一种基于大象流精确识别的流量调度系统及方法与流程

本发明属于网络通信领域，特别涉及一种基于大象流精确识别的流量调度系统及方法。

背景技术：

随着网络业务的快速发展，爆发式增长的数据流量对网络管理提出了巨大的挑战，流量调度成为当前研究的热点。依据流携带数据量的多少可将网络流分为大象流和老鼠流，大象流占网络流总数的10％左右，但其承载了网络总数据量的85％，具有传输时间长、占用带宽大、数量较少的特点，而老鼠流则正好相反。传统流量调度方法对所有网络流实行无差别的调度，大象流较多的网络节点负载较大，各节点不均匀的负载会降低网络吞吐量、增加网络响应时间。如能快速、准确识别网络中的大象流并实现有效的负载调度，能减小网络阻塞的概率，提高网络的可靠性。软件定义网络(Software Defined Network，SDN)是一种创新的网络架构，其具有转控分离、集中控制的特点，基于SDN实现大象流识别及调度可有效提升网络流量调度效率。目前，还没有将流终端精确识别和SDN相结合来实现大象流调度的相关文献，为此，本专利设计一种基于大象流精确识别的流量调度系统及方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于大象流精确识别的流量调度系统及方法，精确识别出网络中的大象流并计算转发路径。本发明首先依据数据流在主机终端与网络中的特征实现大象流的精确识别，然后根据网络链路情况计算大象流转发路径，最终实现基于大象流精确识别的流量调度，提高网络的吞吐量。

本发明提出的一种基于大象流精确识别的流量调度系统，其包括精确识别大象流模块、计算大象流转发路径模块、调度大象流模块。

1、精确识别大象流模块：用于在主机终端实现大象流精确识别。通过监测主机终端发送数据过程中TCP发送队列存储的数据量特征实现大象流的识别，将IP包头差分服务代码点(Differentiated Services Code Point，DSCP)字段设定为大象流标识符，并以此标记大象流。通过数据包DSCP字段识别网络中的大象流并记录，计算各流各时间段内的大象流包平均字节数。如果网络中大象流的包平均字节数小于大象流筛选阈值N，则认定该流已不具备大象流特征，将其从大象流列表中剔除；反之仍认定为大象流。

2、计算大象流转发路径模块：用于计算大象流的转发路径。该模块基于现有路由协议计算得到可传输大象流的所有路径，分析SDN控制器收集的链路可用带宽信息并比较各转发路径的最小可用带宽w，选择w值最大的路径作为大象流的最佳转发路径。

3、调度大象流模块：用于对大象流的转发进行调度控制。该模块获取某条大象流的最佳转发路径并通过SDN控制器向转发路径上的交换机下发流表，告知交换机如何转发大象流，实现大象流的调度。

本发明提出的一种基于大象流精确识别的流量调度系统，如图1所示。

本发明方法结合流终端识别和基于特征的流筛选实现大象流精确识别并对网络中的大象流进行调度，均衡网络节点负载。在本发明方法应用之前，网络管理员可依据实际情况设置大象流精确识别阈值M，大象流筛选阈值N，大象流标识符等。

本发明提出的一种基于大象流精确识别的流量调度方法，其按如下步骤：

步骤1、监测TCP发送队列实现大象流的终端识别并对其进行标记。

发送端主机与对端主机建立TCP连接，数据发送过程中对发送端主机TCP发送队列进行监测，如果发送队列中存储的数据量大于M，则认定该流为大象流，设置该流数据包IP包头DSCP字段为大象流标识符；反之认定为老鼠流，不需对DSCP字段进行设置。

步骤2、依据DSCP字段识别大象流并记录在大象流列表。

SDN控制器分析交换机上发的packet-in消息得到进入网络的新流特征，如果该流DSCP字段为大象流标识符，则将该流特征记录在大象流列表中。

步骤3、监测大象流列表中各流在网络中的流量特征。

SDN控制器每隔T时间向SDN交换机发送大象流请求消息来获取大象流在网络中的流量特征，包括命中流表的总比特数、命中流表的总数据包数、流持续时间等。

步骤4、分析流量特征以筛选大象流，更新大象流列表。

控制器利用步骤3得到的大象流流量特征计算T时间段内该大象流的包平均字节数，如果该值小于N，则认定该大象流已不具备大象流特征，将其从大象流列表中剔除；如果该值大于N，则认定该流仍为大象流。

步骤5、利用ECMP得到大象流的所有可转发路径

SDN控制器基于全局视图并利用现有路由协议计算得到大象流的所有可转发的路径，将所得路径保存在数据库中。

步骤6、计算各转发路径的最小可用带宽并选择大象流最佳转发路径。

分析SDN控制器收集的链路可用带宽信息，得到各转发路径的最小可用带宽w，选择w值最大的路径作为大象流的最佳转发路径。

步骤7、下发流表实现大象流调度。

确定某条大象流的最佳转发路径后，通过SDN控制器向转发路径上的交换机下发流表，告知交换机如何转发该大象流，实现大象流的调度，本发明方法结束。

至此，整个基于大象流精确识别的流量调度方法结束，方法流程图如图2所示。

本发明的系统及方法具有以下两个优点：

(1)通过终端识别大象流后利用数据流在网络中的特征筛选大象流，提高了大象流精确识别的准确性。

(2)针对网络中的大象流实施有效的流量调度，均衡了网络节点的负载，降低了链路阻塞的可能，提高了网络吞吐量。

附图说明

图1是本发明的系统框图。

图2是本发明的方法流程图。

图3是本发明实施例网络拓扑示意图

具体实施方式

下面对本发明优选实施例作详细说明。

本实施例以主机A(Host A)上的应用程序1通过TCP向主机B(Host B)传输数据为例，简称该连接数据流为ab，所处网络如图3所示。本实施例中网络管理员可设置流信息请求间隔T＝1s，大象流精确识别阈值M＝1MB，大象流筛选阈值N＝1000B，大象流标识符为110000，在计算所有大象流可转发路径时采用等价路由协议(Equal-Cost Multipath Routing，ECMP)实现。

基于大象流精确识别的流量调度方法的步骤如下：

步骤1、监测TCP发送队列实现大象流的终端识别并对其进行标记。

主机与主机B建立TCP连接，在A向B发送数据过程中监测到A中发送队列中存储的数据量为1.5MB，大于M，则认定ab流为大象流，设置该流数据包IP包头DSCP字段为110000。

步骤2、依据DSCP字段识别大象流并记录在大象流列表。

SDN控制器分析交换机上发的包含ab流特征的packet-in消息，发现该流DSCP为大象流标识符，则将ab流的特征记录在大象流列表中。

步骤3、监测大象流列表中各流在网络中的流量特征。

SDN控制器每隔1s时间向SDN交换机发送大象流请求消息来获取ab流在网络中的流量特征，可得ab流最新的命中流表的总比特数为19000byte，次新的命中流表的总比特数为2400byte，最新的命中流表的总数据包数为33个，次新的命中流表的总数据包数为31个。

步骤4、分析流量特征以筛选大象流，更新大象流列表。

控制器利用步骤3得到的大象流流量特征计算1s内该ab流数据包的平均字节数为1100B，该值大于N，则认定该流仍为大象流。

步骤5、利用ECMP得到大象流的所有可转发路径

SDN控制器基于全局视图并利用ECMP协议计算得到ab流的3条可转发的路径，如图3所示，路径1为HA—S3—S1—S2—S5—HB，路径2为HA—S3—S2—S5—HB，路径3为HA—S3—S1—S5—HB。

步骤6、计算各转发路径的最小可用带宽并选择大象流最佳转发路径。

分析SDN控制器收集的链路可用带宽信息可知，HA—S3的可用带宽为50Mbps，S3—S1的可用带宽为40Mbps，S1—S2的可用带宽为60Mbps，S2—S5的可用带宽为30Mbps，S5—HB的可用带宽为50Mbps，S3—S2的可用带宽为20Mbps，S1—S5的可用带宽为40Mbps。分析可知路径1的最小可用带宽w₁＝30Mbps，路径2的最小可用带宽w₂＝20Mbps，路径3的最小可用带宽w₃＝40Mbps，选择路径3作为大象流的最佳转发路径。

步骤7、下发流表实现大象流调度。

确定ab流的最佳转发路径为路径3后，通过SDN控制器向转发路径上的交换机下S3，交换机S1，交换机S5下发流表，告知这三台交换机接收到ab流后的转发规则，实现大象流ab的调度，本发明方法结束。

至此，整个基于大象流精确识别的流量调度方法结束。

本发明的一种基于大象流精确识别的流量调度系统，在实例中采用与方法实例中相同的场景。具体应用如下：

1、精确识别大象流模块：主机A与主机B建立连接并发送数据，该模块监测到A中发送队列中存储的数据量为1.5MB，大于M，则认定ab流为大象流，然后设置其设定IP包头DSCP字段为110000实现大象流的标记。该模块通过读取ab流的DSCP字段识别ab流为大象流并将该流特征记录在大象流列表中，然后每隔1s时间向SDN交换机发送大象流请求消息来获取ab流在网络中的流量特征，可得ab流最新的命中流表的总比特数为19000byte，次新的命中流表的总比特数为2400byte，最新的命中流表的总数据包数为33个，次新的命中流表的总数据包数为31个，计算可得该时间段内ab流包平均字节数为1100B。该模块将ab流的包平均字节数与大象流筛选阈值N进行比较，该值大于N，则认定该流仍为大象流。

2、计算大象流转发路径模块：该模块首先使用ECMP协议计算得可传输ab流的3条可转发的路径，如图3所示，路径1为HA—S3—S1—S2—S5—HB，路径2为HA—S3—S2—S5—HB，路径3为HA—S3—S1—S5—HB。然后分析SDN控制器收集的链路可用带宽信息可知，HA—S3的可用带宽为50Mbps，S3—S1的可用带宽为40Mbps，S1—S2的可用带宽为60Mbps，S2—S5的可用带宽为30Mbps，S5—HB的可用带宽为50Mbps，S3—S2的可用带宽为20Mbps，S1—S5的可用带宽为40Mbps。分析可知路径1的最小可用带宽w₁＝30Mbps，路径2的最小可用带宽w₂＝20Mbps，路径3的最小可用带宽w₃＝40Mbps，选择路径3作为大象流的最佳转发路径。

3、调度大象流模块：该模块通过SDN控制器向转发路径上的交换机下S3，交换机S1，交换机S5下发流表，告知这三台交换机接收到ab流后的转发规则，实现大象流ab的调度，。

当然，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上实施例仅是用来说明本发明的，而并非作为对本发明的限定，只要在本发明的范围内，对以上实施例的变化、变型都将落入本发明的保护范围。