之前,笔者已经发布了网络感知应用和基于跳数的最短路径转发应用。本文将介绍笔者开发的网络时延探测应用。该应用通过LLDP数据包的时延和Echo数据包的时延计算得出链路的时延数据,从而实现网络链路时延的感知。详细原理和实现步骤将在文章中详细介绍。
测试原理
网络时延探测应用利用了Ryu自带的Switches模块的数据,获取到了LLDP数据发送时的时间戳,然后和收到的时间戳进行相减,得到了LLDP数据包从控制器下发到交换机A,然后从交换机A到交换机B,再上报给控制器的时延T1,示例见图1的蓝色箭头。同理反向的时延T2由绿色的箭头组成。此外,控制器到交换机的往返时延由一个蓝色箭头和一个绿色箭头组成,此部分时延由echo报文测试,分别为Ta,Tb。最后链路的前向后向平均时延T=(T1+T2-Ta-Tb)/2。
图1. 测量链路时延原理图
获取LLDP时延
获取T1和T2的逻辑一样,均需要使用到Switches模块的数据。计算LLDP时延的处理逻辑如下代码所示。首先从Packet\_in中解析LLDP数据包,获得源DPID,源端口。然后根据发送端口的数据获取到portdata中的发送时间戳数据,并用当下的系统时间减去发送时间戳,得到时延,最后将其保存到graph数据中。
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@set_ev_cls(ofp_event.EventOFPPacketIn, MAIN_DISPATCHER) def packet_in_handler(self, ev): msg = ev.msg try: src_dpid, src_port_no = LLDPPacket.lldp_parse(msg.data) dpid = msg.datapath.id in_port = msg.match['in_port'] if self.sw_module is None: self.sw_module = lookup_service_brick('switches') for port in self.sw_module.ports.keys(): if src_dpid == port.dpid and src_port_no == port.port_no: port_data = self.sw_module.ports[port] timestamp = port_data.timestamp if timestamp: delay = time.time() - timestamp self._save_delay_data(src=src_dpid, dst=dpid, lldpdelay=delay) except LLDPPacket.LLDPUnknownFormat as e: return |
获取Echo时延
之后,我们还需要测试控制器到交换机之间的echo往返时延。其测量方法是通过在控制器给交换机发送携带有时间戳的echo\_request报文,然后解析交换机返回的echo\_reply,并用当下时间减去data部分解析的发送时间,获得往返时间差。所以我们需要完成echo\_request的定时发送和解析的实现,详细示例代码如下:
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def _measure(self): while True: self._send_echo_request() hub.sleep(self.SLEEP_PERIOD) def _send_echo_request(self): for datapath in self.datapaths.values(): parser = datapath.ofproto_parser data = "%.6f" % time.time() echo_req = parser.OFPEchoRequest(datapath, data=data) datapath.send_msg(echo_req) @set_ev_cls(ofp_event.EventOFPEchoReply, MAIN_DISPATCHER) def echo_reply_handler(self, ev): try: latency = time.time() - eval(ev.msg.data) self.echo_latency[ev.msg.datapath.id] = latency except: return |
完成echo时延的计算之后,将其保存到echo\_latency字典中,已备后续计算使用。
计算链路时延
完成时延数据获取之后,还需要基于这些数据,计算出链路的时延,公式就是T=(T1+T2-Ta-Tb)/2。所以编写计算方法,示例代码如下。其中get\_delay方法用于计算对应交换机之间的链路时延,\_save\_delay\_data可以用于计算和存储lldp的时延和链路时延,其功能根据传入参数而定。而calculate\_link\_delay方法则用于调用计算方法,并将时延结果存储到networkx图数据结构中。
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def get_dalay(self, src, dst): try: fwd_delay = self.graph[src][dst]['lldpdelay'] re_delay = self.graph[dst][src]['lldpdelay'] src_latency = self.echo_latency[src] dst_latency = self.echo_latency[dst] delay = (fwd_delay + re_delay - src_latency - dst_latency)/2 return max(delay, 0) except: return float('inf') def _save_delay_data(self, weight='lldpdelay', src=0, dst=0, lldpdelay=0): if self.network_aware is None: self.network_aware = lookup_service_brick('network_aware') return else: self.graph = self.network_aware.graph if weight == 'delay': for src in self.graph: for dst in self.graph[src]: if src == dst: self.graph[src][dst][weight] = 0 continue self.graph[src][dst][weight] = self.get_dalay(src, dst) elif weight == 'lldpdelay': try: self.graph[src][dst][weight] = lldpdelay except: return def calculate_link_delay(self): self._save_delay_data(weight='delay') |
至此关于网络拓扑中链路时延的获取应用开发完成。需要注意的是,本应用需要依赖Ryu的topology/switches.py模块,所以如果单独使用时,需要配套启动switches.py。另外,与前面发表的应用相互结合,此应用中的graph是之前的network\_aware模块感知的网络拓扑数据graph。
图2.时延监控应用运行结果
总结
网络时延数据是网络重要数据,是许多网络决策的重要依据,所以网络时延数据测量非常重要。本文介绍了如何在Ryu中开发时延探测应用,并粘贴了关键的代码,希望对读者的学习提供一定的帮助。此外,还需要注意两点:(1)此时延探测模块十分初级,并没有精确性方面的考虑,比如需要将其放在核心层实现,在发送的最后时刻才添加时间戳,收到数据包的第一时刻马上解析时间戳等等,所以精确性不足。在Mininet模拟场景下,最开始的几组数据将会异常,但很快就可以恢复正常。(2)此处的拓扑数据均基于两个交换机之间仅有单链路存在的假设。若存在多链路,则数据会被最后获取的链路覆盖。解决这一问题的办法就是采用Neworkx的MultiGraph图结构来存储数据。最后希望本文能给读者带来一定的帮助,完整代码将于6月发布,敬请期待。
作者简介
李呈,2014/09-至今,北京邮电大学信息与通信工程学院未来网络理论与应用实验室(FNL实验室)攻读硕士研究生。
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