面向空天地一体化算力网络的轻量化带内遥测方法

本发明涉及网络测量信息领域，具体涉及面向空天地一体化算力网络的轻量化带内遥测方法。

背景技术：

1、基于传统网络架构的测量方案受到网络设备的限制。在网络部署时需要对网络的测量能力进行设计和支持。这类方案定制化程度高，导致协议可扩展性和部署灵活性较差。针对固化机构为灵活网络测量带来的限制，研究人员开始诉诸于新兴的软件定义网络(software defined networking，sdn )与可编程协议独立分组处理器( programmingprotocol-independent packet processors，p4 )以及相应的实现可编程数据平面的转发模型，赋予了数据平面更高的灵活性和可编程性。带内遥测（in‐band network telemetry，int）是p4的典型应用，其作为新型的混合网络测量技术，通过使用int报头和附加int元数据，允许网络状态信息以捎带的方式添加到数据包中，并伴随数据包在网络中遍历，不需要网络控制平面干预的情况下实现数据平面被动收集和报告实时细粒度分组网络信息。

2、然而，传统带内遥测存在一些限制如下：（1）可扩展性较差；（2）网络兼容性不佳；（3）网络测量需求无法按需选择；（4）缺乏合理的数据包导航策略。分段路由（segmentrouting，sr）技术是一项基于源路由的路由技术，节点借助成为分段路由头（segmentrouting header，srh）中的有序列表来引导数据包的转发,可以很好地满足路径规划需求。srv6是sr技术的杰出代表，srv6通过在ipv6数据包中增加一个名为段路由扩展包头 (分段路由头)的扩展头将sr和ipv6结合起来，它通过这些灵活的ipv6扩展报头实现网络编程能力，使用一个形同ipv6地址的分段路由节点标识（segment id，sid）来标识一个节点。现有研究一部分带内遥测的数据包处理逻辑而忽略数据包的转发设计，导致遥测方案不具备可扩展性，另一部分尽管使用sr技术指引数据包转发，但没有考虑过程中带来的各类开销，因此，现有方案无法应对大规模空天地一体化网络中网络动态化、大规模的特征，从而实现高效的网络测量。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明公开了面向空天地一体化算力网络的轻量化带内遥测方法，通过srv6对按需节点进行测量，同时对于每个所需节点，借助软件交换机的可编程性使用探测包头中的默认位图与节点对应的sid的arg字段实现元数据项按需测量，结合低开销的探测路径规划实现带内遥测的轻量化与定制化。

2、具体方案包括：

3、面向空天地一体化算力网络的轻量化带内遥测方法，包含如下步骤：

4、步骤1，应用层整合用户需求，将用户需求以键值对形式存储，并传输给控制器层；

5、步骤2，控制器层计算按需测量列表内每个节点需要测量数据量，该数据量指的是对于该节点所有需要测量的元数据的长度和，并连同节点序号以键值对形式存储，具体来说，以节点序号为键，数据量为值，在数据库中进行存储，用于后续路径切割。单个节点探测数据总量的具体计算公式为：

6、

7、其中为节点i的探测数据长度，为资源j的长度，为位图中第j位的值，为1代表需要该资源，为0则不需要该资源。

8、步骤3，构建逻辑辅助图，用于计算最优探测路径，具体而言，首先访问拓扑信息数据库，获得网络中的拓扑与链路参数信息，其中主要是链路的连接关系以及链路代价，链路代价的具体计算公式为：

9、

10、其中为链路m的链路代价，和分别为时延和带宽在链路代价中占的比重，和分别是链路m的时延和带宽，和分别是拓扑数据库中时延的最大值和最小值，和分别是拓扑数据库中带宽的最大值和最小值，综合考虑了链路的时延和带宽，随后以链路代价作为依据使用dijistra算法求解两两节点间的最短路径，将该最短路径作为逻辑辅助图的逻辑链路，每条逻辑链路的两端即为物理路径的出发节点与结束节点，并计算逻辑链路代价，逻辑链路代价即物理路径上每段物理链路的代价和，具体计算公式为：

11、

12、其中表示从节点i到节点j的逻辑链路代价，为步骤3中求得的节点ij之间的最短路径中的每一段物理直接路径，表示第n个物理链路，表示第n个物理链路的链路代价。构建由逻辑链路组成的逻辑完全图作为逻辑辅助图，用于辅助路径规划计算；

13、步骤4，从逻辑辅助图中提取所需节点列表组成的子图，并使用tsp求解算法求解最优逻辑遍历路径；

14、步骤5，以节点测量需求数据量为依据，使用贪心切割算法对逻辑遍历路径切割，切割需要满足以下两个条件，数据包添加数据量总和不能超过网络最大传输单元限制，其次添加数据量尽可能多，从而获得满足网络最大传输单元限制的最佳探测路径，贪心法切割的数学约束公式为：

15、

16、其中num表示单条路径的节点个数，表示节点的探测数据长度，mtu为网络最大传输单元值，max（num）表示最大化单条路径探测节点个数。

17、步骤6，将获得的多条探测路径分别构造成srv6流表项并下发给各自路径源节点；

18、步骤7，数据包逐层解析。可编程节点接收到数据包后判断是否为探测数据包，判断依据是ipv6报头的traffic class字段值，值为1表示当前数据包为探测数据包，继续处理，否则为普通数据包，直接按照路由表转发无需其他处理；

19、步骤8，判断当前节点是否为路径上的首个节点，判断依据为数据包中元数据栈是否为空，如果为空说明为还未添加元数据，说明当前节点为首个节点，按照目的地址执行srv6流表操作，添加对应段路由扩展包头，其中包含由按需节点列表子集组成的分段列表；

20、步骤9，将探测数据包中的默认位图保存至预先定义好的按需位图寄存器列表中，该寄存器列表由8个1位寄存器组成，每一位对应一种资源，1表示需要添加，0表示不需要添加；

21、步骤10，判断当前节点sid的loc字段是否与ipv6目的地址匹配，如果匹配，说明当前节点为分段列表中的节点，为按需测量节点，需要添加元数据，更新数据包中srv6报头相应字段，更新目的地址，随后继续步骤11，否则该节点只充当中间传输节点，直接按照ipv6目的地址转发；

22、在步骤10中节点分段标识的格式说明如下：

23、单个节点标识长度为128位，与ipv6地址相同，其中前64位为loc字段，用于定位节点位置，中间56位为func字段，用于指导交换机行为，最后8位为arg字段，用于存放定制化位图。

24、步骤11，从ipv6目的地址字段获取当前节点的sid，通过截取获取sid后8位，即arg字段，并判断是否大于0，如果大于0，说明当前节点存在客制化位图，将arg字段8位内容作为客制化位图，更新至按需位图寄存器；

25、步骤12，根据按需位图中的内容动态添加元数据项。逐一访问按需位图寄存器列表中的每一个位寄存器，每一个寄存器代表是否需要添加对应资源，如果是1，则将当前节点的对应资源信息添加至元数据栈中，添加的同时将元数据信息用节点id与元数据项索引包裹，作为控制器层接收到汇总信息后的溯源依据，如果为0，说明不需要添加该种资源，无需操作；

26、步骤13，判断srv6的剩余分段字段是否等于0，如果是，说明该数据包已经抵达分段列表的最后一个节点，即本路径的末尾节点，此时保留数据包的以太网帧与元数据栈部分，将数据包其余部分丢弃，将获得的新数据包作为探测任务汇总数据包发送至带内遥测控制器进行数据分析与保存。

27、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

28、1、能够区分网络中节点的不同角色，实现对于特定节点集合的按需测量。特定网络任务所设计的节点通常并非直接相连，此时在两个按需节点之间存在中间传输节点，这类节点并不需要收集网络信息，而传统带内遥测并未区分路径上的不同节点类型，一视同仁，本发明使用srv6技术，利用其sid匹配机制，有选择地选择需要的节点进行测量。

29、2、能够实现不同节点间个性化测量。利用p4编程语言的高度可编程性，通过对探测包头中的默认位图字段以及srv6报头中sid的arg字段的设计，实现对每个节点进行元数据按需测量，确保了探测任务的高度灵活性。

30、3、高度网络兼容性。本发明将int相关设计按照“int over udp”的原则设置在udp载荷部分，当网络中传统设备接收到探测数据包但是无法识别时，会将int相关信息作为普通udp载荷进行传输，而不会影响其余层网络协议的解析，同时利用srv6更新ipv6地址的特性，保证数据包在转发过程中始终保持着最基本的转发行为有效性，即按照目的地址根据路由表进行转发。

31、4、机制轻量化。带宽占用方面，传统带内遥测方案不区分节点与元数据的种类，对于路径上的所有节点以及全部元数据进行收集，尽管有效信息含量相同，但是非所需信息在数据平面带宽占用、数控平面间带宽占用上均占用了大量宝贵的带宽资源，本发明实现了高度按需测量，大大提升了带宽的利用效率，相同带宽条件下可以承担更多探测任务。控制平面处理开销方面，本发明在元数据添加过程中在保证代价可控的条件下，添加了元数据的溯源信息，当控制平面接收到元数据栈后可以节省元数据溯源而产生的开销，提升控制平面的工作效率。