摘 要：【目的】雖然軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）是一種開(kāi)放的架構(gòu)，但也存在著各類(lèi)網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤。為實(shí)現(xiàn)SDN的高可用性，對(duì)故障檢測(cè)與修復(fù)機(jī)制進(jìn)行研究是至關(guān)重要的?！痉椒ā渴紫?，對(duì)SDN架構(gòu)與OpenFlow協(xié)議進(jìn)行分析，總結(jié)出SDN網(wǎng)絡(luò)中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤，并設(shè)計(jì)出數(shù)據(jù)平面錯(cuò)誤檢測(cè)方法。其次，基于主動(dòng)修復(fù)與被動(dòng)修復(fù)機(jī)制，并考慮數(shù)據(jù)流量服務(wù)的質(zhì)量（QoS）需求，從而提出主動(dòng)與被動(dòng)相結(jié)合的故障修復(fù)機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，本研究設(shè)計(jì)出基于開(kāi)源代碼的故障檢測(cè)與修復(fù)方法，其使用的是非同步報(bào)警機(jī)制監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)故障數(shù)量和影響程度選擇3種修復(fù)模式?！窘Y(jié)果】試驗(yàn)結(jié)果表明，本研究設(shè)計(jì)的方法能有效檢測(cè)出SDN數(shù)據(jù)平面中常見(jiàn)的錯(cuò)誤，在保障QoS的前提下，能最大限度恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)功能?！窘Y(jié)論】該方法在處理多類(lèi)故障和考慮QoS需求方面超過(guò)現(xiàn)有機(jī)制，為SDN高可用性和應(yīng)用提供理論與實(shí)踐基礎(chǔ)，而進(jìn)一步提高對(duì)復(fù)雜故障的處理能力和增強(qiáng)自修復(fù)智能性是后續(xù)的研究方向。

關(guān)鍵詞：SDN聯(lián)網(wǎng)；故障檢測(cè)；故障修復(fù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393.06" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1003-5168（2024）02-0021-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.02.004

Research on Fault Detection and Recovery Techniques in SDN Networks

XU Haohao

（China Mobile Communications Group Henan Co.， Ltd.， Zhengzhou 450008， China）

Abstract： [Purposes] Although Software Defined Networking （SDN） is an open architecture， there are also various network errors. In order to realize the high availability of SDN， it is very important to study the fault detection and repair mechanism. [Methods] Firstly， the SDN architecture and OpenFlow protocol are analyzed， and the possible errors in the SDN network are summarized， and the data plane error detection method is designed. Secondly， based on the active repair and passive repair mechanism， and considering the quality of service（QoS） requirements of data traffic， a fault repair mechanism combining active and passive repair is proposed. On this basis， this study designs a fault detection and repair method based on open source code， which uses an asynchronous alarm mechanism monitoring network， and selects three repair modes according to the number of faults and the degree of influence. [Findings] The experimental results show that the method designed in this study can effectively detect common errors in the SDN

data plane， and can maximize the recovery of network functions under the premise of guaranteeing QoS. [Conclusions] This method is superior to the existing mechanisms in dealing with multiple types of faults and considering QoS requirements， which provides a theoretical and practical basis for SDN high availability and application. Further improving the ability to deal with complex faults and enhancing self-healing intelligence are the follow-up research directions.

Keywords： SDN networking; fault detection; fault recovery

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模和服務(wù)種類(lèi)也日益豐富，尤其是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等領(lǐng)域發(fā)展迅猛，從而使互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)需求更加多樣化。在傳統(tǒng)的分布式網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)必須同時(shí)具備控制邏輯、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，且?jié)點(diǎn)還需要同時(shí)接收數(shù)千種不同的分布協(xié)議，只有這樣，才能讓整個(gè)網(wǎng)絡(luò)更加智能化，但這會(huì)導(dǎo)致原本十分簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備變得越來(lái)越復(fù)雜。由于不同設(shè)備是由不同廠商自行設(shè)計(jì)生產(chǎn)的，都有專(zhuān)屬的接口，從而導(dǎo)致對(duì)網(wǎng)絡(luò)的管理比較麻煩，很可能會(huì)產(chǎn)生一些差錯(cuò)，且無(wú)法根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)改變及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，導(dǎo)致新的控制技術(shù)無(wú)法直接應(yīng)用到現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中，其靈活性和可擴(kuò)充性無(wú)法適應(yīng)飛速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)。

1 相關(guān)技術(shù)分析

1.1 SDN體系結(jié)構(gòu)

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）能解決網(wǎng)絡(luò)控制與轉(zhuǎn)發(fā)之間的矛盾，并在邏輯上對(duì)其進(jìn)行集中式編程，使其能對(duì)上層應(yīng)用和業(yè)務(wù)進(jìn)行抽象化操作。開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)基金（ONF）是由谷歌、雅虎、Facebook等企業(yè)于2011年聯(lián)合發(fā)起的一個(gè)非營(yíng)利組織，主要負(fù)責(zé)SDN的開(kāi)發(fā)與標(biāo)準(zhǔn)化工作，是當(dāng)前研發(fā)SDN標(biāo)準(zhǔn)中最活躍、最大的一個(gè)組織。由ONF機(jī)構(gòu)定義的SDN體系架構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可分成3個(gè)層次：①數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層是由幾個(gè)沒(méi)有控制功能的網(wǎng)絡(luò)裝置組成的，用來(lái)處理數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)發(fā)和收集局部狀態(tài)信息；②控制層。在邏輯上，控制層是一個(gè)被中心化的控制器，可用來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)層中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行控制和管理，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和狀態(tài)信息進(jìn)行維護(hù)；③應(yīng)用層。在SDN網(wǎng)絡(luò)中，最上面的是由多個(gè)SDN網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)應(yīng)用組成的應(yīng)用層。在SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，控制數(shù)據(jù)層、應(yīng)用程序控制層之間的界面也是重要的組成部分，能實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)行為的控制，并對(duì)設(shè)備的性能進(jìn)行查詢(xún)、對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和匯報(bào)、對(duì)設(shè)備目前狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和對(duì)事件進(jìn)行匯報(bào)。應(yīng)用程序控制層界面為用戶(hù)提供了一個(gè)抽象的網(wǎng)絡(luò)視圖，讓用戶(hù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)行為進(jìn)行直接控制，從多個(gè)層次對(duì)網(wǎng)絡(luò)及功能進(jìn)行抽象化操作。

根據(jù)ONF對(duì)SDN的定義，在SDN體系結(jié)構(gòu)中，集中式控制和分布式數(shù)據(jù)平面是互相獨(dú)立的。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于數(shù)據(jù)層的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。在應(yīng)用層中，利用控制器的開(kāi)放性可編程接口對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包進(jìn)行控制與管理。此外，ONF還提供了控制數(shù)據(jù)層接口的公開(kāi)OpenFlow標(biāo)準(zhǔn)，要求下層所有設(shè)備使用統(tǒng)一的接口，從而使下層的控制層與應(yīng)用層不用再依靠下層廠商提供的交換機(jī)設(shè)備。

1.2 OpenFlow技術(shù)

在OpenFlow交換機(jī)中，僅有一張組表，不依賴(lài)多層次的流表，此外，還包含多個(gè)數(shù)據(jù)組的條目。組表項(xiàng)包括組ID（Group ID）、組類(lèi)型、計(jì)數(shù)器、行動(dòng)桶。一個(gè)組ID可唯一識(shí)別一個(gè)表格項(xiàng)目，計(jì)數(shù)器是對(duì)這個(gè)表格項(xiàng)目進(jìn)行計(jì)數(shù)。組類(lèi)型在行動(dòng)桶中定義了執(zhí)行指令的方式，包含以下4種類(lèi)型。①所有（All）。在全部行動(dòng)桶中執(zhí)行全部行動(dòng)，適合在廣播或組播時(shí)使用。數(shù)據(jù)包會(huì)被大量拷貝，這些拷貝會(huì)被單獨(dú)的行動(dòng)桶所處理。②選擇（Select）。在一個(gè)特定的行動(dòng)桶中執(zhí)行一個(gè)行動(dòng)，由交換機(jī)使用特定的算法選擇出一個(gè)行動(dòng)桶來(lái)處理數(shù)據(jù)包。③間接（Indirect）。在指定表格條目中執(zhí)行特定的操作，該表格條目中僅存在一個(gè)操作。④快速故障恢復(fù)（Fast Failover）。在第一個(gè)有效操作桶中執(zhí)行一個(gè)操作。在組表項(xiàng)目中，F(xiàn)ast Failove至少包含兩個(gè)動(dòng)作，每個(gè)動(dòng)作都要包含一個(gè)活動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)（Liveness Monitoring）項(xiàng)目。當(dāng)一個(gè)行動(dòng)桶中的活躍狀態(tài)項(xiàng)目在某一范圍內(nèi)時(shí)（觀察端口和觀察組均不等于OxffffffffL），這個(gè)行動(dòng)桶是有效的。這些行動(dòng)桶是有順序的，第一個(gè)在活躍狀態(tài)的行動(dòng)桶中的動(dòng)作會(huì)被執(zhí)行，若第一個(gè)行動(dòng)桶出現(xiàn)故障（Oxffffffff），下一個(gè)處于活躍狀態(tài)的行動(dòng)桶生效，以此類(lèi)推。如果行動(dòng)桶的監(jiān)控狀態(tài)不起作用，這個(gè)數(shù)據(jù)包就會(huì)被拋棄。本研究通過(guò)對(duì)FastFailover進(jìn)行分析，提出了一種基于FastFailover的交換算法［1］。

2 SDN網(wǎng)絡(luò)故障檢測(cè)與恢復(fù)技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 SDN網(wǎng)絡(luò)故障

SDN是一個(gè)由數(shù)據(jù)和控制組成的獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)，傳輸信道被分為兩部分，即控制信道和數(shù)據(jù)信道。Tnband控制表示控制信道與數(shù)據(jù)信道共用同一鏈路，Outbound控制表示控制信道與數(shù)據(jù)信道采用獨(dú)立鏈路，且控制信道由一條特殊鏈路構(gòu)成。目前，大多數(shù)對(duì)SDN的研究與應(yīng)用都基于對(duì)SDN的外部控制展開(kāi)，本研究也是基于此展開(kāi)的。其中，控制信道是一種在控制器與交換機(jī)之間進(jìn)行信息交換、裝置狀態(tài)報(bào)告、流表格入口傳輸?shù)鹊膶?zhuān)用通信鏈路。在上述情況中，數(shù)據(jù)通道作為交換機(jī)和主機(jī)之間傳輸數(shù)據(jù)的通信鏈路。當(dāng)只有一個(gè)控制器的控制層發(fā)生故障時(shí)，極易導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓，而應(yīng)用多個(gè)控制器形成的簇將會(huì)提高控制層的可靠性，SDN控制層中有多個(gè)控制器。綜上所述，SDN中有3個(gè)主要失敗區(qū)域，即數(shù)據(jù)級(jí)故障（switch或link故障）、控制信道故障（控制器和交換機(jī)之間的連接故障）、控制層故障（控制層故障或控制層之間的連接故障）。

控制層面和控制通道故障可通過(guò)冗余備份機(jī)制來(lái)解決，使用主從型控制器簇、OpenFlow多控制器連通、控制器角色（Master、Slave與Equal）的柔性過(guò)渡等方法，對(duì)控制層與控制信道的故障進(jìn)行研究?？刂菩诺拦收峡煞譃閮煞N，即交換結(jié)點(diǎn)故障和連接故障，以下將重點(diǎn)討論這兩類(lèi)故障。①鏈路故障。交換機(jī)之間的鏈路連接被破壞或交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)介面失效（交換網(wǎng)卡介面或網(wǎng)卡自身失效）。盡管這兩個(gè)錯(cuò)誤并不相同，但都會(huì)造成兩臺(tái)交換器之間的連接中斷。因此，都被認(rèn)為是連接故障。②交換節(jié)點(diǎn)故障。交換節(jié)點(diǎn)失效的原因有很多，每一種都會(huì)對(duì)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)產(chǎn)生不同影響。SDN交換機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖2可以看出，交換機(jī)節(jié)點(diǎn)故障可分為3類(lèi)：①交換機(jī)電源供給中斷。如果交換機(jī)沒(méi)有備用電源，斷電將會(huì)使交換機(jī)完全停止工作，并使其出現(xiàn)功能故障；②交換機(jī)安全信道故障。交換機(jī)與控制器相連的安全信道發(fā)生故障，交換機(jī)與控制器之間的通信被切斷，交換機(jī)無(wú)法收到控制器發(fā)出的轉(zhuǎn)發(fā)決策和管理指令，只能按照原來(lái)的流表項(xiàng)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。③交換機(jī)的轉(zhuǎn)送函數(shù)發(fā)生錯(cuò)誤。交換機(jī)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)函數(shù)故障是由交換機(jī)數(shù)據(jù)流存儲(chǔ)被破壞或與數(shù)據(jù)包相匹配的轉(zhuǎn)送組件被破壞所引起的［2］。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于SDN的網(wǎng)絡(luò)故障檢測(cè)與恢復(fù)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示，其中，錯(cuò)誤檢測(cè)模塊由開(kāi)關(guān)錯(cuò)誤和鏈接錯(cuò)誤組成，用來(lái)監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)變化、收集警報(bào)信息。在此基礎(chǔ)上，提出了一種新的故障診斷方法。將故障恢復(fù)模塊分為3個(gè)部分，分別為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建、路徑計(jì)算和轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則下發(fā)，用來(lái)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜娃D(zhuǎn)發(fā)規(guī)則倉(cāng)庫(kù)。這些倉(cāng)庫(kù)會(huì)隨著網(wǎng)絡(luò)變化而實(shí)時(shí)更新，同時(shí)還可為路由故障修復(fù)提供路徑計(jì)算和轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則下發(fā)的功能。

3 結(jié)果分析

3.1 故障修復(fù)時(shí)間

首先，對(duì)系統(tǒng)故障的修復(fù)速度進(jìn)行估計(jì)，并將該方法與現(xiàn)有的主動(dòng)性故障修復(fù)方法（ARM）和被動(dòng)性故障修復(fù)法 （PRM）進(jìn)行對(duì)比分析，從而驗(yàn)證了該方法的有效性。其次，將連接帶寬的上限限定為10 Mbps，并利用Iperf對(duì)1個(gè)10 Mbps的UDP進(jìn)行分組，以0.4 ms的時(shí)間間隔分別從H1到H3、H1到H4、H2到H3進(jìn)行同步傳輸，連續(xù)傳輸30 s，此時(shí)BFD探測(cè)到的傳輸速度為10 Mbps。該算法在工作通道上進(jìn)行普通轉(zhuǎn)送，當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，能找出數(shù)據(jù)包丟失情況。在應(yīng)用本研究所提出的修復(fù)機(jī)制時(shí)，服務(wù)端 UDP會(huì)分組接收?qǐng)?bào)告。

目前，傳輸5 s時(shí)，從H1到H4丟包的個(gè)數(shù)為92個(gè)，從H1到H3、H2到H3丟包的個(gè)數(shù)均為94個(gè)，平均值為37.1 ms，連續(xù)進(jìn)行50次測(cè)試，并取平均值。ARM方案大約需要24～35 ms的時(shí)間才能復(fù)原，而平均復(fù)原時(shí)間為30.82 ms；VLAN PS方案的修復(fù)時(shí)間為31～43 ms，平均復(fù)原時(shí)間為37.43 ms；PRM的波動(dòng)幅度為117～146 ms，平均復(fù)原時(shí)間為128.81 ms。由于該系統(tǒng)不用對(duì)控制端進(jìn)行任何操作，且交換機(jī)能將發(fā)生故障后的數(shù)據(jù)流直接轉(zhuǎn)換到備份通道中，因此，該系統(tǒng)的恢復(fù)時(shí)間較短。此外，由于本研究設(shè)計(jì)的方案在交換機(jī)輸出端口采用了基于優(yōu)先級(jí)的排隊(duì)管理調(diào)度策略來(lái)保證服務(wù)質(zhì)量，因此，該方案的恢復(fù)時(shí)間要高于ARM所需要的恢復(fù)時(shí)間，但仍在可接受的范圍內(nèi)，即低于電信級(jí)別（50 ms）的要求［3］。

3.2 備份資源消耗

在對(duì)網(wǎng)絡(luò)失效進(jìn)行修復(fù)時(shí)，需要的傳輸規(guī)則包括工作通路上的流表項(xiàng)、組表項(xiàng)和備用通路上的流表項(xiàng)。在Mininet中輸入CLI指令“pingall”后，每個(gè)主機(jī)都會(huì)發(fā)出一個(gè)“ping”的要求，然后生成一個(gè)不同來(lái)源或目標(biāo)地址的數(shù)據(jù)， Ryu控制程序會(huì)對(duì)工作路線和備用路線進(jìn)行處理，并將該操作指令發(fā)給相應(yīng)開(kāi)關(guān)。為驗(yàn)證該方案在存儲(chǔ)容量上的正確性，通過(guò)VLAN PS與ARM這兩種方案對(duì)數(shù)據(jù)備份的占用進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)一個(gè)“pingall”指令被執(zhí)行一次后，兩個(gè)交換機(jī)就會(huì)生成6個(gè)具有不同來(lái)源和目標(biāo)地址的數(shù)據(jù)流，最終會(huì)在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲猩梢粋€(gè)完整的連接。所以，試驗(yàn)過(guò)程中會(huì)逐步加大互相ping的對(duì)數(shù)，并對(duì)比兩種方式所需傳輸項(xiàng)目的個(gè)數(shù)。在更小的組合對(duì)數(shù)下，這兩種方式的轉(zhuǎn)發(fā)費(fèi)用幾乎相同。然而，隨著網(wǎng)絡(luò)中不同主機(jī)之間的數(shù)據(jù)流增多，當(dāng)互ping主機(jī)的組合對(duì)數(shù)為3時(shí)，二者產(chǎn)生差異，ARM的轉(zhuǎn)發(fā)項(xiàng)數(shù)量逐漸大于VLAN PS，ARM消耗的轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)為64條，VLAN PS消耗的轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)為54條。這是因?yàn)閂LAN PS只與鏈路相關(guān)，所以當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)同一條鏈路時(shí)，備用通道中的所有開(kāi)關(guān)都會(huì)按照一定規(guī)律來(lái)完成相應(yīng)操作，而ARM則是按照一定規(guī)律來(lái)完成相應(yīng)操作，當(dāng)源地址和目的地址發(fā)生變化時(shí)，會(huì)發(fā)出相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求。

3.3 主動(dòng)修復(fù)模式

3.3.1 即時(shí)主動(dòng)修復(fù)模式。主機(jī)h1（IP地址為10.0.0.1）在 Iperf Client狀態(tài)下工作，主機(jī)h3 （IP地址為10.0.0.3）在 Iperf Service狀態(tài)下工作， hl利用iperf-c10.0.0.3-a-t30-150-b800k，每隔0.5 ms將正常的UDP數(shù)據(jù)包發(fā)送給h3，h3利用iperf-s-a-i5來(lái)接收h1發(fā)送的數(shù)據(jù)包，并生成數(shù)據(jù)包傳輸性能報(bào)告。在Mininet指令列下，通過(guò)將指令鏈接s1s2down仿真鏈路〈sl〉斷裂開(kāi)來(lái)，用來(lái)仿真主要通路上的鏈路故障情況。在linux命令行下，輸入命令sudoovs-vsctldel-brs2來(lái)模擬交換機(jī)s2出現(xiàn)故障，本研究著重分析故障檢測(cè)和恢復(fù)系統(tǒng)在處理鏈路故障時(shí)的函數(shù)和性能結(jié)果。網(wǎng)絡(luò)處于正常狀態(tài)時(shí)，UDP的數(shù)據(jù)分組通過(guò)“sl”的主路徑傳輸?shù)侥繕?biāo)主機(jī)h3，當(dāng)鏈路“sl”出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，通過(guò)Wireshark的抓包工具，可以發(fā)現(xiàn)UDP的數(shù)據(jù)分組通過(guò)備用路徑從開(kāi)關(guān)s1的s1-eth4端口通過(guò)備用路徑。在〈s〉傳輸至h3時(shí)，h3的數(shù)據(jù)包收到報(bào)告，在0.0～5.0 s內(nèi)，數(shù)據(jù)包收到正常，在5.0～10.0 s時(shí)，數(shù)據(jù)包丟失，在10.0 s時(shí)，數(shù)據(jù)包收到回復(fù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可在主要通道中偵測(cè)到單一故障狀態(tài)，并在沒(méi)有QoS保障的前提下，使用一種積極的方式來(lái)修復(fù)數(shù)據(jù)包。根據(jù)主機(jī)h3的Iperf服務(wù)端分組接收到的報(bào)告，當(dāng)系統(tǒng)的主動(dòng)式恢復(fù)模式進(jìn)行單故障處理時(shí)，丟失12個(gè)分組，則故障恢復(fù)時(shí)間為12×0.5 ms=6 ms。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)20次試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)該系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并對(duì)該系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3.3.2 審議主動(dòng)修復(fù)模式。首先，主機(jī)h1以0.5 ms的時(shí)間間隔將所要傳輸?shù)腢DP文件流（iperf-c10.0.0.3-a-150-b800k-Ftestvideo.m4e）傳送到主機(jī)h3中。其次，在Mininet指令列下輸入指令鏈接s1s2下仿真鏈路〈sl〉斷裂，可模擬出主要通路上的鏈路故障情況。當(dāng)主要通路上〈sl〉鏈路被切斷后，由Wireshark抓包結(jié)果可知，UDP視頻分組先經(jīng)過(guò)備份通路〈s〉，再經(jīng)過(guò)s1的s1-eth4端口被發(fā)送到h3。最后，通過(guò)Wireshark抓包發(fā)現(xiàn)，文件通過(guò)〈s〉路徑流動(dòng)到在交換機(jī)s5的s5-eth3端口上抓包的h3。h3的數(shù)據(jù)包接收?qǐng)?bào)告，數(shù)據(jù)包丟失發(fā)生在20.0-25.0，此后數(shù)據(jù)包傳輸正常。試驗(yàn)結(jié)果證明，該系統(tǒng)在發(fā)現(xiàn)單一故障時(shí)，能對(duì)數(shù)據(jù)流的流量特征進(jìn)行辨識(shí)，并使用模型對(duì)故障數(shù)據(jù)流進(jìn)行優(yōu)化求解。由數(shù)據(jù)包接收?qǐng)?bào)告可知，在以0.5 ms間隔發(fā)送的文件流故障期間，共丟失了20個(gè)數(shù)據(jù)包，即主動(dòng)修復(fù)模式的修復(fù)時(shí)間為20×0.5 ms=10 ms。此外，針對(duì)該類(lèi)故障提出解決方案，并通過(guò)20個(gè)試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)其穩(wěn)定性，對(duì)其各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)［4］。

3.4 被動(dòng)修復(fù)模式

主機(jī)h1每隔0.5 ms運(yùn)行一次iperf-c10.0.0.3-a-t30-150-b800k，將正常的UDP數(shù)據(jù)包傳送到主機(jī)h3。在Mininet指令行下，運(yùn)行“鏈接s1S2下降”“鏈接s1S5下降”指令，分別仿真鏈接〈sl，s2〉和〈s1，s5〉的斷開(kāi)，從而使h1到h3的主要通路和備用通路同時(shí)故障。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作良好時(shí)，封包會(huì)經(jīng)由〈sl，s2，s3〉private通路抵達(dá)傳送目標(biāo)。在發(fā)生2次鏈接錯(cuò)誤后，利用Wireshark進(jìn)行捕捉，可知UDP數(shù)據(jù)包在s1的sl-eth3端口上經(jīng)過(guò)新的路徑〈s〉向h3傳送。對(duì)目標(biāo)主機(jī)的封包收到情況進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)在0.0～5.0 s時(shí)間內(nèi)，資料傳輸情況良好，無(wú)封包丟包現(xiàn)象；在5.0～20.0 s的時(shí)間內(nèi)，出現(xiàn)數(shù)據(jù)包遺失現(xiàn)象，表示有一個(gè)錯(cuò)誤；在20.0 s后，數(shù)據(jù)包的傳輸重新回到原來(lái)狀態(tài)，這意味著系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)一個(gè)錯(cuò)誤，且路由重新獲得成功。試驗(yàn)結(jié)果證明，該方法能有效辨識(shí)出多重故障情況，并利用一種無(wú)源的復(fù)原方式對(duì)受損流量進(jìn)行再一次有效的復(fù)原。由h3的Iperf服務(wù)器端統(tǒng)計(jì)信息可知，在故障過(guò)程中，以0.5 ms間隔發(fā)送的數(shù)據(jù)包共丟失了330個(gè)，即該系統(tǒng)被動(dòng)修復(fù)模式的修復(fù)時(shí)間為330×0.5 ms=165 ms。對(duì)這兩種類(lèi)型的失效情況進(jìn)行了20次試驗(yàn)，并進(jìn)行相應(yīng)的性能評(píng)估。

3.5 測(cè)試結(jié)果分析

對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，從而證明了該系統(tǒng)能有效解決數(shù)據(jù)級(jí)故障問(wèn)題。通過(guò)對(duì)3種不同的故障情況進(jìn)行仿真試驗(yàn)，結(jié)果表明，該系統(tǒng)能正確偵測(cè)出故障情況，并對(duì)故障情況做出判斷，可使用最優(yōu)的復(fù)原方式來(lái)復(fù)原路徑。通過(guò)對(duì)各種故障情況進(jìn)行仿真分析，表明該故障檢測(cè)與修復(fù)方法的性能良好，具有較強(qiáng)的魯棒性，能長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。在效能上，以上述3個(gè)故障場(chǎng)景為例，進(jìn)行20個(gè)模擬故障試驗(yàn)，并以目標(biāo)主機(jī)所接收到的數(shù)據(jù)包丟失為統(tǒng)計(jì)依據(jù)，計(jì)算出故障修復(fù)所需的時(shí)間，備用路徑的主動(dòng)型故障恢復(fù)時(shí)間約為6.75 ms，在電信網(wǎng)絡(luò)中能達(dá)到50 ms的標(biāo)準(zhǔn)，這是因?yàn)橹鲃?dòng)型故障恢復(fù)無(wú)需與控制器進(jìn)行交互，且交換機(jī)可直接切換到備份路徑。針對(duì)單一故障情況，可使用主動(dòng)恢復(fù)方式，當(dāng)主回路發(fā)生故障時(shí)，將切換到備用回路，并由故障檢測(cè)與修復(fù)系統(tǒng)重新分配最佳回路。在切換到備份路徑過(guò)程中，與主動(dòng)式相比，花費(fèi)時(shí)間一樣。但在向交換機(jī)發(fā)送新路徑過(guò)程中，會(huì)導(dǎo)致一些數(shù)據(jù)包丟失。在失敗過(guò)程中，平均恢復(fù)時(shí)間大約為13.8 ms，比正常的主動(dòng)修復(fù)要稍微長(zhǎng)一些，但也符合運(yùn)營(yíng)商的需求。此外，在失敗過(guò)程中，還可使用語(yǔ)音、視頻等，為用戶(hù)提供高質(zhì)量服務(wù)。在多個(gè)故障情況下，使用控制器的故障被動(dòng)修復(fù)時(shí)間為170.5 ms左右，這是因?yàn)橐丫W(wǎng)絡(luò)故障信息傳輸?shù)娇刂破魃希到y(tǒng)對(duì)故障種類(lèi)進(jìn)行判定，然后重新計(jì)算出一條路徑，再將流表項(xiàng)下發(fā)給交換機(jī)，所以，故障修復(fù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，不能達(dá)到運(yùn)營(yíng)商的要求。因此，為了減少故障修復(fù)時(shí)間，應(yīng)對(duì)被動(dòng)修復(fù)模式進(jìn)行深入研究［5］。

4 結(jié)語(yǔ)

SDN具有控制層和數(shù)據(jù)層分離的特點(diǎn)，對(duì)SDN中交換節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)層的故障檢測(cè)與修復(fù)技術(shù)進(jìn)行了大量研究，但對(duì)控制層中控制器單點(diǎn)失效問(wèn)題的研究并不多。SDN控制器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心，其失效會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓。本研究利用集群技術(shù)對(duì)軟件定義網(wǎng)中的控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行主從式熱備份，主從式控制節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障后，可快速切換到備用控制節(jié)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究SDN中控制器的故障檢測(cè)與修復(fù)方法，提高SDN在控制層中的可靠性。

參考文獻(xiàn)：

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