基于流量的SDN最短路径转发应用
2015-11-30 by muzi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。
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
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])
if len(path) > 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) > 1:
# the last flow entry: tor -> 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。