一种基于INT的轻量化路径探测方法

一种基于int的轻量化路径探测方法
技术领域
1.本发明涉及计算机网络技术领域，特别涉及一种基于int的轻量化路径探测方法。


背景技术：

2.随着信息时代的快速发展，对5g、6g的网络服务提出了更高精准度和正确度的网络监控需求，以便尽早检测出网络故障或拥塞的应用程度，对其进行及时处理，保证网络畅通。
3.带内遥测(int)是一种新的网络监测方法，传统带内网络遥感可能会产生大量遥测数据，除了占据网络带宽以外，还加重了服务器数据收集、存储和分析负担；网络所有节点转发的所有流量都进行带内网络遥测，一个节点为每个数据包添加几十个字节的遥测数据，数据包在整个转发路径累计大量跟踪数据，这些累计跟踪数据甚至可能会超过原始数据包的大小产生额外的传输开销，导致链路利用率降低以及推迟数据完成时间，加重交换机处理负担，导致网络传输速度变慢。


技术实现要素：

4.发明目的：针对以上问题，本发明目的是提供一种基于int的轻量化路径探测方法。
5.技术方案：本发明的一种基于int的轻量化路径探测方法，包括以下步骤：
6.int源端将遥测报头封装到包含init信号的第i个数据包中，数据包通过传输链路上的交换机依次进行转发，直至到达int接收终端；
7.传输链路上的每一个交换机根据接收到的第i个数据包中携带的init信号，将当前的遥测状态变为准备插入id；
8.来自同一数据流的第i 1个数据包到达int源端时，当int源端检测到该数据包不包含任何遥测报头时，int源端将遥测报头封装到第i 1个数据包中，并插入id，发送至下一跳交换机；
9.下一跳交换机根据接收到的第i 1个数据包后，转发给下一跳交换机，直至到达int接收终端；
10.int接收终端从数据包中提取遥测探头，将遥测值发送给遥测服务器。
11.进一步，在所述int源端将遥测报头封装到包含init信号的第i个数据包中步骤之前，传输链路上的所有交换机状态均设置为等待初始化。
12.进一步，在所述int源端将遥测报头封装到第i 1个数据包中，并插入id步骤之后，int源端的遥测状态由准备插入id变为已插入id。
13.进一步，来自同一数据流的第i 2个数据包到达int源端时，int源端转发该数据包至下一跳交换机，处于准备插入id状态的交换机在遥测报头中插入id，并封装在第i 2个数据包中，状态更新为已插入id，数据包通过交换机依次进行转发，直至到达int接收终端。
14.进一步，当完成同一数据流的路径探测后，传输链路上的所有交换机均处于已插
入id的状态，int接收终端发出重置信号，重置信号反向路径转发至int源端，将所有交换机的遥测状态重置为等待初始化，重复执行路径探测。
15.有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：
16.1、本发明旨在保证监控精度的情况下，减轻int的传输开销；无须逐包处理，而是对归并后的数据流处理管理信息，大大降低每个节点的资源占用和处理复杂度；
17.2、为减少每个交换机需要维护的状态量，定义了p4可编程交换机内维护的一组遥测状态，有助于交换机协调、聚合分布在多个数据包中的遥测值；对于遥测状态查找和更新，使用布隆过滤器来压缩p4可编程交换机中的状态表，极大地优化了空间效率和查询时间。
附图说明
18.图1为路径探测实施框架图；
19.图2为路径探测流程图。
具体实施方式
20.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。
21.如图1，本实施例所述的本发明的一种基于int的轻量化路径探测方法，包括以下步骤：
22.int源端将遥测报头封装到包含init信号的第i个数据包中，数据包通过传输链路上的交换机依次进行转发，直至到达int接收终端；
23.传输链路上的每一个交换机根据接收到的第i个数据包中携带的init信号，将当前的遥测状态变为准备插入id；
24.来自同一数据流的第i 1个数据包到达int源端时，当int源端检测到该数据包不包含任何遥测报头时，int源端将遥测报头封装到第i 1个数据包中，并插入id，发送至下一跳交换机；
25.下一跳交换机根据接收到的第i 1个数据包后，转发给下一跳交换机，直至到达int接收终端；
26.int接收终端从数据包中提取遥测探头，将遥测值发送给遥测服务器。
27.在所述int源端将遥测报头封装到包含init信号的第i个数据包中步骤之前，传输链路上的所有交换机状态均设置为等待初始化。
28.在所述int源端将遥测报头封装到第i 1个数据包中，并插入id步骤之后，int源端的遥测状态由准备插入id变为已插入id。
29.来自同一数据流的第i 2个数据包到达int源端时，int源端转发该数据包至下一跳交换机，处于准备插入id状态的交换机在遥测报头中插入id，并封装在第i 2个数据包中，状态更新为已插入id，数据包通过交换机依次进行转发，直至到达int接收终端。
30.当完成同一数据流的路径探测后，传输链路上的所有交换机均处于已插入id的状态，int接收终端发出重置信号，重置信号反向路径转发至int源端，将所有交换机的遥测状态重置为等待初始化，重复执行路径探测。
31.为更清楚展现基于int的轻量化路径探测方法的实现过程，利用以下传输链路进行说明，此传输链路中设置了5台p4可编程交换机用来传输数据包，具体结构如图1、2所示，将交换机s1作为int源端，交换机s5作为int接收终端，交换机s2、s3和s4作为int转发设备，int接收终端连接遥测服务器。
32.定义了三种遥测状态，分别为等待初始化(此时交换机在等待初始化信号以插入其id)、准备插入id(此时交换机已经准备好将其id和遥测信息插入到数据流相应的数据包中)、和已插入id(此时交换机已经插入了自己的id，并等待信号恢复到初始状态，以便重新插入其id)。三种遥测状态使用布隆过滤器在每个p4可编程交换机中进行维护和更新，压缩p4交换机中的状态表，极大地优化空间效率和查询时间。
33.布隆过滤器工作流程为：
34.(1)布隆过滤器初始化：布隆过滤器中还未放入任何数据，所有位的值都是0，此时表示等待初始化的遥测状态；
35.(2)布隆过滤器查找：对于每个传入的数据包，通过计算预定义的包头字段(比如五元组)的m个哈希函数h1()，...hm()，以识别数据包所属的数据流的状态。识别数据流的状态是通过计算布隆过滤器中的值，即对预定义的包头字段进行m个哈希函数再取模运算。
36.(3)布隆过滤器更新：布隆过滤器的检索位置的值与三种遥测状态建立映射关系：即0表示等待初始化，1表示准备插入id，2表示已插入id。
37.带有5个交换机的基于int的轻量化路径探测方法，所有交换机中的布隆过滤器都设置为等待初始化状态，从交换机s1开始接收数据包，遥测值的插入顺序按照以下步骤进行：
38.步骤1，交换机s1作为该数据流的int源端，将遥测报头封装到包含init信号的数据包中，以触发后续传输链路上的交换机继续插入遥测值，当数据包在传输链路上传输时，传输链路上每个交换机都会收到init信号，该init信号会将当前交换机的遥测状态由等待初始化变为准备插入id。
39.步骤2，当来自同一个数据流的下一个数据包到达交换机s1时(此时交换机s1处于准备插入id状态)，交换机s1检测到该数据包中不包含任何遥测报头。交换机s1将遥测报头封装到数据包中，并插入自己的id。同时，交换机s1的遥测状态更改为已插入id。传输链路上后续交换机收到包含此遥测报头的数据包后，仅转发此数据包，而不进行插入id操作。传输链路上最后一个交换机s5为int接收终端，从数据包中提取遥测报头，并将遥测值发给遥测服务器。
40.步骤3，当下一个数据包到达交换机s1时，因为s1处于已插入id状态，交换机s1直接转发该数据包而不插入任何遥测值。随后，处于准备插入id状态的交换机s2执行与上一步中的s1相同的操作，即在遥测报头中插入其id，并被封装在数据包里。接下来，s2的状态更新为已插入id。
41.步骤4，与上一步规则类似，交换机s3和交换机s4进行遥测信息插入和转发数据包。
42.步骤5，传输链路下一个数据包到达时，交换机s1至s4均处于已插入id状态，由于交换机s5充当int接收终端，因此无需在数据报中插入遥测报头，交换机s5将匹配遥测报头，并提取全部遥测信息发送到遥测服务器，完成特定数据流的路径探测。
43.步骤6，到目前为止，只进行了一次特定数据流的路径探测，传输链路上的所有交换机均处于已插入id的状态，意味着不会向属于同一数据流的其他数据包插入遥测值。为了重复执行路径探测，将所有交换机的遥测状态重置为等待初始化。为此，int接收终端发出重置信号，将该信号反向路径转发至int源端。重置信号被装载到tcp报文的ack字段上，以最小化通信开销。收到该重置信号的每个交换机更改遥测状态为等待初始化。随后即可实现重复执行路径探测，按照之前的步骤1-5将遥测值插入到数据报中。
44.本发明利用int源端把遥测报头插入原始数据包中，从而指示沿途网络设备添加所期望采集的int元数据。在网络传输过程中的每一跳，int转发设备在其中插入采集到的各个int元数据。int接收终端在处理原始数据包之前会提取携带int元数据的遥测头部，并生成探测报告。该探测报告包含了数据包经过沿途网络设备时所采集到的逐跳实时网络状态信息。同时int接收终端还会把探测报告发送给遥测服务器，完成路径探测。