[发明专利]一种软件定义网络中基于生成树折叠路由的流表压缩方法

说明书

本发明公开了一种软件定义网络中基于生成树折叠路由的流表压缩方法，它包括如下步骤：首先根据给定的网络拓扑，收集每个节点在一定时间段的数据包请求得出流量矩阵，根据节点之间的链路时延得出时延矩阵。其次以最小化路径代价和时延代价、最大化链路重合率为目标，通过约束每段链路的最大容量、每条路径的最大时延、穷举所有可行的路径等约束条件，来达到最优的目标。本发明具有以下优点：通过整数线性规划ILP(Integer Linear Program)探索折叠的路由，因此能够灵活地求出全部的解空间，同时对传输时延和流表中只能储存芯片硬件成本之间做了有效的折中，在保障数据包传输效率同时实现了流表压缩的最优化配置。

技术领域

本发明涉及一种软件定义网络中基于生成树折叠路由的流表压缩方法。

背景技术

随着大数据业务的快速发展，网络中数据交换量以超线性的方式增长，在新兴软件定义网络中，当大量新数据流到达数据层交换器时，若无可匹配的转发规则，则向控制器发出请求，此时控制器需根据全网信息得出转发规则，并下发到交换器的流表(FT：FlowTable)中，为新数据流提供可匹配的转发规则。通常流表中匹配规则字段包含源目的地址、源目的端口号以及一些常见的协议等。而控制器根据这些字段设置匹配规则，因此匹配字段越多，控制层的管控越灵活。但是，这种细粒度的规则设计增加了数据层设备需存储的规则数目。为了实现数据流与转发规则的线速匹配，保证高性能的数据转发，目前的商用交换器通常采用三态内容寻址存储器(TCAM：Ternary Content-Addressable Memory)这种特殊硬件来实现流表的读取与存储，其具有高成本、大功耗和芯片占用面积大等特征，且同一时间最多只允许储存1600条转发规则，很容易导致流表溢出。因此，转发规则的膨胀与设备流表空间的不足，是目前软件定义光互连数据中心网络中存在的一个性能问题。

近年来，国内外学者通过分析设备处理规则中存在的一些冗余规则，在不改变他们的语义前提下将部分规则聚合，从而只需要较少数目的转发规则就能实现原有规则的语义。相关工作包括ORTC、SMALTA和Bit weaving。其中，ORTC算法首先根据匹配域IP地址创建一棵二项树，其创建过程为：首先假设每个路由表都有一个默认路由，且将默认路由的转发端口作为根节点，并根据流表中每个转发规则的匹配域IP地址建立一条从根节点出发的路径，且将此转发规则对应的转发端口存放在叶子节点中。然后通过三次遍历二进制树来优化路由表，首先将默认路由项向下传播到树的空叶子节点，然后从叶子节点开始将转发端口集合依次传递到根节点，并找出集合中出现次数最多的转发端口放在根节点中，最后沿着树向下移动，剪除叶子节点中和根节点转发端口号相同的分支，即消除冗余的路径。ORTC算法要求每次更改原始表时，都要从头开始完全重新计算聚合表。这种重新计算的成本与树结构中节点的数量成线性关系，可能需要数百毫秒到数秒。

而SMALTA算法是基于前缀的压缩方案，通过查找具有相同转发端口且地址空间中具有相邻前缀的转发规则对来进行压缩，节省流表空间。前缀的压缩方案难免存在压缩的局限性，Bit weaving算法提出了位编织方法，是第一个非前缀压缩方案，通过将相邻的相同决策且汉明距离为1(即，只差一位)的流表项进行压缩，合并成一个项目，并用*取代对应的位。为识别并合并这些规则，位编织采用了两种新技术，位交换和位合并，位交换首先将规则列表切割成一系列分区，在每个分区中，交换规则中的某些列，重新将规则排序，使所有规则中包含*的位都排列在规则的末尾，然后对每个分区的规则进行合并，最后，将合并后的规则还原为它们的原始位排列，以生成最终的流表。主要优点是运行速度快，效率高，打破了前缀压缩方案的局限性。由于传统流表压缩方法都是采用二叉树法或决策树对已生成的流表进行压缩，并用通配符来表示，因此压缩性能好坏和已分配的路由息息相关，比较被动。故此，本发明提出了一种软件定义网络中基于生成树折叠路由的流表压缩方法，基于生成的路由进行流表压缩，解决了当前技术的不足。

与传统方案相比，本发明通过流表压缩和路由结合的方法，实现流表的压缩的同时减小流传输延时。并提出新的Spanning Tree算法构造重叠的路由，在寻路过程中还考虑流量本身特性，让急流先寻，缓流后寻。不仅可以保证QoS，还使流表压缩更彻底，更灵活。