[发明专利]基于软件定义网络的主机侧数据包处理延时测量方法

说明书

本发明提出一种基于软件定义网络的主机侧数据包处理延时测量方法，将包处理延时测量任务负载到架可编程交换机上，利用可编程交换机的高处理性能实现延时异常测量的全覆盖性和低负载性。通过协调主机端和可编程交换机共同完成整体的测量任务，以避免高速包处理速率下交换机内存溢出导致测量精度损失，最后由交换机根据计算出的处理延迟检测异常数据包，并报告给部署在控制层的分析器作进一步处理。通过结合可编程交换机的高处理性能和主机端的存储能力，实现延时异常测量的全覆盖性和低负载性，该方法简单，实现灵活，实用性强。

技术领域

本发明属于计算机软件，软件定义网络技术领域，尤其涉及一种基于软件定义网络的主机侧数据包处理延时测量方法。

背景技术

现代数据中心网络（DCNs）支持许多对延迟敏感的应用，如网上冲浪、支付服务和在线社交网络。这些应用在DCN终端主机之间产生TCP流。它们还对TCP流的端到端延迟发布严格的服务水平目标（SLO）。例如，一个SLO要求99%的流量在ms内完成。在这种情况下，偶尔出现毫秒的端到端延迟异常是不可接受的，因为它降低了用户体验，减少了收入。因此，DCN管理员被强烈要求及时发现延迟异常，这样他们就可以快速排除故障以恢复SLO，从而最大限度地减少收入损失。研究表明，主机端延迟在TCP流的整体端到端延迟中占主导地位，它表示TCP数据包进入终端主机和终端主机返回相应响应之间的时间。因此，对主机侧的分析延迟被认为是DCN的一个基本构件。这种分析需要全面覆盖和低开销。对于全覆盖，分析应该测量所有数据包的延迟，以提供主机侧状态的完整视图。对于低开销，分析本身则不应产生影响主机侧性能的高CPU消耗。

现有的主机端延时分析解决方案在全覆盖与低开销之间存在着权衡取舍。基于系统调用的解决方案在终端主机的用户空间运行。它们调用系统调用，从驻扎在内核空间的网络栈中收集系统日志和TCP连接信息。为了实现全面覆盖，他们必须频繁地调用系统调用以获得实时统计数据，这样做不可避免地会产生高CPU消耗，并降低主机端性能；基于路径追踪的解决方案在终端主机的内核空间工作，利用内核空间网络堆栈的功能来插入追踪点，在主机端处理过程中追踪每个数据包的路径。因此，他们能够实现延时分析的全覆盖。然而，使用大量的追踪点也会导致非同小可的CPU消耗。；基于抽样的解决方案通过数据包采样来减轻上述解决方案的开销。他们选择一些数据包作为采样率的样本并只测量样本的延时。虽然这些解决方案实现了低开销，但由于有选择地进行采样，采样本身就存在低覆盖率和低准确性的问题。这使得采样不适合大多数监测任务，包括主机侧延迟的分析。

发明内容

为了弥补现有技术的缺陷和不足，本发明提出一种基于软件定义网络的主机侧数据包处理延时测量方法，即一种将剖析操作卸载到可编程交换机，提供全覆盖和低开销的主机侧延迟分析的方法，用于有效解决处理延迟测量高开销或低覆盖率的问题的问题。

其将包处理延时测量任务负载到架可编程交换机上，利用可编程交换机的高处理性能实现延时异常测量的全覆盖性和低负载性。通过协调主机端和可编程交换机共同完成整体的测量任务，以避免高速包处理速率下交换机内存溢出导致测量精度损失，最后由交换机根据计算出的处理延迟检测异常数据包，并报告给部署在控制层的分析器作进一步处理。

包处理延时测量方法主要包括以下步骤：（1）部署在交换机上的处理程序识别并收集TCP请求数据包达到时间戳t_in；（2）终端主机收到TCP请求并调用其网络堆栈进行处理。当请求到达堆栈的网络层时，代理程序拦截请求并从IP选项字段中提取t_in，将请求交付给上层堆栈的同时存储t_in在队列中；（3）代理程序从传输层收到与请求相对应的响应请求。删除在存储队列中的t_in。在IP选项字段中记录t_in，并将响应发送回可编程交换机；（4）当交换机收到请求时，处理程序从请求中提取t_in，并记录当前的系统时间t_out，计算出宿主端请求的延迟，并向控制平面发送报告；本发明通过结合可编程交换机的高处理性能和主机端的存储能力，实现延时异常测量的全覆盖性和低负载性，该方法简单，实现灵活，实用性强。