基于网络流量的SDN最短路径转发应用

Posted 2021-04-28 SDNLAB

网络的转发是通信的基本功能，其完成信息在网络中传递，实现有序的数据交换。通过SDN控制器的集中控制，可以轻松实现基础的转发算法有二层MAC学习转发和基于跳数的最短路径算法。然而，网络跳数并不是决定路径优劣的唯一状态。除了跳数以外，还有带宽，时延等标准。本文将介绍如何通过SDN控制器Ryu开发基于流量的最短路径转发应用。

Forwarding Algorithm

目前基于流量的路由算法基本的解决思路有两种：

(1) 首先基于跳数计算最优K条路径，然后在这些路径中选择可用带宽最大的路径。

(2) 首先基于跳数计算最优路径，归一化路径的评价分数，然后基于流量计算最优路径，归一化基于带宽的评价；设置跳数和带宽的权重，对基于跳数和带宽的评分求其加权总和；按照加权求和值降序排序，取前K条作为最优评价路径。

本文以第一种算法为例，介绍基于网络流量的最短路径转发应用开发。第二种算法基于前者的基础修改即可完成。

Network Awareness

首先我们需要编写一个网络感知应用，用于发现网络的资源，包括节点，链路，终端主机等。并根据拓扑信息计算基于条数的最短路径。开发此应用基本步骤如下：

• 创建继承app_manager.RyuApp的应用network_awareness

• 从topology.switches获取拓扑信息，包括交换机节点信息，链路信息

• 使用Networkx 创建拓扑图的对象，用于存储网络拓扑

• 使用Networkx的函数all_simple_paths(G, source, target, cutoff=None)计算K条最优路径并存储，该函数实现了Yen's algorithm

示例代码可由muzixing/ryu/network_awareness获取。

Note that: 以上的示例代码中，拓扑信息的存储并没有使用networkx，所以读者需要独立完成基于networkx的存储和算法调用部分。

Network Monitor

第二个应用是网络流量监控应用。网络流量监控应用完成网络流量的实时监控，计算出实时的流量统计数据。基于本应用的数据，可以完成转发算法的第二部分内容。示例代码可由muzixing/ryu/network_monitor获取。

为了让其他模块获取到最新的流量信息，可在Ryu中自定义事件，具体教程请查看《基于Ryu打造自定义控制器》的自定义事件部分内容。不定义事件的情况下，需要将此模块作为新模块的CONTEXT。详情可阅读《Ryu:模块间通信机制分析》的相关内容。

Forwarding Application

基于以上两个模块的数据，转发应用模块需要完成如下几个步骤，从而完成基于流量的最优路径转发。

• 获取network awareness和network monitor的数据

• 将network monitor的数据整合到networkx存储的网络拓扑信息中

• 比较最短K条路径中各路径的剩余带宽，选择最优路径，剩余路径为备份路径和逃生路径

• 基于路径信息，安装流表项

整合流量信息代码示例代码如下, 其中，link2port为链路信息，bw_dict为network monitor模块的流量数据。

<code>def create_bw_graph(self, graph, link2port, bw_dict):
    for link in link2port:
        (src_dpid, dst_dpid) = link
        (src_port, dst_port) = link2port[link]

        if src_dpid in bw_dict and dst_dpid in bw_dict:
            bw_src = bw_dict[src_dpid][src_port]
            bw_dst = bw_dict[dst_dpid][dst_port]
       graph[src_dpid][dst_dpid]['bandwidth'] = min(bw_src, bw_dst)
        else:
            graph[src_dpid][dst_dpid]['bandwidth'] = 0
    return graph

获取最短K条路径函数示例代码如下所示。

def k_shortest_paths(graph, src, dst):
    path_generator = nx.shortest_simple_paths(graph, source=src,
    target=dst, weight='weight')
    return path_generator

基于流量的最优路径比较算法示例代码如下所示：

def band_width_compare(graph, paths, best_paths):
    capabilities = {}
    MAX_CAPACITY = 100000
    for src in paths:
        for dst in paths[src]:
            if src == dst:
                best_paths[src][src] = [src]
                capabilities.setdefault(src, {src: MAX_CAPACITY})
                capabilities[src][src] = MAX_CAPACITY
                continue
            max_bw_of_paths = 0
            best_path = paths[src][dst][0]
            for path in paths[src][dst]:
                min_bw = MAX_CAPACITY
                min_bw = get_min_bw_of_links(graph, path, min_bw)
                if min_bw > max_bw_of_paths:
                    max_bw_of_paths = min_bw
                    best_path = path</p>
      best_paths[src][dst] = best_path
        capabilities.setdefault(src, {dst: max_bw_of_paths})
        capabilities[src][dst] = max_bw_of_paths
return capabilities, best_paths

def best_paths_by_bw(graph, src=None, topo=None):
    _graph = copy.deepcopy(graph)
    paths = {}
    best_paths = {}
    # find ksp in graph.
    for src in _graph.nodes():
        paths.setdefault(src, {src: [src]})
        best_paths.setdefault(src, {src: [src]})
        for dst in _graph.nodes():
            if src == dst:
                continue
            paths[src].setdefault(dst, [])
            best_paths[src].setdefault(dst, [])
            path_generator = k_shortest_paths(_graph, src, dst)
      k = 2
        for path in path_generator:
            if k <= 0:
                break
            paths[src][dst].append(path)
            k -= 1
# find best path by comparing bandwidth.
capabilities, best_paths = band_width_compare(_graph, paths, best_paths)
return capabilities, best_paths, paths

安装流表项函数示例代码如下：

def install_flow(datapaths, link2port, access_table, path, flow_info, buffer_id, data):
     ''' path=[dpid1, dpid2, dpid3...]
        flow_info=(eth_type, src_ip, dst_ip, in_port)
    '''
    if path is None or len(path) == 0:
        LOG.info("PATH ERROR")
        return
    in_port = flow_info[3]
    first_dp = datapaths[path[0]]
    out_port = first_dp.ofproto.OFPP_LOCAL
    reverse_flow_info = (flow_info[0], flow_info[2], flow_info[1])
<pre><code>if len(path) &gt; 2:
    for i in xrange(1, len(path) - 1):
        port = get_link2port(link2port, path[i-1], path[i])
        port_next = get_link2port(link2port, path[i], path[i + 1])
        if port and port_next:
            src_port, dst_port = port[1], port_next[0]
            datapath = datapaths[path[i]]
            send_flow_mod(datapath, flow_info, src_port, dst_port)
            send_flow_mod(datapath, reverse_flow_info, dst_port, src_port)
if len(path) &gt; 1:
    # the last flow entry: tor -&gt; host
    last_dp = datapaths[path[-1]]
    port_pair = get_link2port(link2port, path[-2], path[-1])
    if port_pair:
        src_port = port_pair[1]
    else:
        return
    dst_port = get_port(flow_info[2], access_table)
    send_flow_mod(last_dp, flow_info, src_port, dst_port)
    send_flow_mod(last_dp, reverse_flow_info, dst_port, src_port)
    # the first flow entry
    port_pair = get_link2port(link2port, path[0], path[1])
    if port_pair:
        out_port = port_pair[0]
    else:
        return
    send_flow_mod(first_dp, flow_info, in_port, out_port)
    send_flow_mod(first_dp, reverse_flow_info, out_port, in_port)
    send_packet_out(first_dp, buffer_id, in_port, out_port, data)
    # ensure the first ping success.
    # send_packet_out(last_dp, buffer_id, src_port, dst_port, data)
# src and dst on the same datapath
else:
    out_port = get_port(flow_info[2], access_table)
    send_flow_mod(first_dp, flow_info, in_port, out_port)
    send_flow_mod(first_dp, reverse_flow_info, out_port, in_port)
    send_packet_out(first_dp, buffer_id, in_port, out_port, data)

读者可以基于muzixing/ryu/shortest_route的代码进行修改。该代码是初始版本，质量欠佳，但是可以成功运行。

Note that: 以上的代码均为示例代码，不可直接运行，完整版代码后续将发布。

Implementation and Test

启动network_awareness, network_monitor,和写好的forwarding模块，再启动一个简单拓扑连接到控制器Ryu。拓扑中，h1, h2到h39有两条路径：[1,2,4]和[1,3,4]。每条链路的最大带宽为500Mbits/s。然后xterm到h1, h2 和还h39，并在h39之上启动iperf服务端程序。先启动h1上的iperf客户端程序，向h39打流，等一个Monitor模块的周期之后，启动h2的iperf客户端程序，向h39打流。此操作的原因在于需要等待控制器获取流量信息和计算出最优路径。测试截图如下图所示。

上图左上为控制器的显示，路径选择了[1,2,4]和[1,3,4]。右侧的数据为h1的流量信息，左下为h2的流量信息，可以发现h1和h2各自独占一条路径，都打满了500Mbits。实验成功。

Conclusion

本文介绍了在Ryu控制器中开发基于流量的最优转发的流程。不过内容仅仅涉及了解决思路，实际工程代码的发布还需要等待一段时间。文中提到的第二种算法的解决方法与本文举例类似，仅需加上归一化数据，求加权求和评分步骤就可以完成新解决方案的工作。希望本文能给读者带来一些帮助。
作者简介：
李呈，2014/09-至今，北京邮电大学信息与通信工程学院未来网络理论与应用实验室（FNL实验室）攻读硕士研究生。

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