多控制器架构下的SDN数据平面故障监测与恢复方法技术

本发明专利技术提出多控制器架构下的SDN数据平面故障监测与恢复方法，包括以下步骤：S1、若干个SDN控制器之间同步全局拓扑，构建和更新域内网络的拓扑结构；S2、判断是否出现端口异常引起的SDN网络数据平面链路故障和交换机节点故障；S3、控制器解决故障；S4、若干个SDN控制器协作确定到达数据流的路由路径，然后对路径上的交换机下发流表，完成数据流路由。本发明专利技术在提高检测率的同时只增加了少量网络负载，兼顾了检测的灵活性和准确性，减少了故障恢复时间，其采用的多控制器协作路由不仅用来被动故障恢复而且用于缓解传统单控制器SDN扩展性问题。

SDN data plane fault monitoring and recovery method based on multi controller architecture

【技术实现步骤摘要】
多控制器架构下的SDN数据平面故障监测与恢复方法
本专利技术涉及SDN架构下网络可靠性研究领域，特别涉及一种多控制器架构下的SDN数据平面故障监测与恢复方法。
技术介绍
传统网络将控制和转发集成在同一物理设备中，两者之间呈紧耦合关系。SDN(软件定义网络)网络技术将逻辑控制与数据转发解耦，控制平面利用API对数据设备转发远程控制从而实现两个平面相互独立灵活地扩展。同时SDN网络逻辑上的集中控制使得控制器可以获取整个网络的全局视野，提升网络控制和管理的便捷性。SDN体系结构包括数据平面，控制平面和应用平面。数据平面由网络转发设备组成，SDN交换机仅仅负责数据流转发任务。控制平面由逻辑上集中的控制器构成，负责控制和管理数据平面的网络设备，维护网络拓扑和状态信息。应用平面由若干SDN业务构成。SDN和传统网络一样不可避免会受到各种各样的故障威胁，导致网络性能下降或者网络瘫痪。常见的网络故障监测方式分为主动式网络故障监测和被动式网络故障监测。简单介绍如下：现有技术一：主动式网络故障监测原理：通过主动探测向网络中发送探测报文来获取网络中的故障信息缺点：会对网络中的流量产生影响，增大网络负载。现有技术二：被动式网络故障监测原理：通过被动收集网络中的故障信息推理和定位网络中的故障缺点：网络中存在症状丢失和症状虚假导致此技术的故障监测不准确。在大规模分布式网络中收集和处理网络中的信息会有较大的时延，故障监测机制缺乏实时性。常见的故障恢复机制也可分为主动式和被动式两类。被动式恢复机制是在网络出现故障后通告控制器，控制器重新获取拓扑，对数据流重路由来恢复故障。主动式恢复机制是提供冗余，由控制器预先提供备份路径，故障发生时通过切换备份路径解决故障。简单介绍如下:现有技术一：被动式故障恢复机制原理：在网络出现故障后通告控制器，控制器重新计算路由并下发流表项给受影响的交换机缺点：花费时间较多，多控制器的负载压力也较大，不能满足运营商要求的50ms故障恢复时间。现有技术二：主动式故障恢复机制原理：提供冗余，控制器预先提供备份路径，在出现故障时交换机不需要请求控制器建立新的路径，而是直接切换到备份路径。缺点：网络中故障的范围具有多样性，备份路径并不可以解决所有的故障问题，因此灵活性和适用性存在欠缺。综上所述，现有的技术在故障检测时要么增加网络负载达到较高的检测准确率，要么故障检测不准确、延时较大，在故障恢复时不能兼顾灵活性和故障恢复时间要求，并且应用场景受SDN网络架构固有限制，缺乏扩展性。
技术实现思路
本专利技术提供的多控制器架构下的SDN数据平面故障监测与恢复方法，用以解决现有技术故障监测时增加网络负载达到较高的检测准确率，要么故障检测不准确、延时较大，在故障恢复时不能兼顾灵活性和故障恢复时间要求，并且应用场景受SDN网络固有扩展性问题的限制，不适用于大型网络的问题。本专利技术至少通过如下技术方案之一实现。多控制器架构下的SDN数据平面故障监测与恢复方法，包括以下步骤：S1、若干个SDN控制器之间同步全局拓扑，构建和更新域内网络的拓扑结构；S2、SDN控制器通过监测Port-status消息(端口状态消息)和Echo消息判断是否出现端口异常引起的SDN网络数据平面链路故障和交换机节点故障；S3、SDN控制器解决故障，SDN控制器监测到故障时先采用主动式故障恢复，主动式故障恢复失效时，采用被动式故障恢复解决故障；S4、若干个SDN控制器协作确定到达数据流的路由路径，然后对路径上的交换机下发流表，完成数据流路由。进一步的，步骤S1具体包括：若干个SDN控制器周期性通过Packet_out消息向所有与之相连的交换机发送LLDP数据包，从而构建和更新该SDN控制器域内网络的拓扑结构；SDN控制器之间通过东西向接口通信实现同步全局拓扑，保证底层网络及业务处理逻辑的一致性，同步全局拓扑的过程中只传递更新信息，在达到维护全局拓扑的同时节省网络带宽，减小网络负载。进一步的，步骤S2所述的SDN控制器通过监测Port-status消息(端口状态消息)和Echo消息判断是否出现端口异常引起的数据平面链路故障和交换机节点故障，具体包括：1）数据平面链路故障的判断：SDN控制器捕获数据平面发送的Port-status消息进行故障监测；当SDN控制器解析Port-status消息获知该交换机出现某个端口删除时，SDN控制器根据本地的网络拓扑判断该交换机的这个端口是否包含在网络中，若网络中包含该交换机的这个端口，则认为出现由交换机端口故障导致的数据平面链路故障，需要解决故障；否则认为该端口的删除属于正常的网络拓扑改变；2）交换机节点故障的判断：SDN控制器主动监测数据平面的交换机节点，通过Echo消息的接收和发送判断交换机节点是否存在故障；当SDN控制器首次无法接收到某个交换机的Echo-reply消息时，SDN控制器将立即再次向该交换机发送Echo-request消息，若SDN控制器仍然无法收到该交换机的Echo-reply消息，则认为该交换机节点出现故障，解决故障；若SDN控制器接收到交换机的Echo-reply消息，则数据平面正常运行。进一步的，步骤S3所述SDN控制器解决故障具体包括以下步骤：（1）主动式故障恢复：SDN控制器先向SDN交换机下发相应的组表项，组表项包含分组流转发主路径的端口号和一条备份转发路径端口号，当SDN控制器检测到主路径出现故障不可用时，向发生故障路径上的交换机发送OFPGC_MODIFY指令，交换机执行组表项相应的动作指令，根据优先级选择下一优先级的组表项动作指令，同时控制器根据已有的故障消息检测该备份转发路径是否出现故障，若备份转发路径不出现故障，则切换到备份转发路径来进行故障恢复；（2）被动式故障恢复：当主动式故障恢复中的备份转发路径不能够解决数据平面链路故障时，SDN控制器将重新通过LLDP协议获取数据平面的全局拓扑结构，SDN控制器进行重路由，将新的转发路径下发给交换机完成故障恢复，完成故障恢复正常运行；SDN控制器进行重路由包含重新进行域划分、重新进行预路由过程和重新为数据流确定转发路径。进一步的，所述的域划分是将SDN网络数据平面根据预先人为指定的网络关键要素分成若干个域；网络关键要素包括IP网络中指定的IP地址前缀；不同的SDN控制器管理和控制不同域，同时也将交换机分为域与域之间边界处的边缘交换机和域内的核心交换机。进一步的，所述的预路由在网络数据流到达之前预先进行路由并下发流表的过程；预路由过程中以路径的跳数作为路由代价，故最优路径即为代价最小路径，预路由是逐域进行的，对每个域，SDN控制器采用路由算法得到该域内所有交换机到边界交换机的最优路径，之后SDN控制器为本域内的每一个交换机添加流表。进一步的，所述的为数据流确定转发路径，具体包本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.多控制器架构下的SDN数据平面故障监测与恢复方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：/nS1、若干个SDN控制器进行同步全局拓扑，构建和更新域内网络的拓扑结构；/nS2、SDN控制器通过监测Port-status消息和Echo消息判断是否出现端口异常引起的SDN网络数据平面链路故障和交换机节点故障；/nS3、SDN控制器解决故障，SDN控制器监测到故障时先采用主动式故障恢复，主动式故障恢复失效时，采用被动式故障恢复解决故障；/nS4、若干个SDN控制器协作确定到达数据流的路由路径，然后对路径上的交换机下发流表，完成数据流路由。/n

【技术特征摘要】
1.多控制器架构下的SDN数据平面故障监测与恢复方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、若干个SDN控制器进行同步全局拓扑，构建和更新域内网络的拓扑结构；
S2、SDN控制器通过监测Port-status消息和Echo消息判断是否出现端口异常引起的SDN网络数据平面链路故障和交换机节点故障；
S3、SDN控制器解决故障，SDN控制器监测到故障时先采用主动式故障恢复，主动式故障恢复失效时，采用被动式故障恢复解决故障；
S4、若干个SDN控制器协作确定到达数据流的路由路径，然后对路径上的交换机下发流表，完成数据流路由。


2.根据权利要求1所述的多控制器架构下的SDN数据平面故障监测与恢复方法，其特征在于，步骤S1具体包括：若干个SDN控制器通过Packet_out消息向所有与之相连的交换机发送LLDP（LinkLayerDiscoveryProtocol，链路层发现协议）数据包，从而构建和更新该SDN控制器域内网络的拓扑结构；
SDN控制器之间通过东西向接口通信实现同步全局拓扑，保证底层网络及业务处理逻辑的一致性，同步全局拓扑的过程中只传递更新信息，在达到维护全局拓扑的同时节省网络带宽，减小网络负载。


3.根据权利要求1所述的多控制器架构下的SDN数据平面故障监测与恢复方法，其特征在于，步骤S2所述的SDN控制器通过监测Port-status消息和Echo消息判断是否出现端口异常引起的数据平面链路故障和交换机节点故障，判断方式具体包括：
1）数据平面链路故障的判断：SDN控制器捕获数据平面发送的Port-status消息进行故障监测；当SDN控制器解析Port-status消息获知该交换机出现某个端口删除时，SDN控制器根据本地的网络拓扑判断该交换机的这个端口是否包含在网络中，若网络中包含该交换机的这个端口，则认为出现由交换机端口故障导致的数据平面链路故障，需要解决故障；否则认为该端口的删除属于正常的网络拓扑改变；
2）交换机节点故障的判断：SDN控制器主动监测数据平面的交换机节点，通过Echo消息的接收和发送判断交换机节点是否存在故障；当SDN控制器首次无法接收到某个交换机的Echo-reply消息时，SDN控制器将再次向该交换机发送Echo-request消息，若SDN控制器仍然无法收到该交换机的Echo-reply消息，则认为该交换机节点出现故障，并解决故障；若SDN控制器接收到交换机的Echo-reply消息，则数据平面正常运行。


4.根据权利要求1所述的多控制器架构下的SDN数据平面故障监测与恢复方法，其特征在于，步骤S3所述SDN控制器解决故障具体包括以下步骤：
（1）主动式故障恢复：SDN控制器先向SDN交换机下发相应的组表项，组表项包含分组流转发主路径的端口号和一条备份转发路径端口号，当SDN控制器检测到主路径出现故障不可用时，向发生故障路径上的交换机发送OFPGC_MODIFY指令，交换机执行组表项相应的动作指令，根据优先级选择下一优先级的组表项动作指令，同时控制器根据已有的故障消息检测该备份转发路径是否出现故障，若备份转发路径不出现故障，则切换到备份转发路径来进行故障恢复；
（2）被动式故障恢复...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆以勤，金冬子，覃健诚，程喆，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44