CN106686739B - 面向数据流的基于软件定义网络的无线网络资源管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的面向数据流的基于软件定义网络的无线网络资源管理方法，属于无线网络资源管理领域。该方法首先对无线网络接入终端进行扩展，然后对SDN网络中的SDN控制器和Openflow协议进行扩展，最后实现对数据流的管理。本发明通过以虚拟网卡的方式，完成在无线网络中相同终端上的不同数据流映射到不同的虚拟网卡，从而在无线SDN网络中实现面向数据流的资源管理。

Description

面向数据流的基于软件定义网络的无线网络资源管理方法

技术领域

本发明属于网络资源管理领域，特别涉及一种面向数据流的基于软件定义网络的无线网络资源管理方法。

背景技术

随着移动互联网的迅速发展，移动应用也越来越多。随着智能手机的普及以及移动端应用数量的快速增长，越来越多的人们选择通过移动端来使用互联网服务，例如：观看视频，语音通话，电子邮件等。因此，在无线网络中如何为移动应用提供更好的服务也成为学者越来越关注的问题。由于无线网络本身的特性，其无线资源的分配都是基于移动终端，无法为移动终端上的多个数据流划分更为细粒度的资源。

SDN(Software Defined Networking)--软件定义网络的新型网络架构，通过抽象网络设备的控制功能，将网络中的控制功能集中到了控制器中，网络设备变成了简单的数据包的转发设备，从而实现了网络中数据平面和控制平面的分离。SDN因为其高度的灵活性，可编程性引起了广大的关注。在SDN网络结构中，SDN控制器和SDN交换机之间通过Openflow协议交互信令，目前有36种消息类型。通过Openflow协议，SDN控制器完成向SDN交换机完成下发流表，以及收集信息等功能。流表由流表项组成，每个流表项就是一个转发规则。SDN交换机通过查询流表来确定一个数据包转发的目的端口。

随着移动互联网的发展，无线网络中的出现了新问题，越来越多的学者将SDN的架构引入到无线网络。基于软件定义网络的无线网络资源管理也成为近些年的研究重点。基于软件定义网络的无线网络结构一般如图1所示，图1中与无线接入点相连接的SDN交换机以及SDN控制器与传统的软件定义网络结构中的SDN交换机与SDN控制器一致，只是增加了无线接入点AP接入到SDN交换机上，并且SDN控制器可以对无线接入点和SDN交换机进行统一管理和配置。图1中所示的实线为数据转发路径，无线接入点AP的数据流通过SDN交换机进行转发；虚线为SDN网络中的控制平面，SDN控制器通过Openflow协议向SDN交换机下发流表和向无线接入点AP配置无线参数。

在无线网络中，终端通过无线网卡关联无线接入点AP接入SDN网络并进行通信。传统的无线网络中终端结构如图2所示，包含物理无线网卡，802.11驱动模块以及TCP/IP网络协议模块。应用程序模块诸如视频，语音，邮件等产生的数据通过TCP/IP网络协议模块，封装成可以发送的数据包，然后通过802.11驱动模块，由物理无线网卡发出。

在有线网络中，Qos(服务质量)可以通过转发端口控制队列带宽来实现。SDN交换机可以将不同的数据流转发到不同速率的队列中，从而可以为不同的数据流配置不同的网络带宽。相比于有线网络，在无线网络中，无线资源的参数更加复杂，包含频点，频宽，功率等多个维度，实现在无线上数据平面和控制平面的解耦较为困难。

在传统的基于软件定义网络的无线网络中，SDN控制器可以为无线接入点配置无线参数，同时下发流表给与无线接入点连接的SDN交换机，但网络的瓶颈主要在无线一侧，而无线资源的管理主要是面向终端，难以实现像有线SDN架构中面向数据流的资源管理。由于多个数据流通过同一个网卡发送，如果对某一个数据流分配无线资源，配置无线参数，则会影响这个网卡上的所有数据流，所以当前的无线SDN网络架构无法实现在无线网络中面向数据流的资源管理。

虚拟网卡，是一种虚拟化技术，使得多个虚拟的网卡可以工作在同一块物理网卡之上。通过虚拟网卡技术，可以将一个物理网卡抽象成多块网卡，以支撑上层的业务应用。

发明内容

本发明的目的是为针对现有技术在无线SDN网络中无法实现面向数据流的资源分配问题，提出一种面向数据流的基于软件定义网络的无线网络资源管理方法。本发明通过以虚拟网卡的方式，完成在无线网络中相同终端上的不同数据流映射到不同的虚拟网卡，从而在无线SDN网络中实现面向数据流的资源管理。

本发明提出的面向数据流的基于软件定义网络的无线网络资源管理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)对无线网络接入终端进行扩展，具体包括以下内容：

在无线网络接入终端中新增数据流管理模块和本地控制器；数据流管理模块负责数据流与虚拟网卡之间的映射，按照本地控制器下发的配置文件，将不同优先级的数据流分配到不同的虚拟网卡上；本地控制器通过接收网络侧的SDN控制器发送的的配置文件，生成，合并或者删除虚拟网卡，并且生成数据流与虚拟网卡的映射文件发送给数据流管理模块；

2)对SDN网络中SDN控制器和Openflow协议进行扩展，具体包括以下内容：

2-1)对SDN网络中的SDN控制器进行扩展，增加虚拟网卡与物理网卡之间的映射关系表，以实现在SDN网络中对虚拟网卡的支持；

2-2)对SDN控制器和SDN交换机之间的Openflow协议进行扩展，新增消息类型，使得接入终端和SDN控制器之间交互信令；扩展的消息包括使得接入终端生成虚拟网卡、删除虚拟网卡以及合并虚拟网卡；

3)对数据流进行管理，具体包含以下步骤：

3-1)当无线网络接入终端产生一个数据流，由终端侧的本地控制器向SDN网络中的SDN控制器发出资源申请；

3-2)SDN网络中的SDN控制器收到步骤3-1)所述的资源申请请求后，SDN控制器为步骤3-1)产生的数据流分配无线资源，并生成一个虚拟网卡的MAC地址，将该MAC地址与所述数据流的信息以及优先级通过步骤2)中扩展的Openflow协议告知无线网络接入终端；同时SDN控制器为该数据流下发流表到无线接入点以及与无线接入点连接的SDN交换机；

3-3)当无线网络接入终端的本地控制器收到步骤3-2)生成的包含指定MAC地址、数据流信息以及优先级的消息后，生成一块虚拟网卡，并且通过MAC地址更改软件将该虚拟网卡的MAC地址改成指定地址，即步骤3-2)所生成的MAC地址；

3-4)在无线网络接入终端侧，本地控制器告知数据流管理模块，将步骤3-1)产生的数据流分配到步骤3-3)生成的虚拟网卡上；

3-5)SDN网络中的SDN交换机收到如步骤3-2)所述的流表，流表包含步骤3-2)生成的虚拟网卡MAC地址的数据包，所述SDN交换机将数据包中虚拟网卡MAC地址替换为原有物理网卡MAC地址，并将更改后的数据包重新打包后，按照流表匹配项从指定端口转发；

3-6)当无线网络接入终端侧的本地控制器发现与步骤3-1)所述数据流具有相同优先级需求的新数据流，将新数据流合并到步骤3-3)生成的虚拟网卡上，并且删除所述新数据流已经不再使用的虚拟网卡，回收资源，并将合并和删除的消息通过步骤2)中扩展的Openflow协议告知SDN网络中的SDN控制器；

3-7)SDN网络中的SDN控制器收到步骤3-6)所述的合并和删除消息后，生成相应的流表下发给无线接入点以及与无线接入点连接的SDN交换机，完成对数据流的无线网络资源管理。

本发明的优点及有益效果在于：

本发明通过采用虚拟网卡的方式，实现了将同一终端上的数据流映射到不同的虚拟网卡上，从而可以通过为不同的虚拟网卡配置无线参数实现为同一终端上的不同数据流分配不同的无线参数，从而可以实现为不同的数据流配置不同的优先级，优化无线资源的分配与管理。通过本方法，可以实现在无线SDN网络中面向数据流的分配无线资源，统一了在有线SDN网络结构和无线SDN网络结构中的调度对象，为未来的有线网络与无线网络的资源统一调度与管理奠定了基础。

附图说明

图1为传统无线SDN网络结构示意图。

图2为传统终端结构图示意图。

图3为本发明实施例中终端扩展结构示意图。

图4为本发明方法中数据流管理流程框图。

具体实施方式

本发明提出的面向数据流的基于软件定义网络的无线网络资源管理方法，下面结合附图和具体实施例进一步详细说明如下：

本发明提出的面向数据流的基于软件定义网络的无线网络资源管理方法，该方法包括以下步骤：

1)对无线网络接入终端进行扩展，具体包括以下内容：

在无线网络接入终端中新增数据流管理模块和本地控制器。本实施例中终端扩展结构如图3所示，在传统终端结构的TCP/IP网络协议模块与802.11驱动模块之间增加了一个数据流管理模块，同时增加了一个本地控制器实现对数据流管理模块以及虚拟网卡的管理。数据流管理模块主要负责数据流与虚拟网卡之间的映射，按照本地控制器下发的配置文件，将不同优先级的数据流分配到不同的虚拟网卡上。本地控制器通过接收网络侧的SDN控制器发送的的配置文件，生成、合并或者删除虚拟网卡，并且生成数据流与虚拟网卡的映射文件发送给数据流管理模块。当终端上有相同优先级的数据流，本地控制器在本地做出决策，将其分配到已有优先级的虚拟网卡之上，降低网络侧的SDN控制器的负载。

2)对SDN网络中SDN控制器和Openflow协议进行扩展，具体包括以下内容：

2-1)对SDN网络中的SDN控制器进行扩展，增加虚拟网卡与物理网卡之间的映射关系表，以实现在SDN网络中对虚拟网卡的支持。

2-2)对SDN控制器和SDN交换机之间的Openflow协议进行扩展，新增消息类型，使得接入终端和SDN控制器之间交互信令；扩展的消息包括使得接入终端生成虚拟网卡、删除虚拟网卡以及合并虚拟网卡；具体扩展消息如下(由于已有的消息类型为0-35号，所以类型从36号开始)：

2-2-1)新增消息类型36；消息具体包含：终端告知SDN控制器虚拟网卡的MAC地址，物理网卡的MAC地址，以及该虚拟网卡上的数据流信息，包括源、目的IP，源、目的端口以及优先级；

2-2-2)新增消息类型37；消息具体包括：SDN控制器告知终端将指定的数据流使用指定的虚拟网卡，告知终端一下信息：虚拟网卡的MAC地址，物理网卡的MAC地址，以及该虚拟网卡上的数据流信息，包括源、目的IP，源、目的端口以及优先级；

2-2-3)新增消息类型38；消息具体包括：终端告知SDN控制器，删除指定虚拟网卡，告知控制器该虚拟网卡的MAC地址以及该终端的物理网卡的MAC地址；

2-2-4)新增消息类型39；消息具体包括：SDN控制器告知终端删除指定虚拟网卡，告知终端要删除的虚拟网卡MAC地址以及终端的物理网卡MAC地址；

2-2-5)新增消息类型40；消息具体包括：终端告知SDN控制器，将虚拟网卡1与虚拟网卡2合并，即将虚拟网卡2上的数据流合并到虚拟网卡1上，并删除虚拟网卡2，告知控制器虚拟网卡1的MAC地址，虚拟网卡2的MAC地址，以及该终端的物理网卡的MAC地址；

2-2-6)新增消息类型41；消息具体包括：SDN控制器告知终端，将虚拟网卡1与虚拟网卡2合并，即将虚拟网卡2上的数据流合并到虚拟网卡1上，并删除虚拟网卡2，告知控制器虚拟网卡1的MAC地址，虚拟网卡2的MAC地址，以及该终端的物理网卡的MAC地址；

3)对数据流进行管理，数据流管理的流程框图如图4所示，具体包含以下步骤：

3-1)当无线网络接入终端产生一个数据流，由终端侧的本地控制器向SDN网络中的SDN控制器发出资源申请；

3-2)SDN网络中的SDN控制器收到步骤3-1)所述的资源申请请求后，SDN控制器为步骤3-1)产生的数据流分配无线资源，并生成一个虚拟网卡的MAC地址，将该MAC地址与所述数据流的信息以及优先级通过步骤2)中扩展的Openflow协议告知无线网络接入终端；同时SDN控制器为该数据流下发流表(此次流表与传统SDN网络中的流表一致)到无线接入点以及与无线接入点连接的SDN交换机；

3-3)当无线网络接入终端的本地控制器收到步骤3-2)生成的包含指定MAC地址、数据流信息以及优先级的消息后，生成一块虚拟网卡，并且通过MAC地址更改软件(例如：macchangger)将该虚拟网卡的MAC地址改成指定地址，即步骤3-2)所生成的MAC地址；

3-4)在无线网络接入终端侧，本地控制器告知数据流管理模块，将步骤3-1)产生的数据流分配到步骤3-3)生成的虚拟网卡上；

3-5)SDN网络中的SDN交换机收到如步骤3-2)所述的流表，流表包含步骤3-2)生成的虚拟网卡MAC地址的数据包，所述SDN交换机将数据包中虚拟网卡MAC地址替换为原有物理网卡MAC地址，并将更改后的数据包重新打包后，按照流表匹配项从指定端口转发。通过将虚拟MAC地址重新转换成真实物理网卡的MAC地址，防止在有线网络中出现相同的虚拟网卡MAC地址。

3-6)当无线网络接入终端侧的本地控制器发现与步骤3-1)所述数据流具有相同优先级需求的新数据流，将新数据流合并到步骤3-3)生成的虚拟网卡上，并且删除所述新数据流已经不再使用的虚拟网卡，回收资源，并将合并和删除的消息通过步骤2)中扩展的Openflow协议告知SDN网络中的SDN控制器；

3-7)SDN网络中的SDN控制器收到步骤3-6)所述的合并和删除消息后，生成相应的流表下发给无线接入点以及与无线接入点连接的SDN交换机，完成对数据流的无线网络资源管理。

Claims (1)

1.一种面向数据流的基于软件定义网络的无线网络资源管理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)对无线网络接入终端进行扩展，具体包括以下内容：

在无线网络接入终端中新增数据流管理模块和本地控制器；数据流管理模块负责数据流与虚拟网卡之间的映射，按照本地控制器下发的配置文件，将不同优先级的数据流分配到不同的虚拟网卡上；本地控制器通过接收网络侧的SDN控制器发送的的配置文件，生成、合并或者删除虚拟网卡，并且生成数据流与虚拟网卡的映射文件发送给数据流管理模块；

2)对SDN网络中SDN控制器和Openflow协议进行扩展，具体包括以下内容：

2-1)对SDN网络中的SDN控制器进行扩展，增加虚拟网卡与物理网卡之间的映射关系表，以实现在SDN网络中对虚拟网卡的支持；

2-2)对SDN控制器和SDN交换机之间的Openflow协议进行扩展，新增消息类型，使得接入终端和SDN控制器之间交互信令；扩展的消息包括使得接入终端生成虚拟网卡、删除虚拟网卡以及合并虚拟网卡；具体如下：

2-2-1)新增消息类型36；消息具体包含：终端告知SDN控制器虚拟网卡的MAC地址，物理网卡的MAC地址，以及该虚拟网卡上的数据流信息，包括源、目的IP，源、目的端口以及优先级；

2-2-2)新增消息类型37；消息具体包括：SDN控制器告知终端将指定的数据流使用指定的虚拟网卡，告知终端以下信息：虚拟网卡的MAC地址，物理网卡的MAC地址，以及该虚拟网卡上的数据流信息，包括源、目的IP，源、目的端口以及优先级；

2-2-3)新增消息类型38；消息具体包括：终端告知SDN控制器，删除指定虚拟网卡，告知控制器该虚拟网卡的MAC地址以及该终端的物理网卡的MAC地址；

2-2-4)新增消息类型39；消息具体包括：SDN控制器告知终端删除指定虚拟网卡，告知终端要删除的虚拟网卡MAC地址以及终端的物理网卡MAC地址；

2-2-5)新增消息类型40；消息具体包括：终端告知SDN控制器，将虚拟网卡1与虚拟网卡2合并，即将虚拟网卡2上的数据流合并到虚拟网卡1上，并删除虚拟网卡2，告知控制器虚拟网卡1的MAC地址，虚拟网卡2的MAC地址，以及该终端的物理网卡的MAC地址；

2-2-6)新增消息类型41；消息具体包括：SDN控制器告知终端，将虚拟网卡1与虚拟网卡2合并，即将虚拟网卡2上的数据流合并到虚拟网卡1上，并删除虚拟网卡2，告知控制器虚拟网卡1的MAC地址，虚拟网卡2的MAC地址，以及该终端的物理网卡的MAC地址；

3)对数据流进行管理，具体包含以下步骤：

3-1)当无线网络接入终端产生一个数据流，由终端侧的本地控制器向SDN网络中的SDN控制器发出资源申请；

3-2)SDN网络中的SDN控制器收到步骤3-1)所述的资源申请后，SDN控制器为步骤3-1)产生的数据流分配无线资源，并生成一个虚拟网卡的MAC地址，将该MAC地址与所述数据流的信息以及优先级通过步骤2)中扩展的Openflow协议告知无线网络接入终端；同时SDN控制器为该数据流下发流表到无线接入点以及与无线接入点连接的SDN交换机；

3-3)当无线网络接入终端的本地控制器收到步骤3-2)生成的包含指定MAC地址、数据流信息以及优先级的消息后，生成一块虚拟网卡，并且通过MAC地址更改软件将该虚拟网卡的MAC地址改成指定地址，即步骤3-2)所生成的MAC地址；

3-4)在无线网络接入终端侧，本地控制器告知数据流管理模块，将步骤3-1)产生的数据流分配到步骤3-3)生成的虚拟网卡上；

3-5)SDN网络中的SDN交换机收到如步骤3-2)所述的流表，流表包含步骤3-2)生成的虚拟网卡MAC地址的数据包，所述SDN交换机将数据包中虚拟网卡MAC地址替换为原有物理网卡MAC地址，并将更改后的数据包重新打包后，按照流表匹配项从指定端口转发；

3-6)当无线网络接入终端侧的本地控制器发现与步骤3-1)所述数据流具有相同优先级需求的新数据流，将新数据流合并到步骤3-3)生成的虚拟网卡上，并且删除所述新数据流已经不再使用的虚拟网卡，回收资源，并将合并和删除的消息通过步骤2)中扩展的Openflow协议告知SDN网络中的SDN控制器；

3-7)SDN网络中的SDN控制器收到步骤3-6)所述的合并和删除消息后，生成相应的流表下发给无线接入点以及与无线接入点连接的SDN交换机，完成对数据流的无线网络资源管理。

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