一种基于分级策略的数据中心网络可用性评估方法及评估装置

技术领域

本发明主要涉及到数据中心网络技术领域，特指一种基于分级策略的数据中心网络可用性评估方法及评估装置。

背景技术

大规模数据中心为了实现更快速高效的数据传输，利用数量庞大的核心交换机、汇聚交换机和接入交换机搭建分层的高速传输以太网，实现数据中心计算节点服务器集群和大容量存储系统的连接，主要负责为各个计算节点服务器间交互、计算节点服务器与存储系统之间的数据流动提供高速稳定的信息传输支持。因此，数据中心网络的可用性和传输性能是影响数据中心外部服务能力的重要因素。然而，在数据中心网络的实际运行中，由于大规模网络中设备规模庞大、链路结构复杂，使得网络可用性的整体评估难度较大。另外，数据中心网络中业务流量种类复杂，不仅可能出现短小频繁的流量特征，也会出现流量巨大的大象流，不同的业务应用访问特点同样会造成网络中出现拥塞高峰和空闲时段等特殊的流量规律，这些都为网络管理带来诸多的挑战。如何评估网络整体可用性状态，及时获得网络性能当前运行水平，发现不稳定网络设备和潜在故障设备，尽量避免大规模网络性能下降和网络故障的发生显得尤为重要。

当前的网络可用性评估方法主要有以下几种：

(1)基于被动测量技术的大规模网络可用性评估方法；

采用nProbe工具对大规模网络进行被动测量，获取网络上的流信息，生成标准格式的Netflowv9数据。该方法结合历史数据得到网络延迟、吞吐率、正常连接率的偏离度，能够反映出网络的整体运行情况，但是作为评估参数的Tcpflags在tcp连接超时后，会发生tcp重传提高正常tcp连接的比率，可能会造成评估值较大，而无法反映真实的网络情况。

(2)基于云模型和SVM的网络可用性评估方法；

采用了一种基于SVM的网络可用性评估方法，将网络性能评价问题转化为一个分类问题，通过对正常样本和故障样本进行SVM分类训练，结合云模型对网络性能进行评估，该方法提高了评估结果的客观性，但在选择样本和样本归一化处理过程，如果样本的差距比较大，或导致归一化后的参数数据距离参数正常运行值偏离较远，会造成评估结果的不准确。

(3)基于云模型和熵权的网络性能综合评估方法；

采用熵权评估方法和云模型，客观的得到各指标权重，实现网络性能因素值向评语的不确定映射，主要针对VOIP业务网络，根据已有的评估指标进行分级。缺点：1)熵权的计算过程，关键参数需要经验值确定；2)分级方法仅适用于特定业务网络，不适合复杂的数据中心网络。

(4)基于应用层故障事件的网络可用性评估法；

主要分析不同事件与网络性能之间的关联，考虑的影响事件较多，由于影响网络性能各个因素之间存在复杂的关联性，单纯的考虑每个事件对网络性能的影响，难以发现影响网络性能的关键因素，同时也增加了系统的复杂程度。

综上所述，现有传统的网络可用性评估方法存在以下不足：

(1)由于可用性评估值参数的波动性大，可能会造成网络评估值不准确，无法反映真实的网络情况。

(2)采集的可用性评估参数样本值差距比较大，导致归一化结果偏离正常运行值，也会造成评估结果的出现较大的误差。

(3)提出的分级方法仅适用于特定业务网络，网络可用性评估方法复杂程度大。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种适用范围广、评估效率高、评估效果好的基于分级策略的数据中心网络可用性评估方法及评估装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于分级策略的数据中心网络可用性评估方法，其步骤为：

S1：定义数据中心网络的拓扑信息；

S2：动态采集数据中心网络中网络设备性能参数数据；

S3：实现网络交换设备性能状态评估，即根据网络设备性能参数数据的动态变化确定各个参数的权重，并且在历史采集数据的基础上实现数据归一化，对网络设备量化评估；

S4：设置网络层次LEVEL(S_i)为交换设备在网络中的层次号，层次号越大表示对应设备在网络中的位置越重要；

S5：初始化网络设备优先级PRIO(S_i)，网络数据采集模块根据设备层次号，为每个设备设置初始优先级PRIO(S_i)，默认有PRIO(S_i)＝LEVEL(S_i)，根据设备优先级采用不同的采集策略；

S6：整个网络性能状态评估，即根据设定的分级策略在各个网络设备可用性评估量化值的基础上，结合网络拓扑结构，分析得到各个拓扑位置的网络设备对网络的不同影响，并得到整个网络的运行状态量化值。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S1中，将数据中心网络的拓扑信息描述如下，DN＝{S,C,E}，其中S＝{S₁,S₂,S₃,...,S_M}表示交换机设备集合，C＝{C₁,C₂,C₃,...,C_N}表示网络中终端计算节点的集合，M和N分别为网络中交换设备及计算节点的总数；E＝{E₁,E₂,E₃,...,E_N}表示交换机设备的网络接口集合，每一个交换设备S_i都含有X个接口，则有E_i＝{e_i1,e_i2,e_i3,...,e_iXi}，其中E_i是交换设备S_i的接口集合，e_i1,e_i2,e_i3,...,e_iXi是设备S_i的所有接口，X_i是S_i的接口总数。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S2包括以下步骤：

S2.1初始化动态数据采集策略，通过按需分类和重点排查的思想来实现网络数据的采集；

S2.2基于简单网络管理协议SNMP的动态数据采集。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S2.1的流程为：

首先，分类对待不同对象，划分成不同的集合，包括重点设备集合，并采用相关数据采集策略；

然后，在每次执行采集操作前，先检查下是否存在重点设备集合，如果存在则先对重点设备集合单独执行采集操作，再进行正常采集过程，新的评估结果出来后进行问题设备集合FD的重置。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S2.2的流程为：

首先，获得所有交换设备集合AD，以及问题交换设备集合FD；

然后，遍历整个FD集合并检查集合中的设备是否在线，如果在线则采集该交换设备的性能参数数据；根据动态数据采集策略，经过固定时间间隔后，遍历网络中所有交换设备的性能参数数据，并且减少数据采集过程对整个网络性能的影响。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S3包括以下步骤：

S3.1确定交换设备的各个性能参数权重，即通过分析网络正常运行下设备参数数据的分布规律，以不同参数所携带的信息量和变异程度为出发点，为各个网络性能参数赋予较为客观的权重值；

S3.2采用一种结合历史参数分布的归一化方法来处理各个性能参数的数据，实现数据归一化过程；

S3.3通过量化设备参数及客观求得参数权值，最终得到一个较客观的设备运行状态评价值，即网络设备可用性评估值。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S6包括以下步骤：

S6.1初始化分级属性集合，包括不同交换设备在网络中处于不同的网络层次，具有各自的优先级，拥有动态的连通度DEGREE(S_i)，即网络设备S_i所有向上连接和向下连接的在线端口数目之和来赋予不同的影响权重；

S6.2网络可用性评估初始化，首先得到当前最新数据采集时间，检查网络设备健康值表中是否存在该时间点下的设备健康值，获得整个网络中的交换设备集合S；然后筛选出该时间点下所有在线设备集合S_up，在已获取的在线设备集合S_up上，对各个性能参数进行权重求解操作，即其中S_i∈S_up，实现设备集合S_up中所有网络交换设备性能状态评估值，并计算出当前的网络在线设备率UpRate；

S6.3网络可用性评估实现分级策略阶段，检查当前网络故障设备集合S_FD中，设备的分级属性集合CPS(S_i)各个属性值是否已经初始化，通过DEGREE(S_i)除以DEGREE(S)，得到网络设备在网络中的相对比重，然后根据网络设备的LEVEL(S_i)以及PRIO(S_i)，设定设备S_i对网络的影响权重，其中S_i∈S_FD；

S6.4网络可用性评估综合评估阶段，取得当前所有故障交换设备的可用性评估值，以及分级属性集合，然后根据步骤S6.3将所有网络交换设备S_i的影响比重与相应的设备可用性评估值相乘，并对所有故障交换设备的影响值累加，再用网络可用性评估的初始化值减去该累加值，然后与整个网络当前的在线设备率UpRate相乘，最后得到整个网络的可用性评估值。

本发明进一步提供一种基于分级策略的数据中心网络可用性评估装置，包括：

网络管理客户端，用来为网络管理员提供可视化管理界面，控制整个网络可用性评估系统，发出查询请求并查看分析结果；

数据动态采集模块，用来从采集策略及规则模块获取相应的数据采集策略和规则，按照不同的分类和集合采集设备性能参数，并将数据存入数据库；

采集策略及规则模块，用来根据网络可用性评估模块得到网络故障设备集合信息，制定相应的采集策略和规则，实现网络设备的分类采集和故障设备的重点采集；

数据库，用来负责保存网络的拓扑信息、设备可用性评估值、网络可用性评估值、采集策略及规则；

设备可用性评估模块，用来对采集到的参数数据进行归一化处理，并根据设别可用性评估历史值求得各个评估参数的权值，然后综合得到设备可用性评估值，将最新的设备可用性评估值存入数据库中；

网络可用性评估模块，用来初始化设备分级属性集合，得到设备的层次号、优先级以及连通度，计算出网络中各个设备的可用性评估值，然后实现分级策略和规则，最后进行对整个网络性能进行综合评估，将评估值存入数据库中，以制定数据采集策略和规则。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的基于分级策略的数据中心网络可用性评估方法及评估装置，适用范围广、评估效率高、评估效果好，可以用来解决大规模数据中心网络可用性评估方法针对特定业务、受到训练样本集合限制、评估实现复杂性高、在网络流量行为复杂时容易出现评估不准确等问题，可广泛适用于数据中心网络、大规模企业网和高性能巨型机网络等各种数据中心网络。

附图说明

图1是本发明网络可用性评估方法的整体流程示意图。

图2是本发明在具体应用实例中分级策略制定的流程示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的基于分级策略的数据中心网络可用性评估方法，步骤为：

S1：将数据中心网络的拓扑信息描述如下，DN＝{S,C,E}，其中S＝{S₁,S₂,S₃,...,S_M}表示交换机设备集合，C＝{C₁,C₂,C₃,...,C_N}表示网络中终端计算节点的集合，M和N分别为网络中交换设备及计算节点的总数；E＝{E₁,E₂,E₃,...,E_N}表示交换机设备的网络接口集合，每一个交换设备S_i都含有X个接口，则有E_i＝{e_i1,e_i2,e_i3,...,e_iXi}，其中E_i是交换设备S_i的接口集合，e_i1,e_i2,e_i3,...,e_iXi是设备S_i的所有接口，X_i是S_i的接口总数。

S2：动态采集网络设备性能参数数据，在采样间隔上利用网络设备的可用性评估值，实现针对特定设备集合采用高频或自定义时间间隔的采样方式来获取设备参数数据；

在具体应用实例中，具体包括以下步骤：

S2.1初始化动态数据采集策略，主要是通过按需分类和重点排查的思想来实现网络数据的采集；

首先，将不同关注对象划分成不同的集合，可以分类对待，采用合适的采集策略，同时也支持重点集合的特殊策略，比如问题设备的重点关注和排查；

然后，在每次执行采集操作前，先检查下是否存在重点设备集合，如果存在则先对重点设备集合单独执行采集操作，再进行正常采集过程，新的评估结果出来后进行问题设备集合FD的重置。

S2.2实现基于简单网络管理协议SNMP的动态数据采集；

首先，获得所有交换设备集合AD，以及问题交换设备集合FD；

然后，遍历整个FD集合并检查集合中的设备是否在线，如果在线则采集该交换设备的性能参数数据；根据动态数据采集策略，经过固定时间间隔后，遍历网络中所有交换设备的性能参数数据，并且减少数据采集过程对整个网络性能的影响。

S3：实现网络交换设备性能状态评估，即根据网络设备性能参数数据的动态变化确定各个参数的权重，并且在历史采集数据的基础上实现合理的数据归一化，实现对网络设备的量化评估。

在具体应用实例中，具体包括以下步骤：

S3.1确定交换设备的各个性能参数权重，即通过分析网络正常运行下设备参数数据的分布规律，以不同参数所携带的信息量和变异程度为出发点，为各个网络性能参数赋予较为客观的权重值。通过采集到的数据，分别求出每个网络交换设备的掉线率、平均丢包率、平均错误率分别是DropRate(S_i)，AvgDisRate(S_i)和AvgErrRate(S_i)，并最终得到各参数所对应的标准方差系数V_δ[DropRate(S)]，V_δ[AvgDisRate(S)]和V_δ[AvgErrRate(S)]；

S3.2采用一种结合历史参数分布的归一化方法来处理各个性能参数的数据，实现数据归一化过程。首先统计DropRate(S_i)，AvgDisRate(S_i)和AvgErrRate(S_i)的最多幂值p_most、最大幂值p_max、历史频率最高值p_mid、历史最大值p_maxhis，然后对原始数据进行标准化处理，最终得到DropRate(S_i)，AvgDisRate(S_i)和AvgErrRate(S_i)的标准化值；

S3.3通过量化设备参数及客观求得参数权值，最终得到一个较客观的设备运行状态评价值，即网络设备可用性评估值。网络设备可用性评估值的计算过程主要分为三个阶段：计算模块初始阶段、性能参数和权值合理化检查阶段、健康值累加和计算过程。

S4：设置网络层次LEVEL(S_i)为交换设备在网络中的层次号，其中接入交换机的层次号为1，汇聚、核心交换机按照组网上下层关系分别赋予对应层次号，层次号越大表示对应设备在网络中的位置越重要，H为本网络的最大层次深度。

S5：初始化网络设备优先级PRIO(S_i)，网络数据采集模块根据设备层次号，为每个设备设置初始优先级PRIO(S_i)，默认有PRIO(S_i)＝LEVEL(S_i)，根据设备优先级采用不同的采集策略，高优先级的设备需要重点关注，有较高的采集频率。

S6：实现整个网络性能状态评估，即根据设定的分级策略在各个网络设备可用性评估量化值的基础上，结合网络拓扑结构，分析得到各个拓扑位置的网络设备对网络的不同影响，并得到整个网络的运行状态量化值。

S6.1初始化分级属性集合，包括不同交换设备在网络中处于不同的网络层次，具有各自的优先级，拥有动态的连通度DEGREE(S_i)，即网络设备S_i所有向上连接和向下连接的在线端口数目之和来赋予不同的影响权重。其中，根据网络中已经具有的拓扑关系，可以很容易得到设备的层次号LEVEL(S_i)，而有定义知网络设备的优先级PRIO(S_i)＝LEVEL(S_i)，然后查询并统计故障交换设备当前时间点下所有在线端口的数目，得到网络设备的动态连接度；

S6.2网络可用性评估初始化，首先得到当前最新数据采集时间，检查网络设备健康值表中是否存在该时间点下的设备健康值，获得整个网络中的交换设备集合S。然后筛选出该时间点下所有在线设备集合S_up，在已获取的在线设备集合S_up上，对各个性能参数进行权重求解操作，即其中S_i∈S_up，实现设备集合S_up中所有网络交换设备性能状态评估值，并计算出当前的网络在线设备率UpRate；

S6.3网络可用性评估实现分级策略阶段，检查当前网络故障设备集合S_FD中，设备的分级属性集合CPS(S_i)各个属性值是否已经初始化，通过DEGREE(S_i)除以DEGREE(S)，得到网络设备在网络中的相对比重，然后根据网络设备的LEVEL(S_i)以及PRIO(S_i)，设定设备S_i对网络的影响权重，其中S_i∈S_FD；

S6.4网络可用性评估综合评估阶段，取得当前所有故障交换设备的可用性评估值，以及分级属性集合，然后根据6.3将所有网络交换设备S_i的影响比重与相应的设备可用性评估值相乘，并对所有故障交换设备的影响值累加，再用网络可用性评估的初始化值减去该累加值，然后与整个网络当前的在线设备率UpRate相乘，最后得到整个网络的可用性评估值。

参见图1，本发明进一步提供一种基于上述方法的评估装置，包括：系统主要包括：网络管理客户端、数据动态采集模块、采集策略及规则模块、数据库、设备可用性评估模块、网络可用性评估模块。其中：

网络管理客户端，用来为网络管理员提供可视化管理界面，控制整个网络可用性评估系统，发出查询请求并查看分析结果。

数据动态采集模块，用来从采集策略及规则模块获取相应的数据采集策略和规则，按照不同的分类和集合采集设备性能参数，并将数据存入数据库。

采集策略及规则模块，用来根据网络可用性评估模块得到网络故障设备集合等信息，制定相应的采集策略和规则，实现网络设备的分类采集和故障设备的重点采集。

数据库，用来负责保存网络的拓扑信息、设备可用性评估值、网络可用性评估值、采集策略及规则等，其中拓扑信息包括交换机设备端口状态、交换设备之间的连接关系、交换机层次编号以及交换设备优先级别等。

设备可用性评估模块，首先对采集到的参数数据进行归一化处理，并根据设别可用性评估历史值求得各个评估参数的权值，然后综合得到设备可用性评估值，将最新的设备可用性评估值存入数据库中。

网络可用性评估模块，首先初始化设备分级属性集合，得到设备的层次号、优先级以及连通度，计算出网络中各个设备的可用性评估值，然后实现分级策略和规则，最后进行对整个网络性能进行综合评估，将评估值存入数据库中，以便制定相应的数据采集策略和规则。

如图2所示，在具体应用实例中，本发明所采用的分级策略指定的流程示意图，具体包括：

(1)首先，获得数据中心网络DN中的网络交换设备集合S；

(2)在当前时间点下，筛选出在线设备集合S_up；

(3)然后，根据网络拓扑情况，分别取到各个网络交换设备S_i的分级属性集合CPS(S_i)，具体步骤如下：

1)取到网络层次号LEVEL(S_i)，同时得到该设备的优先级别PRIO(S_i)，若无特殊设置，令PRIO(S_i)＝LEVEL(S_i)，其中S_i∈S；

2)查询并统计每台交换设备S_i当前时间点下所有在线端口的数目m，令DEGREE(S_i)＝m；

3)至此，得到交换设备S_i的分级属性集合CPS(S_i)，并从设备集合S中删除设备元素S_i，如果集合S为空，则得到所有设备的分级属性集合，否则继续执行第2)步。

(4)最后，已知CPS(S_i)，CPS(S_j)为网络设备S_i，S_j的分级属性集合，并根据此来设置分级策略规则，其中S_i，S_j∈S，以下为具体规则描述：

1)根据DEGREE(S_i)和DEGREE(S_j)的值，分别除以DEGREE(S)，得到网络设备在网络中的相对比重；

2)比较两台网络设备的LEVEL值LEVEL(S_i)，LEVEL(S_j)，若相等，则比较PRIO(S_i)和PRIO(S_j)，如果PRIO(S_i)也等于PRIO(S_j)，则由第(1)步结果决定最终网络设备的影响比重；

比较两台网络设备的LEVEL值LEVEL(S_i)，LEVEL(S_j)，若相等，则比较PRIO(S_i)和PRIO(S_j)，如果PRIO(S_i)>PRIO(S_j)，则说明设备S_i对网络的影响权重更大，在第(1)步的基础上提升设备S_i的影响比重，否则相反。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。