CN108768713A - SDN中的一种保障QoS动态路由算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了SDN中的一种动态路由算法，利用SDN控制器路由管理模块，对不同种类业务数据分类，将全局网络的链路拥塞率和链路时延这两种网络性能参数作为计算QoS路径的代价，当OpenFlow交换机收到业务报文后，能根据匹配域中的TOS字段值进行业务等级的识别，对于普通业务数据流，启动以跳数为路径代价的最短路径算法进行路由；对高优先级业务数据流，启动拉格朗日松弛聚合代价(Lagrange Relaxation Based Aggregated Cost，LARAC)的QoS路由算法进行路由；从而降低了数据流的传输时延及提升了网络资源的利用率。

Description

SDN中的一种保障QoS动态路由算法

技术领域

本发明涉及路由算法领域，具体涉及一种SDN中的一种保障QoS动态路由算法。

背景技术

随着各类业务对互联网的需求日趋增加，互联网对保障用户QoS(Quality ofService，服务质量)的能力存在明显的缺陷。传统的数据中心网络中由于整体结构复杂且设备性能饱和，已经很难满足当前不同新业务对QoS的要求，并且新兴业务下的网络流量比传统数据中心网络流量更为复杂，同时数据中心里面多点之间的频繁通信可能会使网络发生拥塞，终端用户之间的时延变长等等问题，导致整体性能下降。因此如何利用当前的网络资源来保障不同数据流的QoS需求已经成为数据中心网络的一个关键性难题。

为提高数据交换的效率，实现对数据中心网络资源的计算，存储及灵活调配，同时增强数据中心网络的可控性，将OpenFlow技术结合SDN(Software Defined Networking，软件定义网络)应用到数据中心网络中，因其具有全局视图的能力，可以从全局的角度出发灵活的做出资源调配，也能通过流的优化调度及服务器的合理布局实现网络流量均衡，于是SDN能够在保障用户QoS的同时提升网络资源的利用率。

发明内容

为了解决SDN架构下的数据中心网络中终端用户时延高且网络带宽无法充分利用的问题，本发明提供了SDN中的一种保障QoS动态路由算法，将进入交换机的数据流进行优先级分类，针对于不同优先级的数据流采用不同的路由算法，在保障用户终端的QoS的同时提高了网络资源的利用率。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

SDN中的一种保障QoS动态路由算法，包括以下步骤：

S101：动态感知网络中链路的变化，实时获取链路变化，使用DiffServ网络模型中的DS域来进行业务等级值的存储；

S102：对不同种类业务数据包标记对应的等级值，将全局网络的链路拥塞率和链路时延这两种网络性能参数作为计算QoS路径的代价，当OpenFlow交换机收到业务报文后，能根据匹配域中的TOS字段值进行业务等级的识别，对于普通业务数据流，跳转至步骤103，对高优先级业务数据流，跳转至步骤104；

S103：针对普通业务数据流，启动以跳数为路径代价的最短路径算法进行路由；

S104：针对高优先级业务数据流，启动拉格朗日松弛聚合代价的QoS路由算法进行路由。

进一步地，所述步骤S101中通过以下方法动态感知网络链路变化：根据LLDP协议周期性向网络中各个交换机发送LLDP探测包，交换机通过LLDP包将链路的变化情况进行上报。

进一步地，所述步骤S101中使用哈希表来存放网络拓扑信息，收到链路变化的LLDP包时，先查看对应的链路是否已经存在哈希表中，如果存在，则不添加链路信息，否则在哈希表中添加新的条目，存放链路信息；收到删除链路的LLDP包时，先查看对应的链路是否已经存在哈希表中，如果不存在，则链路已经被删除，否则在删除相应的条目。

进一步地，步骤S102判断优先级标准为：按照DiffServ网络模型中的DS域来进行等级值的获取，QoS需求越高，等级值越大；QoS特性为不要求时延(非实时)，尽力而为的邮件、文件传输，优先级为1；QoS特性为按需响应(非实时)，数据业务和网页浏览，优先级为2；QoS特性为有时延要求(实时)，对抖动敏感的流视频、流音频，优先级为3；QoS特性为严格要求时延(实时)，对延迟、抖动敏感的高质量语音、视频会议，优先级为4。

进一步地，所述步骤S104中当交换机收到的是高优先级数据流时，采用时延保障算法，SDN控制器选择出满足高优先级的时延路径进行流表下发，具体包括：对网络拓扑构建代价函数，建立满足时延约束而代价最小的数学模型，构建的链路代价函数为：

式中，每条链路(u，v)∈E有两个正数权重参数：成本c_uv和时延d_uv；源节点用s表示，目的节点用t表示，P_st表示源节点到目的节点的路径集，p∈P_st是路径集中的任意一条路径；满足时延约束且代价最小的数学模型表示：

p^*＝min{c(p)|d(p)≤Δ_delay，p∈P_st}；其中，c(p)表示路径p的成本代价总和，d(p)表示路径p的时延总和；正数时延约束用Δ_delay表示。

进一步地，拉格朗日松弛聚合代价通过聚合代价函数来实现，聚合代价函数为：

式中，λ表示拉格朗日乘子，c_uv(λ)表示成本代价和延时的聚合代价；

用链路拥塞率与单跳的加权和表示链路的成本代价，其函数表达式为：

c_uv＝αg_uv+(1-α)×1，0≤α≤1，式中，g_uv代表链路(u，v)的拥塞率，常数1表示单跳值；若要增大拥塞率的权重则增大α，若要增大跳数的权重则减小α；α取值为0.9，c_uv与d_uv都取正整数值；

给定或固定λ，则可计算出以c_uv(λ)幻为代价的最短路径p_λ；如果λ＝0且d(p_λ)≤Δ_delay，则得到最优路径(最优解)；但如果d(p_λ)＞Δ_delay，则应该将λ置为非0，增加时延在聚合代价函数中的权重。

本发明利用SDN控制器路由管理模块，对不同种类业务数据分类，将全局网络的链路拥塞率和链路时延这两种网络性能参数作为计算QoS路径的代价，当OpenFlow交换机收到业务报文后，能根据匹配域中的TOS字段值进行业务等级的识别，对于普通业务数据流，启动以跳数为路径代价的最短路径算法进行路由；对高优先级业务数据流，启动拉格朗日松弛聚合代价(Lagrange Relaxation Based Aggregated Cost，LARAC)的QoS路由算法进行路由；从而降低了数据流的传输时延及提升了网络资源的利用率。

附图说明

图1为本发明实施例中的QoS控制框架执行流程图；

图2为本发明实施例中SDN的QoS控制框架图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供了SDN中的一种保障QoS动态路由算法的流程图，具体包括：

首先，控制器中的拓扑管理模块用于自动探测网络拓扑，以识别控制器与交换机之间、交换机与交换机之间的连接，并存储网络接口的MAC地址、IP地址以及OpenFlow交换机对应的ID、端口号等信息，并对这些信息进行周期性的更新，以保证网络拓扑和这些信息的准确。

然后，依据获取的链路信息，进行业务识别，按照DiffServ网络模型中的DS域来进行等级值的获取，QoS需求越高，等级值越大。QoS特性为不要求时延(非实时)，尽力而为的邮件、文件传输，优先级为1；QoS特性为按需响应(非实时)，数据业务和网页浏览，优先级为2；QoS特性为有时延要求(实时)，对抖动敏感的流视频、流音频，优先级为3；QoS特性为严格要求时延(实时)，对延迟、抖动敏感的高质量语音、视频会议，优先级为4。

最后，当交换机收到的是高优先级数据流时，采用时延保障算法，SDN控制器选择出满足高优先级的时延路径进行流表下发，具体包括：对网络拓扑构建代价函数，建立满足时延约束而代价最小的数学模型，构建的链路代价函数为：

式中，每条链路(u，v)∈E有两个正数权重参数：成本c_uv和时延d_uv。源节点用s表示，目的节点用t表示，P_st表示源节点到目的节点的路径集，p∈P_st是路径集中的任意一条路径。满足时延约束且代价最小的数学模型表示：p^*＝min{c(p)|d(p)≤Δ_delay，p∈P_st}其中，c(p)表示路径p的成本代价总和，d(p)表示路径p的时延总和。正数时延约束用Δ_delay表示。理论最优的且时间复杂度是多项式的算法。因此，拉格朗日松弛聚合代价(Lagrange Relaxation Based Aggregated Cost LARAC)路由算法来近似地求解。该算法使用了聚合代价的概念，并提供了一个有效的方法来寻找基于拉格朗日松弛的最佳乘子，同时也给出了一个理论最优下界，这个下界值和所找到路径的成本代价差值极小。

LARAC通过聚合代价函数来实现，聚合代价函数为：

式中，λ表示拉格朗日乘子，c_uv(λ)表示成本代价和延时的聚合代价。链路拥塞率与单跳的加权和来表示链路的成本代价，其函数表达式为：c_uv＝αg_uv+(1-α)×1，0≤α≤1，式中，g_uv代表链路(u，v)的拥塞率，常数1表示单跳值。若要增大拥塞率的权重则增大α，若要增大跳数的权重则减小α。本算法α取值为0.9，c_uv与d_uv都取正整数值。如果给定或固定λ，则能够很容易地计算出以c_uv(λ)幻为代价的最短路径p_λ。如果λ＝0且d(p_λ)≤Δ_delay，则找到了最优路径(最优解)。但如果d(p_λ)＞Δ_delay，则应该将λ置为非0，增加时延在聚合代价函数中的权重。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.SDN中的一种保障QoS动态路由算法，其特征在于，包括以下步骤：

S101：动态感知网络中链路的变化，实时获取链路变化，使用DiffServ网络模型中的DS域来进行业务等级值的存储；

S102：对不同种类业务数据包标记对应的等级值，将全局网络的链路拥塞率和链路时延这两种网络性能参数作为计算QoS路径的代价，当OpenFlow交换机收到业务报文后，能根据匹配域中的TOS字段值进行业务等级的识别，对于普通业务数据流，跳转至步骤103，对高优先级业务数据流，跳转至步骤104；

S103：针对普通业务数据流，启动以跳数为路径代价的最短路径算法进行路由；

S104：针对高优先级业务数据流，启动拉格朗日松弛聚合代价的QoS路由算法进行路由。

2.根据权利1所述的SDN中的一种动态路由算法，其特征在于，所述步骤S101中通过以下方法动态感知网络链路变化：根据LLDP协议周期性向网络中各个交换机发送LLDP探测包，交换机通过LLDP包将链路的变化情况进行上报。

3.根据权利要求1所述的SDN中的一种保障QoS动态路由算法，其特征在于，所述步骤S101中使用哈希表来存放网络拓扑信息，收到链路变化的LLDP包时，先查看对应的链路是否已经存在哈希表中，如果存在，则不添加链路信息，否则在哈希表中添加新的条目，存放链路信息；收到删除链路的LLDP包时，先查看对应的链路是否已经存在哈希表中，如果不存在，则链路已经被删除，否则在删除相应的条目。

4.根据权利要求1所述的SDN中的一种保障QoS动态路由算法，其特征在于，步骤S102判断优先级标准为：按照DiffServ网络模型中的DS域来进行等级值的获取，QoS需求越高，等级值越大；QoS特性为不要求时延(非实时)，尽力而为的邮件、文件传输，优先级为1；QoS特性为按需响应(非实时)，数据业务和网页浏览，优先级为2；QoS特性为有时延要求(实时)，对抖动敏感的流视频、流音频，优先级为3；QoS特性为严格要求时延(实时)，对延迟、抖动敏感的高质量语音、视频会议，优先级为4。

5.根据权利要求1所述的SDN中的一种保障QoS动态路由算法，其特征在于，所述步骤S104中当交换机收到的是高优先级数据流时，采用时延保障算法，SDN控制器选择出满足高优先级的时延路径进行流表下发，具体包括：对网络拓扑构建代价函数，建立满足时延约束而代价最小的数学模型，构建的链路代价函数为：

式中，每条链路(u，v)∈E有两个正数权重参数：成本c_uv和时延d_uv；源节点用s表示，目的节点用t表示，P_st表示源节点到目的节点的路径集，p∈P_st是路径集中的任意一条路径；满足时延约束且代价最小的数学模型表示：p^*＝min{c(p)|d(p)≤Δ_delay，p∈P_st}；其中，c(p)表示路径p的成本代价总和，d(p)表示路径p的时延总和；正数时延约束用Δ_delay表示。

6.根据权力1所述的SDN中的一种保障QoS动态路由算法，其特征在于，拉格朗日松弛聚合代价通过聚合代价函数来实现，聚合代价函数为：

c_uv(λ)＝c_uv+λ×d_uv，式中，λ表示拉格朗日乘子，c_uv(λ)表示成本代价和延时的聚合代价；

用链路拥塞率与单跳的加权和表示链路的成本代价，其函数表达式为：

c_uv＝αg_uv+(1-α)×1，0≤α≤1，式中，g_uv代表链路(u，v)的拥塞率，常数1表示单跳值；若要增大拥塞率的权重则增大α，若要增大跳数的权重则减小α；α取值为0.9，c_uv与d_uv都取正整数值；

给定或固定λ，则可计算出以c_uv(λ)幻为代价的最短路径p_λ；如果λ＝0且d(p_λ)≤Δ_delay，则得到最优路径(最优解)；但如果d(p_λ)＞Δ_delay，则应该将λ置为非0，增加时延在聚合代价函数中的权重。