CN105721302B - 一种软件定义网络路由选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种软件定义网络路由选择方法，属于移动通信技术领域。该方法包括以下步骤：控制器根据用户设备(UE)路由请求消息获取SDN网络连接图；根据UE的业务需求确定候选基站(BS)、候选交换机(SW)及候选链路；基于功耗及时延联合效用函数确定各链路权值，生成网络带权图，并基于Dijkstra算法确定目标路由。本发明综合考虑UE的业务需求，BS与SW的传输速率、功率消息及时延等信息，以路由功耗及时延联合优化为目标，实现SDN架构下UE的优化路由选择，能够有效节省网络功率消耗、降低时延、提升网络稳定性。

Description

一种软件定义网络路由选择方法

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，涉及一种软件定义网络路由选择方法。

背景技术

软件定义网络(Software DefinedNetworks，SDN)是由美国斯坦福大学提出，以OpenFlow为基础的新型创新网络平台。SDN的典型架构共分三层，最上层为应用层，包括各种不同的业务和应用；中间层为控制层，主要负责处理数据转发设备资源的编排，维护网络拓扑和状态信息等；最底层为数据层，主要负责基于流表的数据处理、转发和状态收集。SDN主要特性为控制平面与数据平面分离、集中式网络控制、在控制层与数据层设备之间开放网络接口、网络可由外部程序编程。

由于控制层与数据层的分离，使得快速开通及配置网络连接服务变成可能。在SDN架构中，智能化的SDN控制器能够获取网络的全局视图，并且能够控制整个网络的数据转发设备。基于SDN的网络能够有效隔离流量、区分服务链及便于QoS管理，从而可有效解决传统移动网络成本高、不够灵活、QoS难以有效管理等问题，然而，SDN架构的集中式网络控制、控制与数据平面分离、资源切片等特性给网络管理机制特别是路由选择机制带来新的问题及挑战。

文献[Batalle J,FerrerRiera J,Escalona E,et al.On the implementationof NFV over an OpenFlow infrastructure:routing function virtualization,FutureNetworks and Services(SDN4FNS),2013]提出了一种SDN网络虚拟路由设计方案，通过路由功能虚拟化(Routing Function Virtualization,RFV)，实现方便管理和节省开销等效益，但该方案未考虑具体的路由机制。文献[Zhao K,Li Q,Jiang Y.Flow-levelconsistent update in SDN based on K-prefix covering,Global CommunicationsConference(GLOBECOM),2014]提出了一种SDN网络路由配置更新方案，该方案通过基于流表级的一致性保障机制，可以解决路由冲突和传输中断等问题，但该方案未考虑有效的路由选择机制。文献[Zhang S Q,Zhang Q,Bannazadeh H,et al.Network FunctionVirtualization enabled multicast routing on SDN,Communications(ICC),2015]提出了一种基于图论的SDN网络路由算法，该算法用于SDN组播网络中，并通过网络功能虚拟化技术，实现建立恰当的组播拓扑，但该算法没有解决为核心网络分配路由等问题。

综上所述，基于SDN的网络环境中如何综合考虑UE的业务需求，BS与SW速率、功率及时延信息，SDN网络架构，路由算法的功耗及时延优化等特性，实现SDN架构下UE的路由选择方案，从而节省网络功率消耗、降低时延、提升网络稳定性成为亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种软件定义网络路由选择方法，该方法能够有效节省网络功率消耗、降低时延、提升网络稳定性。

该方法具体包括以下步骤：

S1：用户设备(UE)向其周围基站(BS)发送路由请求消息，BS接收到UE发送的路由请求后，将路由请求消息转发至控制器；

S2：控制器调用相应模块获取SDN网络连接图；

S3：控制器执行候选BS选择算法，判断BS是否满足用户业务需求，若满足，则执行步骤S5，否则，执行步骤S4；

S4：控制器剪除不满足用户业务需求的BS节点，更新SDN网络连接图；

S5：控制器执行候选交换机(SW)选择算法，判断SW是否满足用户业务需求，若满足，则执行步骤S7，否则，执行步骤S6；

S6：控制器剪除不满足条件的SW节点，更新SDN网络连接图；

S7：控制器判断各链路可用速率是否满足UE速率需求，若满足，则执行步骤S9，否则，执行步骤S8；

S8：控制器剪除不满足速率需求的链路，并更新SDN网络连接图；

S9：控制器确定各链路的功耗及时延；

S10：控制器基于功耗、时延联合效用函数确定SDN网络连接图各链路的权值，生成SDN网络带权图；

S11：控制器基于Dijkstra算法确定UE目标路由，通知相应BS接入UE，并更新相应交换机流表项。

进一步，在步骤S2中，所述SDN网络连接图为网络节点间的有向图G＝＜V,E＞，其中节点V包括UE、BS、SW等设备，记N^BS为UE可用BS总数，N^SW表示网络中SW总数，则V＝{UE,BS_i,SW_j}(1≤i≤N^BS，1≤j≤N^SW)，其中，BS_i表示第i个基站，SW_j表示第j个交换机；链路E表示网络中相邻设备之间链路，包括UE到BS链路＜UE,BS_i＞、BS到SW链路＜BS_i,SW_j＞、SW与SW之间的链路＜SW_j,SW_j＞等，即E＝{＜UE,BS_i＞,＜BS_i,SW_j＞,＜SW_j,SW_j＞}(1≤i≤N^BS，)。

进一步，在步骤S3中，所述候选BS选择算法具体是指判断BS_i(1≤i≤N^BS)的吞吐量是否满足UE最小速率需求R^req，记UE接入BS_i的吞吐量为用户可接入BS集合为Θ，候选BS集合为Θ₀，则可确定BS_i∈Θ,1≤i≤N^BS}。

进一步，在步骤5中，所述候选SW选择算法具体是指判断SW_j(1≤j≤N^SW)是否存在一对端口可用速率满足UE速率需求R^req，记SW_j存在链路连接且能够进行数据传输的端口数为SW_j的第k个端口的可用数据速率为总SW集合为Χ，候选SW集合为Χ₀，则所述候选SW算法为：

进一步，在步骤S7中，链路可用速率具体包含以下几种情况：

1)若e∈{＜UE,BS_i＞}，记候选BS总数为则可用速率

2)若e∈{＜BS_i,SW_j＞}，记候选SW总数为BS_i与SW_j的第k个端口相连，SW_j的第k个端口的可用数据速率为则

3)若e∈{＜SW_j,SW_j＞}，记SW_j通过其第k个端口与的第个端口相连，则

进一步，在步骤S9中，链路功耗是指链路的等效功率消耗P^(e)，具体包含以下几种情况：

1)若e∈{＜UE,BS_i＞}，记UE发射功率为BS_i接收功率为BS_i信号处理功率为即

2)若e∈{＜BS_i,SW_j＞}，记BS_i与SW_j的第k个端口相连，SW_j的第k个端口为支持速率R^req的端口功率为SW_j处理速率为R^req的数据处理功率为则

3)若记SW_j通过其第k个端口与的第个端口相连，则

进一步，步骤S9中链路时延是指链路的等效时延De^(e)，具体包含以下几种情况：

1)若e∈{＜UE,BS_i＞}，记e∈{＜UE,BS_i＞}的传输时延为则

2)若e∈{＜BS_i,SW_j＞}，记e∈{＜BS_i,SW_j＞}的传输时延为BS_i与SW_j的第k个端口相连，SW_j的第k个端口的排队时延为则

3)若记e∈{＜SW_j,SW_j＞}的传输时延为SW_j通过其第k个端口与的第个端口相连，则

进一步，步骤S10中，基于链路功耗及时延的联合效用函数建模为链路归一化功耗和时延的加权平均，记链路e∈E归一化功耗为链路e∈E归一化时延为功耗权值为ρ，时延权值为(1-ρ)，则链路e的权值定义为功耗与时延联合效用函数

进一步，在步骤S11中，控制器基于Dijkstra算法确定用户目标路由具体为，基于Dijkstra算法，在UE与目的节点之间所有候选路由中确定权值最短路由，对应用户联合能耗及时延最优路由，即为用户目标路由。

本发明的有益效果在于：本发明提供的方法能够有效节省网络功率消耗、降低时延、提升网络稳定性。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明实施例的示例性通信系统框图；

图2为根据本发明实施例的路由选择流程图；

图3为根据本发明实施例的应用路由选择方法的通信示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

SDN采用OpenFlow实现控制功能与转发功能的分离，由远程控制器完成网络的控制功能。OpenFlow交换机存储流表，以实现包查找和转发。交换机通过OpenFlow协议经安全通道连接至外部控制器，对流表进行查询和管理。流表包括包头域(Header fields，匹配包头多个域)、活动计数器(Counters)、0个或多个执行行动(Actions)。OpenFlow交换机对包进行查找，若匹配，则执行相关策略，否则，通过安全通道将包转发到控制器，由控制器执行相应决策。

图1所示为根据本发明实施例的示例性通信系统框图。在该通信系统中，SDN控制平面包含开源控制器；SDN数据平面的数据转发设备可以是任何支持SDN协议的路由器、交换机、虚拟交换机、BS等。其中，开源控制器包括Floodlight、OpenDaylight、NOX/POX、Ryu、OpenContrail控制器等；BS可以是由任何通用移动通信系统(Universal MobileTelecommunicationSystem，UMTS)、全球互联微波接入(Worldwide InteroperabilityforMicrowave Access，WiMAX)、长期演进(Long TermEvolution，LTE)系统、LTE频分双工(Frequency Division Duplex，FDD)系统、LTE时分双工(Time DivisionDuplex，TDD)等通信系统提供的无线接入点。

图2所示为本发明实施例的路由选择流程图。实施例中路由选择方法包括以下步骤：

步骤S201，用户设备(UE)向其周围基站(BS)发送路由请求消息，BS接收到UE发送的路由请求后，将路由请求消息转发至控制器；

步骤S202，控制器调用相应模块获取SDN网络连接图；

步骤S203，控制器执行候选BS选择算法，判断BS是否满足用户业务需求，若满足，则执行步骤S205，否则，执行步骤S204；

步骤S204，控制器剪除不满足用户业务需求的BS节点，更新SDN网络连接图；

步骤S205，控制器执行候选交换机(SW)选择算法，判断SW是否满足用户业务需求，若满足，则执行步骤S207，否则，执行步骤S206；

步骤S206，控制器剪除不满足条件的SW节点，更新SDN网络连接图；

步骤S207，控制器判断各链路可用速率是否满足UE速率需求，若满足，则执行步骤S209，否则，执行步骤S208；

步骤S208，控制器剪除不满足速率需求的链路，并更新SDN网络连接图；

步骤S209，控制器确定各链路的功耗及时延；

步骤S210，控制器基于功耗、时延联合效用函数确定SDN网络连接图各链路的权值，生成SDN网络带权图；

步骤S211，控制器基于Dijkstra算法确定UE目标路由，通知相应BS接入UE，并更新相应交换机流表项。

图3所示为根据本发明实施例的应用路由选择方法的通信示意图，以下结合实施例对路由选择过程作具体说明：

1)UE₁向其周围BS₂、BS₃、BS₄发送路由请求。

2)BS₂、BS₃、BS₄查找到本地流表中不存在匹配流表项，执行步骤S201。

3)控制器C₀执行步骤S202，调用相应模块，获取SDN网络连接图G＝＜V,E＞，其中节点V包括UE₁、BS₂、BS₃、BS₄、SW₅、SW₆、SW₇，链路E包括<UE₁,BS₂>、<UE₁,BS₃>、<UE₁,BS₄>、<BS₂,SW₅>、<BS₃,SW₆>、<BS₄,SW₆>、<SW₅,SW₇>、<SW₆,SW₇>。

4)C₀执行步骤S202～S208，假设BS₃不满足用户最小速率需求，将BS₂、BS₄确定为候选BS，SW₅、SW₆、SW₇确定为候选SW，链路<UE₁,BS₂>、<UE₁,BS₄>、<BS₂,SW₅>、<BS₄,SW₆>、<SW₅,SW₇>、<SW₆,SW₇>确定为候选链路，并更新网络连接图G₀＝＜V₀,E₀＞，其中节点V₀是UE、候选BS和候选SW的集合，链路E₀是候选链路的集合。

5)C₀执行步骤S209，确定链路<UE₁,BS₂>、<UE₁,BS₄>、<BS₂,SW₅>、<BS₄,SW₆>、<SW₅,SW₇>、<SW₆,SW₇>的功耗及时延。

6)C₀执行步骤S210，确定链路<UE₁,BS₂>、<UE₁,BS₄>、<BS₂,SW₅>、<BS₄,SW₆>、<SW₅,SW₇>、<SW₆,SW₇>的权值W^(e)，给网络连接图G₀＝＜V₀,E₀＞标上权重，即G₀＝＜V₀,E₀,W＞。

7)C₀执行步骤S211，假设根据Dijkstra算法确定路径<UE₁,BS₄>-<BS₄,SW₆>-<SW₆,SW₇>为权重和最短路径，则<UE₁,BS₄>-<BS₄,SW₆>-<SW₆,SW₇>为联合能耗及时延最优路由，C₀通过Packet_out消息通知BS₄接入UE₁；BS₄通过动态主机配置协议(DHCP)为UE₁分配IP地址；C₀通过Flow_Mod消息更新BS₄、SW₆和SW₇的流表项。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种软件定义网络路由选择方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：用户设备(UE)向其周围基站(BS)发送路由请求消息，BS接收到UE发送的路由请求后，将路由请求消息转发至控制器；

S2：控制器调用相应模块获取SDN网络连接图；

S3：控制器执行候选BS选择算法，判断BS是否满足用户业务需求，若满足，则执行步骤S5，否则，执行步骤S4；

S4：控制器剪除不满足用户业务需求的BS节点，更新SDN网络连接图；

S5：控制器执行候选交换机(SW)选择算法，判断SW是否满足用户业务需求，若满足，则执行步骤S7，否则，执行步骤S6；

S6：控制器剪除不满足条件的SW节点，更新SDN网络连接图；

S7：控制器判断各链路可用速率是否满足UE速率需求，若满足，则执行步骤S9，否则，执行步骤S8；

S8：控制器剪除不满足速率需求的链路，并更新SDN网络连接图；

S9：控制器确定各链路的功耗及时延；

S10：控制器基于功耗、时延联合效用函数确定SDN网络连接图各链路的权值，生成SDN网络带权图；

S11：控制器基于Dijkstra算法确定UE目标路由，通知相应BS接入UE，并更新相应交换机流表项；

步骤S10中，基于链路功耗及时延的联合效用函数建模为链路归一化功耗和时延的加权平均，记链路e∈E归一化功耗为链路e∈E归一化时延为链路E表示网络中相邻设备之间链路，功耗权值为ρ，时延权值为(1-ρ)，则链路e的权值定义为功耗与时延联合效用函数

2.根据权利要求1所述的一种软件定义网络路由选择方法，其特征在于：在步骤S2中，所述SDN网络连接图为网络节点间的有向图G＝＜V,E＞，其中节点V包括UE、BS、SW设备，记N^BS为UE可用BS总数，N^SW表示网络中SW总数，则V＝{UE,BS_i,SW_j}，其中，1≤i≤N^BS，1≤j≤N^SW，其中，BS_i表示第i个基站，SW_j表示第j个交换机；链路E表示网络中相邻设备之间链路，包括UE到BS链路＜UE,BS_i＞、BS到SW链路＜BS_i,SW_j＞、SW与SW之间的链路即其中1≤i≤N^BS，

3.根据权利要求1所述的一种软件定义网络路由选择方法，其特征在于：在步骤S3中，所述候选BS选择算法具体是指判断BS_i，其中1≤i≤N^BS的吞吐量是否满足UE最小速率需求R^req，记UE接入BS_i的吞吐量为用户可接入BS集合为Θ，候选BS集合为Θ₀，N^BS为UE可用BS总数，则可确定

4.根据权利要求1所述的一种软件定义网络路由选择方法，其特征在于：在步骤5中，所述候选SW选择算法具体是指判断SW_j，其中1≤j≤N^SW是否存在一对端口可用速率满足UE最小速率需求R^req，记SW_j存在链路连接且能够进行数据传输的端口数为SW_j的第k个端口的可用数据速率为总SW集合为X，候选SW集合为X₀，N^SW表示网络中SW总数，则所述候选SW算法为：

5.根据权利要求1所述的一种软件定义网络路由选择方法，其特征在于：在步骤S7中，链路可用速率具体包含以下几种情况：

1)若e∈{＜UE,BS_i＞}，记候选BS总数为则可用速率

2)若e∈{＜BS_i,SW_j＞}，记候选SW总数为BS_i与SW_j的第k个端口相连，SW_j的第k个端口的可用数据速率为则

3)若记SW_j通过其第k个端口与的第个端口相连，则N^SW表示网络中SW总数，记SW_j存在链路连接且能够进行数据传输的端口数为

6.根据权利要求1所述的一种软件定义网络路由选择方法，其特征在于：在步骤S9中，链路功耗是指链路的等效功率消耗P^(e)，具体包含以下几种情况：

1)若e∈{＜UE,BS_i＞}，记UE发射功率为P_i ^UE，BS_i接收功率为P_i ^RE，BS_i信号处理功率为P_i ^SP，即记候选BS总数为

2)若e∈{＜BS_i,SW_j＞}，记BS_i与SW_j的第k个端口相连，SW_j的第k个端口为支持UE最小速率需求R^req的端口功率为SW_j处理速率为R^req的数据处理功率为则记SW_j存在链路连接且能够进行数据传输的端口数为记候选SW总数为

3)若记SW_j通过其第k个端口与的第个端口相连，则

7.根据权利要求1所述的一种软件定义网络路由选择方法，其特征在于：步骤S9中链路时延是指链路的等效时延De^(e)，具体包含以下几种情况：

1)若e∈{＜UE,BS_i＞}，记e∈{＜UE,BS_i＞}的传输时延为则记候选BS总数为

2)若e∈{＜BS_i,SW_j＞}，记e∈{＜BS_i,SW_j＞}的传输时延为BS_i与SW_j的第k个端口相连，SW_j的第k个端口的排队时延为则

记候选SW总数为

3)若记的传输时延为SW_j通过其第k个端口与的第个端口相连，则记SW_j存在链路连接且能够进行数据传输的端口数为

8.根据权利要求1所述的一种软件定义网络路由选择方法，其特征在于：在步骤S11中，控制器基于Dijkstra算法确定用户目标路由具体为，基于Dijkstra算法，在UE与目的节点之间所有候选路由中确定权值最短路由，对应用户联合能耗及时延最优路由，即为用户目标路由。