测量出每个流的大 小，这样花费的代价太大；其次，测量需要专业的测量硬件资源，不可能在每个网络节点上 安装这些昂贵的资源，耗费太大；最后，由于网络是异构的，测量时需要不同网络之间的相 互协作，但是由于某些原因（比如网络安全），很难保证各个网络之间都能相互协作，这就 无法保证测量的准确性。 估计法的基本思路是通过直接测量的方式获取容易测量到或花费代价小的测量 信息，再使用这些信息估计出流量矩阵，估计法又叫做间接测量法。在估计法中，可以利用 网络中的一些附加信息来估计流量矩阵，比如链路负载、路由矩阵。链路负载表示相连的两 节点间链路上的流量，是网络中的流量按照路由矩阵在链路上汇聚的流量大小。链路负载 可以通过使用SNMP协议来得到，路由矩阵可以通过收集内部路由协议的配置信息或者通 过收集路由器之间交互的链路状态信息获得。因此，流量矩阵估计即是在链路负载和路由 矩阵已知的前提下，估算出流量矩阵的估计值。在网络中，流的数目一般远大于链路的数 目，即路由矩阵是低秩的，无法精确地估计出流量矩阵。为了提高流量矩阵的估计正确率， 必须获得更多的附加信息，但是由于传统网络控制平面的限制，获取更多的附加信息是非 常困难的。 近年来，为了增强对网络的管控能力，研宄界提出了SDN网络构架。SDN将网络的 控制面和数据面彻底分开，控制面集中式的运行于网络控制器之上，而数据面则分散的存 在于各个设备上。SDN的这种分离式设计为网络流量矩阵的测量也带来了好处。首先，集中 式的控制平面具有全局的网络视图，可以统一地调配网络资源，动态地配置流表。其次，分 布于网络设备上的数据面提供了若干用于流统计的计数器，利用这些计数器我们可以为流 量矩阵的估计提供更多的输入。因此，研宄基于SDN的网络流量矩阵测量对网络管理员能 够有效地控制和管理网络是非常有必要的。 目前，学术上已经有一些基于SDN的网络流量矩阵测量方法的研宄。ProgMe提 出了一种可编程的网络流量测量结构，可以收集用户指定的流量集合中的流量统计值。 OpenSketch提出了一种基于哈希的测量框架，可以动态地配置各框架。但是，ProgMe和 OpenSketch都假设所有交换机都支持专业的测量硬件，这显然是不可能的。并且这两种方 法都只是针对某些特定的流量集合来测量，比如Heavy Hitter，它们对流量矩阵的测量都 不太适合。Open-TM，DCM和iSTAMP都是基于SDN测量流量矩阵的方法。Open-TM和DCM都是 通过监测每个流来直接测量每个流的大小，从而得到流量矩阵。显而易见，Open-TM和DCM 的扩展性都很差，由于在网络中流的数目一般非常大，但是所需的测量资源又是有限的，所 以根本不可能通过直接测量每个流的大小来获得流量矩阵。为了满足测量资源的约束，并 且提高测量的准确性，iSTAMP方法首先测量最大的前k个流和一些流汇聚后的大小，然后 估计出流量矩阵。iSTAMP似乎在网络资源和测量正确率两者之间作出了平衡，但它还是 有如下的缺陷：首先，SDN交换机转发流时是基于优先级和通配符的匹配原则来查找转发 表的，只有具有相同目的节点的流才可能被聚合到一个表项中（即称为流聚合的可行性约 束），但是iSTAMP方法中忽略了此约束，进行任意的聚合；其次，为了找出最大的前k个流， iSTAMP利用全部的TCAM表项来直接测量多个时间段内每个流的大小，这又会带来不可忽 略的测量代价。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对
技术介绍
存在的缺陷，研宄设计一种基于SDN的网络流量矩 阵测量方法。利用SDN的特性来设计汇聚矩阵（汇聚矩阵是0-1矩阵，它的每一行对应一个 TCAM表项，表示一条流量测量规则，其元素（i，j)表示流j是否经规则i转发），然后利用 矩阵完成技术估计出流量矩阵，以达到满足流聚合可行性约束及网络测量资源有限约束， 降低流量矩阵的估计误差，提高探测HeavyHitter的正确概率等目的。 本专利技术的解决的方案是：假设为了节省TCAM表项，目的节点相同的流都聚合在一 起，通过解聚和路由规则来设计汇聚矩阵；采用两步法来估计流量矩阵，第一步是选择一个 聚合流最多的路由规则（称为旧规则）来产生新规则，使得旧规则和新规则聚合流的数目 相差最小，然后利用矩阵完成技术估计出一个流量矩阵；第二步是以第一步中估计出的流 量矩阵作为基础，从中选择最大的前k个流来直接测量，采用求表征流与SDN交换机可用 TCAM表项间的关系的二分图的最大权最大匹配来解决每个SDN交换机直接测量流集合的 问题；本专利技术即以此来实现其目的。因此，本专利技术采用方法方案为： 一种基于SDN的网络流量矩阵测量方法，包括以下步骤：A.构造初始汇聚矩阵：假设初始时目的节点相同的流都是聚合的，即只需用一个 TCAM表项来路由具有相同目的节点的流；设计每个SDN交换机TCAM表项对应的流量测量 规则，处理过程为： 步骤1. 0 :在所有SDN交换机的TCAM表项中，选择一个聚合流数目最多的规则（称 为旧规则）来产生新规则，旧规则与新规则除了优先级、源IP前缀不一样外，其余的都相 同，新规则的优先级高于旧规则，转步骤2. 0 ; 步骤2. 0 :为新规则寻找一个长度更长的源IP前缀：在以旧规则的源IP前缀为树 根的前缀树中寻找此前缀，使得这两个规则聚合流的数目相差最小，转步骤2. 1 ; 步骤2. 1 :把产生的新规则部署到SDN交换机的可用TCAM表项中，若所有SDN交 换机的TCAM表都已经满了，则转步骤3. 0,否则转步骤1. 0 ; 步骤3. 0 :根据每个TCAM表项聚合的流，构建一个汇聚矩阵，由于SDN交换机数量 有限，部分流没有监测到，所以根据链路流量约束把路由矩阵并入到汇聚矩阵中，得到最后 的汇聚矩阵； B.估计流量矩阵：根据步骤A中得到最后的汇聚矩阵来估计流量矩阵，估计方法 采用最小化+44,人为正则系数，其中A为汇聚矩阵，X为所求的流量矩阵，Y 为与汇聚矩A对应的列矩阵，Y本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于SDN的网络流量矩阵测量方法，包括以下步骤：A.构造初始汇聚矩阵：设定初始时目的节点相同的流都是聚合的，即只需用一个TCAM表项来路由具有相同目的节点的流；设计每个SDN交换机TCAM表项对应的流量测量规则，处理过程为：步骤1.0：在所有SDN交换机的TCAM表项中，选择一个聚合流数目最多的规则作为旧规则用以产生新规则，旧规则与新规则除了优先级、源IP前缀不一样外，其余的都相同，新规则的优先级高于旧规则，转步骤2.0；步骤2.0：为新规则寻找源IP前缀：在以旧规则的源IP前缀为树根的前缀树中寻找此前缀，使得这两个规则聚合流的数目相差最小，转步骤2.1；步骤2.1：把产生的新规则部署到SDN交换机的可用TCAM表项中，若所有SDN交换机的TCAM表都已经满了，则转步骤3.0，否则转步骤1.0；步骤3.0：根据每个TCAM表项聚合的流，构建一个汇聚矩阵，再根据链路流量约束把路由矩阵并入到汇聚矩阵中，得到最后的汇聚矩阵；B.估计流量矩阵：根据步骤A中得到的汇聚矩阵来估计流量矩阵，估计方法采用最小化其中λ为正则系数，A为汇聚矩阵，X为所求的流量矩阵，Y为与汇聚矩A对应的列矩阵；C.重新设计汇聚矩阵：根据步骤B中估计出的流量矩阵重新设计各SDN交换机TCAM表项对应的流量测量规则，其处理过程为：步骤1.0：对于每个SDN交换机，从它能够监测到的流集合中选择最大的前k个流直接测量、k的值等于此SDN交换机可用TCAM表项的数目，选择方法为：步骤1.0.0：构造虚拟二分图：首先构造第一部分的节点，表示每个SDN交换机的可用TCAM表项，若节点j处的SDN交换机的可用TCAM表项数目为s，则对应生成s个节点j1、j2、...、js，每个节点表示该SDN交换机TCAM表的一个可用表项；然后构造第二部分的节点，表示每个流，若有L个流，则就有L个节点，流i表示第i个流，即节点i；最后构造第一部分节点与第二部分节点间的链路，若流i经过节点j处的SDN交换机，则把节点i与j1、j2、...、js分别相连，链路的权重均为流i的大小；其它链路的添加方式相同，转步骤1.0.1；步骤1.0.1：求此二分图的最大权最大匹配：按照二分图最大权最大匹配算法求出此二分图的最大权最大匹配，然后从此最大权最大匹配中找出每个SDN交换机要直接测量的最大前k个流；转步骤2.0；步骤2.0：根据上述步骤得到的最大权最大匹配重新配置每个SDN交换机直接测量的流，得到一个新的汇聚矩阵，再根据链路流量约束把路由矩阵并入到汇聚矩阵中，得到最终的新的汇聚矩阵；D.估计最后的流量矩阵：根据步骤C得到的新的汇聚矩阵按照步骤B估计流量矩阵，并计算误差。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王雄，龚艳雷，王晟，徐世中，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51