CN104994033A - 一种资源动态管理的SDN网络QoS保障方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种资源动态管理的SDN网络QoS保障方法，所谓QoS保障方法主要是对进入到网络中的流根据流的特征对其进行分类，把网络中的流量划分为不同等级的优先权，如果多条流共享同一条路径导致链路负载过高，通过多约束的路径优化算法为高优先权的流选择低负载的路径，尽量减少对普通流的影响，直到链路恢复正常状况。如果不存在满足条件的路径，根据流量的不同优先权把流映射到不同等级的队列中，最终实现对网络资源的动态管理。本发明公开的方法能快速解决网络链路负载过高的现象，通过资源动态管理方案高效利用网络资源，保障高优先级流量的服务请求，具有很强实际应用价值。

Description

一种资源动态管理的SDN网络QoS保障方法

技术领域

本发明公开了一种资源动态管理的SDN网络QoS保障方法，具体涉及一种用于解决网络资源未能高效利用、流量带宽需求不能得到保证、影响用户体验的流量控制方法，属于网络中QoS保障技术领域。

背景技术

随着网络规模的急剧膨胀和应用类型的不断丰富，现有的Internet所提供单一的尽力而为(best-effort)服务已无法满足多媒体应用和各种用户对网络传输质量的不同要求。一些应用程序如多媒体、视频会议、IP可视电话等需要可靠的带宽保证来满足用户体验。因此，以提高网络资源利用率、为用户提供更高服务质量(QoS)为目标的研究领域目前极具活力。QoS是指网络在传输数据流时要满足的一系列服务请求，具体可以量化为传输延迟、抖动、丢包率、带宽要求、吞吐量等指标。在过去的几十年中，一些研究机构提出了很多QoS保障技术例如过量供应、缓存技术、流量整形、流桶算法、资源预留等技术，其中，国际互联网工程任务组(IETF)提出了几种QoS保障技术架构如综合服务模型(Int-Serv)，它可以满足多种QoS需求，通过在网络中的每台转发设备上运行资源预留协议(RSVP)，实现对流的监控，这种体系能保证对每一条流的QoS控制，实现网络流量细粒度的控制，但是该模型可扩展性差，需要每一台设备运行资源预留协议，难以在大规模网络中部署。区分服务模型(Diff-Serv)简化了网络的操作，通过在网络的边缘对流量进行聚合分类，相比综合服务模型易于实现、网络额外负担较小、可扩展性好，但是由于该模型不能提供全网的端到端的服务，对全局资源进行动态管理的性能也不高，因此未能广泛的应用。尽管最近提出了基于隧道的MPLS技术，但是由于缺乏实时的重配置和自适应能力，最终也未能实现大规模的部署应用。

为了解决现有TCP/IP体系结构面临的诸多难题，美国斯坦福大学提出了一种新的技术OpenFlow将控制功能从网络设备中分离出来，仅在网络设备上维护流表结构，数据分组按照流表进行匹配转发，而流表的生成、维护、配置则有控制器来管理。Openflow的流表管理将网络处理层次扁平化，使得网络数据的处理满足细粒度的要求，正是OpenFlow技术的提出推动了软件定义网络(SDN)的发展，OpenFlow最初作为SDN的原型提出时，主要由OpenFlow交换机、SDN控制器组成。OpenFlow交换机根据流表转发数据包属于转发平面，控制器通过OpenFlow协议与网络设备进行数据通信，属于控制平面。软件定义网络中这种转发与控制分离的思想实现了由传统网络分布式的控制方式向集中式控制的转化，极大减少了转发平面的负载。SDN的可编程性使得开发人员实现对网络资源的动态分配，通过对全局网络的监视实现动态、高效的资源管理。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提出一种资源动态管理的SDN网络QoS保障方法，用于解决网络中流量的QoS无法保证问题。采用本发明公开的方法，可以有效的保证流量的QoS，满足用户体验。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种资源动态管理的SDN网络QoS保障方法，具体步骤如下：

步骤一、流量到达Openflow交换机与流表项进行匹配，若匹配成功根据流表项的指令执行转发策略，否则发往SDN控制器。

步骤二、SDN控制器对来自Openflow交换机发送来的数据包进行解析，根据流量的特征把流划分为普通流和QoS流，QoS流比普通流有更高的优先权，根据实际的情况QoS流可以划分更多的子类。

步骤三、控制器通过Dijkstra算法为普通流和QoS流计算最短路径，把控制策略和计算出的路由信息封装到流表并下发至Openflow交换机。

步骤四、链路监视模块周期性的向交换机发送状态请求，如果监测到链路负载过高，控制器根据多约束路径优化算法为QoS流计算空闲的路径，该策略既能保障QoS流的传输带宽又能减少对普通流的影响。

步骤五、如果多约束路径优化算法未能计算出满足条件的路径，则把不同优先权的流映射到预先配置好的不同等级队列中，以保障高优先权流量的服务请求。

所述步骤一中，Openflow交换机初始时仅有指向控制器优先级为0的流表项，对于新到达网络中的流依照流表的优先级由高到低与流表项进行匹配。如果流表中不含优先级大于零的流表项则匹配转发到控制器的流表项。

所述步骤二中，SDN控制器对于由边缘交换机发送来的数据包进行解析，由于网络中不同的应用程序对网络资源有不同的服务要求，根据服务请求的特征把流分为不同等级的优先权，以满足高优先权流量的QoS。对包进行分类可以根据源IP地址、目的IP地址、源端口号、目的端口号、协议类型等信息。根据网络中流的特征把流分为普通流和多种QoS流。

所述步骤四中，控制器中的链路监视模块周期性的向网络交换机中发送端口状态请求，并收集由交换机发往控制器的状态数据，如果检测链路负载过高则控制器启用路径优化算法为高优先级的流选择低负载的路径，路径优化过程如下：

G(N，E)表示网络拓扑，其中N表示顶点集合，E表示边的集合，(i，j)∈E表示从源节点i到目的节点的j的一条边；

Rst表示源节点为s，目的节点为t的所有路由的集合，r∈Rst，r为其中的一条路由；

fC(r)表示路由r上所消费的代价，fD(r)表示路由r上的时延；

fC(r)＝∑_(i，j)∈r cij  (1)

fD(r)＝∑_(i，j)∈r dij  (2)

cij表示链路(i，j)上的代价，dij表示链路(i，j)上的时延；

多约束的路径优化问题转化为求解一条路径r满足在时延小于给定的值Dmax时所求得的路径代价最小，即：

r*＝arg min{f_C(r)/r∈R_st，f_D(r)≤D_max}  (3)

其中，

$c_{\mathrm{ij}}=g_{\mathrm{ij}}+d_{\mathrm{ij}}\∀(i,j)\∈A---\left(4\right)$

gij表示链路(i，j)上的拥塞值，dij表示链路(i，j)上的时延。

求解多约束条件的最短路径问题为NP难问题，因此本发明采用基于拉格朗日松弛的聚合代价算法计算可行的路径，最终在时间复杂度为O([n+mlogm]2)的条件下求出路径r。

所述步骤四和五中如果路径优化算法未能找到满足条件的路径r，则启用队列机制，将不同优先权的流量映射到不同级别的队列中以满足高优先权流量的传输需求。

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：

(1)本发明结合软件定义网络转发与控制分离特性实现网络的可视化，通过控制器提供的可编程性优点实现对网络资源的灵活管理。

(2)本发明提出使用多约束条件的路径优化算法为高负载链路上的流量选择低负载路径，保证高优先权流量的传输质量，同时减少了对普通流的影响。

(3)本发明提出在多约束的路径优化算法未能计算出可行路径时结合队列技术把不同优先权的流量映射到不同级别的队列中，有效的保障了网络流量的QoS，实现网络资源的动态管理。

附图说明

图1为本发明的QoS保障方法流程示意图；

图2为本发明的SDN控制器功能模块示意图；

图3为本发明的队列映射图；

图4为本发明的实例拓扑图；

图5为本发明的网络流量分布图；

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明：

实施例

为了解决网络中业务流量的QoS保障问题，本发明提供了一种资源动态管理的SDN网络QoS保障方法，具体流程如图1所示，该方法包括：

网络流量到达Openflow交换机与流表项进行匹配，如果交换机中存在该流的流表项则匹配成功并根据流表项的指令执行转发策略，如果该流为新到达的流则转发到控制器中，有控制器处理。

SDN控制器对Openflow交换机发送来的数据包进行解析，根据流量的特征把流划分为普通流和QoS流，QoS流比普通流有更高的优先权。对流量的分类有多种方法如源IP地址、目的IP地址、源端口号、目的端口号、协议类型等信息，根据实际的情况QoS流可以划分更多的子类。

控制器通过Dijkstra算法为普通流和QoS流计算最短路径，把控制策略和计算出的路由信息封装到流表中下发至Openflow交换机。

链路监视模块周期性的向交换机发送状态请求，如端口状态请求、流状态请求等，控制器中的监视管理模块对由网络设备发送的状态数据进行分析并监视当前链路的使用状况。如果监测到链路负载过高，控制器根据多约束路径优化算法为QoS流计算空闲的路径，该策略既能保障QoS流的传输带宽又能减少对普通流的影响。

本发明提出的多约束的路径优化算法采用基于拉格朗日松弛的聚合代价算法，将NP难问题转发为多项式时间内可以解决的问题，最终把对优化路径的求解转化为求解一条路径r，在满足该路径上时延小于Dmax的条件下所消耗的代价最小。即：

r*＝arg min{f_C(r)/r∈R_st，f_D(r)≤D_max}

如果多约束路径优化算法未能计算出满足条件的路径，则把不同优先权的流映射到预先配置好的不同等级队列中，以保障高优先权流量的服务请求。

本发明提出的QoS保障方法的实现方式均在SDN控制器中编程执行，如图2所示，为控制器中的功能实现模块。

状态监视模块周期性的向网络中发送状态请求并接受网络设备发送来的状态回复数据。

网络资源管理模块接收由状态收集模块监测的状态回复数据，通过对数据进行整理计算监视网络状态并为路径计算模块提供所需的输入参数。

流量分类器根据流量的特征对新到达网络中的流量进行分类，把不同优先级别的流标识出来。

路径计算模块是在网络管理模块监测到某条链路负载过高时执行，新路径的计算根据网络管理模块提供的当前网络的时延、拥塞值进行计算。

如果路径计算模块未能计算出满足条件的路径则启动队列机制，把不同优先权的流映射的预先配置好的队列中，映射过程如图3所示。

如图4所示，本发明将提出的QoS控制方案通过该图示中的网络拓扑进行实例验证。

该网络是由3个节点、3条链路构成的多路径的拓扑结构图，每条链路的带宽上限为100Mbps，节点S1向节点S3发送三条数据流，图5所示为三条流的详细信息，控制器将流分为QoS Flow 1、QoS Flow 2和Cross-traffic，流量优先级由高依次降低。

在时间t＝0时QoS Flow 1和QoS Flow 2同时到达网络中，控制器通过Dljkstra为两条流计算最短路径S1-＞S3，由于两条流的总带宽小于链路的阈值，因此当前网络流量传输能够得到保证。在t＝20s时把Cross-traffic注入网络中，由于三条流的带宽总和大于当前链路的阈值，监视模块监测到链路S1-＞S3负载过高则执行路径优化模块为高优先权的流计算新的路径，最终为QoS Flow1选择新的路径S1-＞S2-＞S3，此时QoS Flow 2和Cross-traffic的带宽需求总和依然大于当前链路的带宽阈值，路由计算模块循环为QoS Flow 2计算新的路径，由于新的路径未满足约束条件，QoS Flow 2和Cross-traffic共享同一条路径，为了满足高优先级流量的传输启动队列机制，把两条流映射到不同级别的队列中，保证QoS Flow 2的传输质量。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (8)

1.一种资源动态管理的SDN网络QoS保障方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、流量到达Openflow交换机与流表项进行匹配，若匹配成功根据流表项的指令执行转发策略，否则发往SDN控制器。

步骤二、SDN控制器对来自Openflow交换机发送来的数据包进行解析，根据流量的特征把流划分为普通流和QoS流，QoS流比普通流有更高的优先权，根据实际的情况QoS流可以划分更多的子类。

步骤三、控制器采用Dijkstra算法为普通流和QoS流计算最短路径，把控制策略和计算出的路由信息封装到流表并下发至Openflow交换机。

步骤四、链路监视模块周期性的向交换机发送状态请求，如果监测到链路负载过高，控制器根据多约束路径优化算法为QoS流计算新的路径，该策略既能保障QoS流的传输带宽又能减少对普通流的影响。

步骤五、如果多约束路径优化算法未能计算出满足条件的路径，则把不同优先权的流映射到预先配置好的不同等级队列中，以保障高优先权流量的服务请求。

2.如权利要求1所述的一种资源动态管理的SDN网络QoS保障方法，其特征在于：所述步骤一中，Openflow交换机初始时仅有指向控制器优先级为0的流表项，对于新到达网络中的流依照流表的优先级由高到低与流表项进行匹配。如果不含优先级大于零的流表项则匹配转发到控制器的流表。

3.如权利要求1所述的一种资源动态管理的SDN网络QoS保障方法，其特征在于：所述步骤二中，SDN控制器对于由边缘交换机发送来的数据包进行解析，由于网络中不同的应用程序对网络资源有不同的服务要求，根据服务请求的特征把流分为不同等级的优先权，以满足高优先权流量的QoS。

4.如权利要求1或3所述的一种资源动态管理的SDN网络QoS保障方法，其特征在于：所述步骤二中，对包进行分类可以根据源IP地址、目的IP地址、源端口号、目的端口号、协议类型等信息。根据网络中流的特征把流分为普通流和多种QoS流。

5.如权利要求1所述的一种资源动态管理的SDN网络QoS保障方法，其特征在于：所述步骤三中，对于到达网络中的流采用DIjkstra算法为该流计算出最短路径。

6.如权利要求1所述的一种资源动态管理的SDN网络QoS保障方法，其特征在于：所述步骤四中，控制器中的链路监视模块周期性的向网络交换机中发送端口状态请求，并收集由交换机发往控制器的状态回复数据，如果检测链路负载过高则控制器启用路径优化算法为高优先级的流选择低负载的路径，路径优化过程如下：

G(N，E)表示网络拓扑，其中N表示顶点集合，E表示边的集合，(i，j)∈E表示从源节点i到目的节点的j的一条边；

R_st表示源节点为s，目的节点为t的所有路由的集合，r∈R_st，r为其中的一条路由；

f_C(r)表示路由r上所消费的代价，f_D(r)表示路由r上的时延；

fC(r)＝∑_(i，j)∈r cij   (1)

fD(r)＝∑_(i，j)∈r dij   (2)

c_ij表示链路(i，j)上的代价，d_ij表示链路(i，j)上的时延；

多约束的路径优化求解问题转化为求解一条路径r满足在时延小于给定的值Dmax时所求得的路径代价最小，即：

r*＝arg min{f_C(r)/r∈R_st，f_D(r)≤D_max}   (3)

其中，

$c_{\mathrm{ij}}=g_{\mathrm{ij}}+d_{\mathrm{ij}}\∀(i,j)\∈A---\left(4\right)$

g_ij表示链路(i，j)上的拥塞值，d_ij表示链路(i，j)上的时延。

求解多约束条件的最短路径问题为NP难问题，因此本发明采用基于拉格朗日松弛的聚合代价算法计算可行的路径，最终在时间复杂度为O([n+mlogm]2)的条件下求出可行解r。

7.如权利要求1所述的一种资源动态管理的SDN网络QoS保障方法，其特征在于：所述步骤四中，为高优先权的流通过路径优化算法选择新的路径可以既能保证高优先权流量的QoS又减少对普通流的影响。

8.如权利要求1或6所述的一种资源动态管理的SDN网络QoS保障方法，其特征在于：所述的步骤四和五中，如果路径优化算法未能找到满足条件的路径r，则启用队列机制，将不同优先权的流量映射到不同级别的队列中以满足高优先权流量的传输需求。