CN103841044A - 基于软件定义网络下面向不同流的带宽控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于软件定义网络（Software-defined networking，SDN）面向不同类型流的带宽控制方法。该方法识别不同类型的流并提供智能的带宽分配方案，克服了传统方法控制复杂和反应慢的问题。在SDN架构下，通过控制器实现全网的带宽控制，实现过程简单、高效，有效地提高了带宽利用率并智能提供差异化带宽分配，应用于SDN网络中面向不同类型流的带宽控制。

Description

基于软件定义网络下面向不同流的带宽控制方法

技术领域

本发明属于网络服务质量（Quality of Service，QoS）领域，具体涉及一种基于软件定义网络（Software-defined networking，SDN）面向不同类型流的带宽控制方法。 

背景技术

随着信息技术的发展，互联网网上用户和业务流量都在不断增长，人们对网络有着各种不同的需求，网络电话、网络视频、P2P下载、游戏等新型网络应用很受大家欢迎。在传统的IP网络中，所有的报文都被无区别的等同对待，每个转发设备对所有的报文均采用先入先出（FIFO）的策略进行处理，它尽最大的努力（Best-Effort）将报文送到目的地。这就造成了网络中语音、视频、点到点下载流量、游戏数据占用了大量带宽，用户的重要业务可能无法正常完成，比如网上银行，电子邮件，在线课程等。区分不同的应用流，并为其分配不同的带宽，以此来提高用户服务质量，在有限带宽下保证高优先级任务的完成。 

目前各大通讯设备厂商对不同流的带宽控制都有一定研究，但主要集中在对P2P流量的控制。部分厂商在IPv4、IPv6、二层以太网中对流量进行分类和标记，将数据报文划分为多个优先级或多个服务类，这类设备一般控制比较复杂且价格昂贵。当前带宽控制方法有如下特点：大多数带宽控制设备一般装配在出口网关，不能进行全网的控制；设备的控制策略一般需要手工设置，不能根据具体情况来动态调整。 

OpenFlow实现了数据层和控制层的分离，其中OpenFlow交换机进行数据层的转发，而Controller实现了控制层的功能。Controller通过OpenFlow协议这个标准接口对OpenFlow交换机中的流表进行控制，从而实现对整个网络进行集中控制。流表由很多个流表项组成，每个流表项就是一个转发规则。进入交换机的数据包通过查询流表来获得转发的目的端口。流表项由头域、计数器和操作组成；其中头域是个十元组，是流表项的标识；计数器用来计数流表项的统计数据；操作标明了与该流表项匹配的数据包应该执行的操作。 

发明内容

本发明目的在于提供一种基于软件定义网络面向不同类型流的带宽控制方法，通过控制器来识别不同的流，并为其设定优先级进而制定带宽控制策略。控制策略会下达到相关的交换机，交换机通过流表和meter表来实施控制策略。在流发生改变时，控制策略会随之动态变化并部署到交换机中，这个过程由控制器完成，无需人工干预。 

为解决现有方法中的问题，本发明提供的技术方案是： 

一种基于SDN面向不同类型流的带宽控制方法，其中软件定义网络SDN是由支持openflow协议的交换机在SDN架构下搭建而成，其中设置控制器用于识别不同流并制定带宽分配策略，其特征在于所述方法包括以下步骤： 

（1）用户申请入网阶段： 

1.1）管理员根据用户提供的需求信息为用户设定相应等级，并将用户信息添加到控制器中； 

1.2）控制器根据用户的等级及其需求信息制定与用户相应的基础带宽控制策略，并将基础带宽控制策略配置到相关的交换机中； 

（2）用户业务请求阶段： 

2.1）用户主机向交换机发送业务请求，如果业务请求所需的带宽小于基础带宽控制策略中设置的阈值，则控制器通知交换机按照一般网络请求分配带宽进行数据转发；如果业务请求所需的带宽大于等于基础带宽控制策略中设置的阈值，则按照步骤2.2）进行带宽控制； 

2.2）与用户业务请求连接的交换机将用户的数据包发送到控制器，控制器对数据包进行分析，判断用户业务请求的类型，并根据用户等级及需求制定带宽动态控制策略，然后把带宽动态策略配置到相关交换机；交换机按照控制器提供的带宽动态策略进行分配带宽，然后进行数据转发。 

优选的技术方案是：所述方法中所述基础带宽控制策略中设置threshold和maxBandwidth两个字段，其中threshold表示阀值，当业务请求带宽超过该值时，交换机会把数据包发送到控制器，由控制器识别不同应用的类别进行带宽分配调整控制；maxBandwidth表示最大带宽，为根据用 户级别设定的最大可用带宽；将基础带宽控制策略配置到相应的交换机中时，基础带宽控制策略中threshold和maxBandwidth两个字段设定到交换机中的计量表（Meter Table）中，并指定其速率下数据被处理的方式。 

优选的技术方案是：所述方法步骤2.2）中与用户业务请求连接的交换机将用户的数据包发送到控制器后，控制器需要进行数据包的识别，其中数据包的识别是通过对数据包的解析，匹配其包头域来判断所对应的数据包；控制器在一定时间内识别到多个数据包，然后根据此前的用户信息对各个数据包分配不同的优先级及带宽，并下达到相关交换机。 

优选的技术方案是：所述方法步骤2.2）中带宽动态控制策略中带宽计算公式如下： 

${\mathrm{bandwidth}}_i=\frac{p_i}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{p}_i}(\max \mathrm{Bandwidth}-\mathrm{alloction})\×(1-\mathrm{letf});$

其中bandwidthi表示某应用流分到的带宽值，pi表示某应用流的优先级，表示控制器识别出流的数量，maxBandwidth表示用户申请到的最大带宽，allocation表示已分配出去的带宽，left表示预留带宽占可用带宽比重。 

优选的技术方案是：所述方法步骤2.2）中交换机根据不同数据包进行动态带宽分配方法为： 

1）交换机为数据包所对应的流表项分配一个Meter表项，包括计量标识符、计量带、计数器字段，由计量器测量和控制与它相连的所有数据流的速率； 

2）Meter计量带设置有带类型、计量速率、计数器类型、特定参数字段，指定了数据包所适用的速率和数据被处理方式； 

3）控制器制定流表项及Meter表项的内容，并将流表项及Meter表项的内容配置到相应的交换机中。 

超过阀值后的控制策略包括： 

当业务带宽超过阀值，数据包会被发送到控制器，控制器会识别不同的流，并根据此前用户需求为不同类型流分配不同带宽。方法中的带宽分配算法是完全可编程的，用户可以动态调整，也可以直接设定应用的默认带宽。 

其中流的识别主要通过对数据包的解析，匹配包头域来判断所对应的流。控制器在一定时间内识别到多个流，然后根据此前的用户信息（用户等 级，应用等级）对各个流分配不同的优先级及带宽，并下达到相关交换机。 

本发明基于软件定义网络，主要致力于网络中各种业务带宽请求的场景下，由控制器识别各种业务流，根据用户需求为各个流设置优先级，智能分配带宽资源。本方法不同于以往方法，主要体现在：控制器完成流的识别和带宽的分配；交换机通过流表和meter表来执行控制器下达的控制策略；控制策略可以动态生成，不需要单个交换机手工输入；可以全网控制带宽而非单独某个节点。该方法识别不同类型的流并提供智能的带宽分配方案，克服了传统方法控制复杂和反应慢的问题。在SDN架构下，通过控制器实现全网的带宽控制，实现过程简单、高效，有效地提高了带宽利用率并智能提供差异化带宽分配，应用于SDN网络中面向不同类型流的带宽控制。 

相对于现有技术中的方案，本发明的优点是： 

1.本发明的方法基于软件定义网络，其核心技术OpenFlow通过将网络设备控制面与数据面分离开来，从而实现了网络流量的灵活控制。方法中流的识别以及带宽控制策略的制定就是由控制器完成的，这样交换机只要按照策略来进行转发，提高了带宽控制的灵活性，降低了交换机的复杂度。 

2.本发明的方法中通过一个阀值来区分两套控制策略，当带宽在阀值内时，交换机会完全满足业务的带宽请求；当带宽达到阀值时，数据包会发送到控制器，由控制器制定相应的带宽控制策略。控制策略可以非常详细、灵活，方便满足不同用户的需求。 

3.本发明的方法控制面统一集中在控制器，集中式带宽控制可以避免分布式模式下的带宽利用不合理。 

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述： 

图1为本发明实施例入网申请流程图； 

图2为本发明实施例基于软件定义网络面向不同类型流的带宽控制方法流程图； 

图3为流表项的结构示意图。 

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。 

实施例 

本实施例的基于软件定义网络面向不同类型流的带宽控制方法，用于对不同流的合理带宽分配，其中环境是在软件定义网络（Software Defined  Network,SDN）架构下搭建的网络；交换机是支持openflow协议的交换机；网关是指出口网关，所述方法包括以下步骤： 

(1)用户申请入网，管理员根据实际情况为其设定相应等级，并将该用户信息（用户等级、用户需求、应用等级等）添加到控制器中，初始化相关度量值。 

(2)控制器根据用户的等级及其需求为其制定基础带宽控制策略，并将该基础策略装配到相关的交换机中，此时用户可以连接入网。 

(3)用户主机发出业务申请，若该业务带宽小于阀值，则尽量满足；若该业务带宽大于阀值，则由控制器进行带宽控制。 

(4)当用户业务带宽请求大于阀值时，与其连接的交换机将数据包发送到控制器，控制器对数据包分析（用户业务中有哪些应用）并根据用户等级及需求作出动态控制策略（为具体应用设定带宽），然后把动态策略配置到相关交换机。 

(5)交换机会按照控制器提供的策略来分配带宽，既能将用户带宽限制在其最大带宽内，又能识别不同应用从而对其差异化带宽分配。 

具体的，所述步骤（1）中用户申请入网，管理员审核通过，根据其付费情况会获得相应的用户等级，用户等级对应着用户最大带宽maxBandwidth。用户进一步完善自己的个人使用信息，包括对业务的分级，比如将网上银行、电子邮件等业务列为高优先级先保障业务，将P2P、游戏等业务列为低优先级非保障业务，此时为应用设定等级p（1<=p<=10,p值越大等级越高，分配带宽越大）。同时用户可以设置某些应用的默认带宽以及带宽分配算法。用户获得入网许可后，控制器会根据用户等级生成基础控制策略，此时用户可以正常上网。 

所述方法中基础策略包括： 

将threshold，maxBandwidth值部署到与用户主机连接的交换机以及外网网关； 

其中threshold和maxBandwidth分别表示阀值和最大带宽。这两个值要设定到计量表（Meter Table）中来指定其速率下数据被处理的方式。阀值是指业务带宽超过该值时，交换机会把数据包发送到控制器，由控制器识别不同应用作出合理带宽分配。最大带宽是根据用户级别设定的最大可用带 宽。控制策略要安装到与用户主机连接的交换机以及外网网关。 

在这里，我们会设定一个阀值来控制策略的调整。阀值一般设为最大带宽的百分之六十，阀值起到警戒线的作用。使用带宽低于阀值时，负载较轻，用户的优先保障业务和非保障业务请求均可满足，交换机执行控制器下达的基础控制策略。带宽的测量是由meter表完成的。 

如果用户视频或者游戏业务占用大量带宽，带宽使用超过阀值，负载逐渐变重。交换机会把数据包发送到控制器，控制器根据包头域识别出不同的业务流，并制定控制策略，为不同的业务流分配不同带宽。比如限制视频流带宽，保障电邮带宽。 

具体的，用户设定阀值a（0<a<100），应用优先级p（1≤p?10），也可指定特定应用的带宽。阀值a是一个百分比，当带宽占用达到α%时，控制器开始使用动态带宽分配算法分配带宽,该值可由用户设定，默认值60。默认算法是轮询的带宽分配，控制器定时查询交换机，获取流的信息直到带宽使用低于阀值。带宽分配公式如下： 

${\mathrm{bandwidth}}_i=\frac{p_i}{{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^n{p}_i}(\max \mathrm{Bandwidth}-\mathrm{alloction})\&times;(1-\mathrm{letf});$

其中bandwidthi表示某应用流分到的带宽值，pi表示某应用流的优先级，表示控制器识别出流的数量，maxBandwidth表示用户申请到的最大带宽，allocation表示已分配出去的带宽，left表示预留带宽占可用带宽比重,可以由用户设定，默认值0.3。预留带宽用来应对控制器查询之后发生的应用流。 

如图3所示为流表项的结构示意图；流表项包括Match Field字段、Priority字段、Counters字段、Instructions字段、Timeouts字段、Cookie字段。 

其中流表项通过Instructions字段链接一个计量表项，计量表项由计量标识符、计量带和计数器构成。计量标识符是32位的无符号整数，用来唯一识别该计量表项。由计量带组成的无序列表，其中每个计量带都指明了其速率及处理数据包的方式。 

交换机中不同流的带宽控制具体方法是通过流表项的配置进行控制的。计数器用于在报文被计量表项处理时更新相关计数。其中，每个计量表项可能有一个或多个计量带。每个计量带都指定了其所适用的速率和数据被处理 的方式。根据当前的被测计量速率，某个计量带会被选中用于对数据包进行处理，即计量器会在当前低于被测速率的计量带中选择一个配置速率最高的计量带用于计量。如果当前的被测速率比任何指定的计量带速率都低，那么计量带将不会工作。 

为特定流所对应的流表项分配一个Meter表项，进而由计量器测量和控制与它相连的所有数据流的速率。控制器的带宽控制策略本质是对流表项及Meter表项的控制。 

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。 

Claims (5)

1.一种基于SDN面向不同类型流的带宽控制方法，其中软件定义网络SDN是由支持openflow协议的交换机在SDN架构下搭建而成，其中设置控制器用于识别不同流并制定带宽分配策略，其特征在于所述方法包括以下步骤：

（1）用户申请入网阶段：

1.1）管理员根据用户提供的需求信息为用户设定相应等级，并将用户信息添加到控制器中；

1.2）控制器根据用户的等级及其需求信息制定与用户相应的基础带宽控制策略，并将基础带宽控制策略配置到相关的交换机中；

（2）用户业务请求阶段：

2.1）用户主机向交换机发送业务请求，如果业务请求所需的带宽小于基础带宽控制策略中设置的阈值，则控制器通知交换机按照一般网络请求分配带宽进行数据转发；如果业务请求所需的带宽大于等于基础带宽控制策略中设置的阈值，则按照步骤2.2）进行带宽控制；

2.2）与用户业务请求连接的交换机将用户的数据包发送到控制器，控制器对数据包进行分析，判断用户业务请求的类型，并根据用户等级及需求制定带宽动态控制策略，然后把带宽策略配置到相关交换机；交换机按照控制器提供的带宽策略进行分配带宽，然后进行数据转发。

2.根据权利要求1所述的带宽控制方法，其特征在于所述方法中所述基础带宽控制策略中设置threshold和maxBandwidth两个字段，其中threshold表示阀值，当业务请求带宽超过该值时，交换机会把数据包发送到控制器，由控制器识别不同应用的类别进行带宽分配调整控制；maxBandwidth表示最大带宽，为根据用户级别设定的最大可用带宽；将基础带宽控制策略配置到相应的交换机中时，基础带宽控制策略中threshold和maxBandwidth两个字段设定到交换机中的计量表（Meter Table）中，并指定其速率下数据被处理的方式。

3.根据权利要求1所述的带宽控制方法，其特征在于所述方法步骤2.2）中与用户业务请求连接的交换机将用户的数据包发送到控制器后，控制器需要进行数据包的识别，其中数据包的识别是通过对数据包的解析，匹配其包头域来判断所对应的数据包；控制器在一定时间内识别到多个数据包，然后根据此前的用户信息对各个数据包分配不同的优先级及带宽，并下达到相关交换机。

4.根据权利要求1所述的带宽控制方法，其特征在于所述方法步骤2.2）中带宽动态控制策略中带宽计算公式如下：

${\mathrm{bandwidth}}_i=\frac{p_i}{{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^n{p}_i}(\max \mathrm{Bandwidth}-\mathrm{alloction})\&times;(1-\mathrm{letf});$

其中bandwidth_i表示某应用流分到的带宽值，pi表示某应用流的优先级，n表示控制器识别出流的数量，maxBandwidth表示用户申请到的最大带宽，allocation表示已分配出去的带宽，left表示预留带宽占可用带宽比重。

5.根据权利要求1所述的带宽控制方法，其特征在于所述方法步骤2.2）中交换机根据不同数据包进行动态带宽分配方法为：

1）交换机为数据包所对应的流表项分配一个Meter表项，包括Meter识别器、Meter计量带、Meter计数器字段，由计量器测量和控制与它相连的所有数据流的速率；

2）Meter计量带设置有数据包类型、速率、计数器类别、特殊指令字段，指定了数据包所适用的速率和数据被处理方式；

3）控制器制定流表项及Meter表项的内容，并将流表项及Meter表项的内容配置到相应的交换机中。

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