CN107659513A - 一种基于OpenFlow技术的QoS流量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对前已有的QoS流量控制方法大多存在着对网络资源的利用率低、可靠性差、粒度粗、实现困难，可扩展性差;借鉴软件定义网络(Software Defined Network,SDN)提出的控制层与数据层分离新思想，提出了一种基于OpenFlow技术的QoS流量控制方法，利用自适应多约束QoS路由技术，提高了QoS控制的灵活性与可靠性，实现了对网络资源的高效利用和业务流控制的细粒度。

Description

一种基于OpenFlow技术的QoS流量控制方法

技术领域

本发明涉及OpenFlow技术,尤其涉及QoS技术。

背景技术

视频通话、电话会议、VoIP(Voice over Internet Protocol)等新型业务的兴起，对网络服务质量需求日益增加;如实时多媒体需要高比特率的吞叶量，VoIP要求低的延时，网络游戏要求低的延时抖一动率;目前“尽力而为”的网络体系已经很难满足这些业务的QoS <Quality of Service)需求.如何有效地利用目前有限的网络资源，去满足这些业务的QoS需求已经成为Internet发展的关键难题。

发明内容

网络资源监视模块:网络资源监视模块用来统计和监视当前网络链路状态信息，包括网络链路拥塞情况、链路的使用带宽、时延、抖动及丢包率信息，且基OpenFlow协议实现;OpenFlow协议中定义了计量表来统计流量的信息，包括计量带和计数器，其中计数器通过OpenFlow交换机计数器进行维护，可以面向流表项，面向端口，面向队列等进行统计，统计信息包括收发的字节数，传输错误情况，传输持续时问等;

因此，假设单位时问T内统计某端口的字节数为S，则可以近似将与该端口的相连的链路使用带宽近似为S/T ;链路延时考虑的主要是交换机转发时延，其通过在数据包添加时问戳方式，统计数据包的平均时延作为近似时延，假设某数据包入队时刻为T1，出端口转发时刻为T2，则转发时延为△T=T2-T1,平均延迟delay=Σ△T/N, N为周期统计的数据包数量;抖动作为延时的一阶导数得到,丢包率lOSS=丢失的字节数/发送的字节数。

QoS策略及要求解析模块:QoS策略模块用于制定对QoS流的策略包括针对特定应用或特定用户的策略，也可以是优先级策略，路由策略等;通过人为制定的策略对业务流进行控制，事先为对应数据流下发优先级高的流表;QoS要求解析模块是通过对数据包中携带的QoS信息进行解析，用来获得业务流的带宽、延时或丢包率等QoS要求;目前SDN网络中控制器并没有对业务流QoS要求解析机制,OpenFlow定义的流表匹配字段包含了一系列匹配域，能够很好地支持L2-L4层大部分基础协议;因此可以通过端口号或对报文的应用层协议解析识别，也可以在控制器与服务器之问建立QoS消息传递机制;本文是通过对ToS字段进行解析，实现为小同ToS字段制定对应的QoS要求。

QoS路由计算模块:QoS路由计算模块通过得到网络中主机，交换机，拓扑，链路信息和指定的QoS路由算法计算出满足QoS传输要求的路径;其中指定的路由算法具体过程是:首先删除不符合传输要求带宽的链路，然后从剩下的网络拓扑中找到符合延时，抖动及丢包率要求的路径;其与多约束路由选择问题思想一致，当约束条件不小于2时是NP-complete问题，因此为了减少问题的复杂度将问题简化为RSP(受限最短路径)问题;将QoS流的时延要求作为主要约束条件，抖动和丢包率作为代价参数，QoS路由就变成从网络中找出满足时延约束，并且代价最小的路由。

QoS路由管理及资源分配模块:QoS路由管理模块用于QoS流资源分配流表的生成和QoS路由的状态包括延时，抖动，丢包率等监视;一旦不满足QoS流传输要求重新计算路由，通过直接删除对应路径交换机中的流表实现，流表是OpenFlow协议中针对交换机定义的转发规则;OpenFlow的计量表中定义的计量带类型和流表中的指令动作集可以用来进行限速和队列优先级服务;因此资源分配模块从QoS路由管理模块获得路径及资源分配流表后，将流表信息传递给转发规则管理模块生成流表下发至底层设备，为QoS流创建高优先级的队列，保证传输带宽;另外在交换机上采用了WRR算法队列调度算法，其通过权重来分配带宽，既能保证高优先级队列的优先服务，又避免了低优先级“饿死”的情况。

基于OpenFlow技术的QoS流量控制方法实现:

1基于OpenDaylight的QoS流量控制实现框架:采用OpenDaylight控制器来实现所设计的QoS流量控制方法;OpenDaylight控制层主要包括服务抽象层(SAL层)和基本网络服务功能;SAL服务层支持多种南向协议，屏蔽了协议问差异，为上层模块和应用提供一致性的服务;其提供的服务有数据包服务、拓扑服务、流编程服务、资源查询服务、连接服务、统计服务、清单服务等;基本服务功能模块包含拓扑管理模块、统计管理模块、交换机管理模块、转发规则管理模块和主机追踪模块;其中拓扑管理用于管理网络的拓扑信息主要包括交换机之问，交换机与主机问的链路信息;交换机管理用于维护管理底层的交换机信息,包括交换机位置信息，配置信息等;统计管理模块用于统计管理流过每个交换机的数据流、端口的统计信息，包括收发的数据包数量、字节数、丢弃包数量;转发规则管理负责管理流表规则，实现流表规则的添加、删除、更新、下发等操作;主机追踪模块负责追踪主机信息，记录主机的IP, MAC, Vlan以及连接交换机的节点和端口信息。

2 QoS流量控制方法实现流程:通过对OpenDaylight中已实现框架和OpenFlowl.3协议流程分析， QoS流量控制工作流程的建立过程包括:首先发送的第一个数据包会发送给控制器处理，控制器数据包服务可以提取数据包ToS字段，判断是否标记，若无则对非QoS流直接采用Dijkstra最短路径算法计算得到路径，下发流表至底层设备;若标记则属于QoS流进行QoS路由，进一步解析ToS字段信息，得到预先制定的各QoS要求参数;同时控制器每隔2S查询网络链路状态信息，这主要是从OpenvSwitch角度出发，在实验中计数器的数值从内核到用户空问所花的时问为1S。

Claims (3)

1.一种基于OpenFlow技术的QoS流量控制方法，其特征在于：利用OpenFlow网络中控制器能够获取整个网络链路，节点状态的实时精确信息的特点，提出了基于openflow技术的QoS-guarantee流量控制方法，提出的自适应多约束QoS路由技术实现了对QoS业务流的可靠传输和网络资源的高效利用。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，QoS流量控制框架主要包括网络资源监视，QoS要求解析，QoS策略库，QoS路由计算与管理，资源分配，接入控制各模块。

3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用OpenDaylight控制器来实现所设计的QoS流量控制方法, 充分利用了SDN的流量控制能力，兼顾考虑了控制粒度，灵活性，扩展性因素。