[发明专利]一种基于P4的SDN数据平面快速自主故障检测与恢复方法

权利要求书

1.一种基于P4的SDN数据平面快速自主故障检测与恢复方法，其特征在于，该方法是基于对网络数据平面的故障的自主检测与恢复，即链路故障的自主检测与恢复、交换机故障的自主检测与恢复，具体为：

所述链路故障包括链路断开和链路阻塞两个部分；

所述链路断开的故障检测与恢复：基于P4的技术下，在支持P4标准的相邻交换机间实现带状态的心跳包检测机制，所述P4标准的相邻交换机即P4交换机，以实现对链路断开故障的快速、自主检测；具体为，P4交换机周期性的对其各端口进行链路连通性检测，当某一端口连续未响应时，P4交换机将认为该端口对应链路断开，所述端口对应链路简称为端口链路；然后，通过P4技术扩展网络协议首部字段以容纳链路断开故障和恢复策略的信息，在P4交换机检测到端口链路断开的情况下，将链路断开故障和恢复策略的信息，即包括发生故障的端口链路编号、故障类型的信息植入到数据包扩展后的首部中，并由该P4交换机以广播方式传递给数据平面中的交换机以便启用预先部署的备用路径来绕过故障链路完成故障恢复的目标，最终能够在故障发生时在不依赖于控制平面的情况下对链路断开进行故障恢复；

所述链路阻塞的故障检测与恢复：通过P4技术扩展网络协议首部以记录数据包离开上一交换机的时间，从而相邻的下游P4交换机就可以获得数据包在该条链路上的传输时延，结合记录在该P4交换机寄存器中的这一传输时延的历史平均数值，通过指数平滑法或基于机器学习的方法计算出一个预测值，若该预测值高于所设定的阀值，则该P4交换机判定这条链路发生阻塞，启用链路阻塞故障恢复机制；链路阻塞的故障恢复也是通过广播形式传递故障和恢复策略信息，并由相关交换机协同启用备用路径以降低链路的阻塞程度；

所述交换机故障的检测与恢复：由于交换机故障会导致其所有端口链路断开，因此交换机故障的检测与恢复建立在链路断开的故障检测与恢复基础之上，当相邻P4交换机在检测到相应端口链路断开之后，在将链路断开的故障信息进行广播的过程中也相应检测了该交换机是否发生故障；若对方交换机能够收到该广播包，并进行应答，则判断该交换机并未出现故障；若在一定时间内未能收到来自对方交换机的应答，则可认为该交换机出现故障，需要通过广播形式传递该交换机故障和恢复策略信息，启动交换机故障恢复流程，切换至备用路径以绕过故障交换机，其恢复过程与链路断开的故障恢复模式相同。

2.根据权利要求1所述的一种基于P4的SDN数据平面快速自主故障检测与恢复方法，其特征在于，所述P4编译器是P4语言联盟根据P4语言标准设计的一种开源编译器；在版本P4-16的P4C中，standard_metadata_t数据类型作为P4C提供给P4程序员的标准数据接口，封装了一系列与支持P4标准的交换机运行状态有关的运行时数据；其中，ingress_global_timestamp成员字段与egress_global_timestamp成员字段分别表示数据包进入ingresspipeline阶段与egress pipeline阶段时，交换机提供给P4程序的时间戳；由于egresspipeline阶段后，数据包仅需要进行相关P4程序校验即可从交换机相应端口发出，无需进行任何队列等待，因此，相比链路延迟，从数据包进入egress pipeline到数据包离开交换机之间的时间忽略不计，egress_global_timestamp可认为是数据包实际离开交换机的时间戳；与此同时，由于parser阶段也是简单的字段校验过程，ingress_global_timestamp可认为是数据包实际达到交换机的时间戳；此外，需要实现网络中这些交换机的时间同步，可采用时间同步服务器实现。

3.根据权利要求1所述的一种基于P4的SDN数据平面快速自主故障检测与恢复方法，其特征在于，所述下游交换机的ingress_global_timestamp字段与上游交换机的egress_global_timestamp字段之差是交换机之间的链路延迟；由于P4语言提供了数据接口和可自定义的网络协议，因此通过P4语言扩展协议首部，下游交换机可以从所扩展的协议首部获取到上游交换机提供的egress_global_timestamp字段的值，从而获得对应链路的延迟信息。