CN108833279B - 软件定义网络中基于业务分类的多约束QoS路由的方法 - Google Patents

Abstract

软件定义网络中基于业务分类的多约束QoS路由的方法，将网络中业务流根据各自的QoS需求进行分类，然后对各类业务确定其在时延、抖动和丢包率上的权重值，通过各类业务在QoS参数的权重值确定链路的综合权重值，从而将多约束的NP复杂问题转化为低时间复杂度的单混合度量参数，极大的降低了算法的时间复杂度提高了路由算法的运行效率，为软件定义网络中实时路由的实施提供了保障；同时由于算法倾向于选择性能较好的链路，因此也极大地降低了网络发生拥塞的可能；本发明能够在保证满足业务多约束QoS需求的同时极大的降低时间的复杂度，提高算法的运行效率，并且一定程度上降低了网络发生拥塞的可能性。

Description

软件定义网络中基于业务分类的多约束QoS路由的方法

技术领域

本发明涉及在软件定义网络架构下的一种低时间复杂度的多约束QoS路由保障方法，特别涉及了基于业务分类单混合度量参数的一种软件定义网络中多约束QoS路由的方法。

背景技术

QoS(Quality of Service)是指一个网络能够为指定的数据流提供更好的传输服务能力，它是用来解决网络延迟和阻塞的一种机制。传统IP网络提供的是“尽力而为”的服务模式，业务流统一公平竞争网络中的资源。但是随着多媒体等有更高传输质量要求业务的出现，传统“尽力而为”的服务方式已难以满足此类业务的网络资源需求。目前，在传统网络中，互联网工程任务组(The Internet Engineering Task Force，IETF)已经定义了一系列的QoS体系结构来保证传统网络中的QoS，但仍存在很多难以解决的问题。任何QoS路由算法的性能都与网络状态信息的精确程度密切相关，即底层流量信息越精确，利用QoS路由算法进行流量分配就越精确。这种方式在传统网络中是不可行的，因为传统网络采用的是完全分布式的体系架构，在分布式的路由过程中，网络设备使用一种特殊的报文告知相邻网络设备它的底层链路状态，这样会大大增加网络设备的开销，而且这些分布式链路状态通告协议也会占用一些网络资源。此外，状态的收敛过程也比较缓慢，因此传统的网络对链路的实时感知能力较差。

目前关于多约束QoS路由的算法研究中，有近似算法和精确算法两种解决方案。精确算法旨在识别整套帕累托最优解或其特定子集，当存在一条满足条件的路径时，能够准确求解，但其时间复杂度往往是指数级的。因此随着网络拓扑的复杂性增大，在使用精确算法寻找多约束的QoS路径时，往往需要很长的时间或者无法得到。近似算法目前主流的算法有FallBack算法及其变形、LARAC算法等，这些算法都具有相对较高的时间复杂度。在软件定义网络能实时收集底层链路状态信息的情况下，需要相对较长的时间才能计算出流传输路径，这对实时路由的精确实施造成了一定的误差。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种软件定义网络中基于业务分类的多约束QoS路由的方法,在软件定义网络环境下，首先对网络中传输的业务流根据其不同的QoS需求进行分类，然后在控制器中针对不同的业务流采用不同的链路权值计算方法，得到链路的综合权重值，根据链路综合权重值计算出最短路径path，然后根据path是否满足业务流的所有QoS要求，进行路径交付或者采用K最短路径算法对业务的多QoS要求进行保证。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

软件定义网络中基于业务分类的多约束QoS路由的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、对网络中传输的业务根据其对时延、抖动和丢包率的不同需求程度，将业务分为两大类，共六小类，他们分别是：抖动敏感可丢包型，包括类型1、类型2、类型3共三类业务；抖动不敏感不可丢包型，包括类型4、类型5、类型6三类业务，具体分类方法如下表所示；

(2)、使用层次分析法AHP确定这六类业务在时延、抖动和丢包率3个衡量指标上的权重，各业务对应的具体权重值如下表所示；

(3)、源交换机对进入到SDN网络的业务流进行匹配，如果匹配成功，则按照流表项的Action进行转发；如果匹配失败，源交换机将业务流的第一个数据分组封装为Packet-in消息通过安全通道交给控制器；

(4)、控制器解析数据分组的源节点s、目的节点d、业务类型type，根据业务类型type确定各QoS参数对此业务的权重即时延α、抖动β、丢包率γ；

(5)将整个网络拓扑用G(V,E)表示；根据控制器收集的底层链路信息，计算出各链路的带宽、时延、抖动和丢包率，判断总拓扑G(V,E)中是否有满足业务带宽要求的链路，若无，则网络不能满足业务流的带宽需求，QoS路由结束；若有，将满足条件链路组成的拓扑记为G'(V',E')，对G'(V',E')利用以下四个公式得出链路的综合权重

α+β+γ＝1

式中，

——链路i归一化后的时延标准值，

——链路i的时延值，delay_min——网络中所有链路时延的最小值，delay_max——网络中所有链路时延的最大值；

——链路i归一化后的抖动标准值，

——链路i的抖动值，jitter_min——网络中所有链路抖动的最小值，jitter_max——网络中所有链路抖动的最大值；

——链路i归一化后的丢包率标准值，

——链路i的丢包率值，

——链路j的丢包率值，j∈(1,2,...,n)——链路j取遍整个网络；α、β、γ分别表示业务在时延、抖动和丢包率上的权重值；

(6)、按照业务对各QoS参数的敏感度将3个QoS衡量参数分别设为业务流的第一QoS参数、第二QoS参数和第三QoS参数；以

为链路代价，求出最短路径path_shortest，分别检验path_shortest是否满足业务的第一、第二、第三QoS参数，若均满足，则输出此路径，结束；否则执行步骤(7)；

(7)、使用KSP算法，选出另外K-1条最短路径；

(8)选择K条路径中满足业务第一QoS参数要求的路径，计路径个数为m；

(9)判断m值，若m>＝1,则执行(10)，若m<1,则执行(11)；

(10)判断m值，若m>1,则执行(12)，若m＝1，则将此路径作为最终选择路径输出，结束；

(11)设业务流第一QoS参数为para₁，对K条路径中每条路径依次执行以下操作：将路径中para₁值最大的链路设为v_iv_j，判断链路v_iv_j是否被优化过，若优化过，则寻找次短链路…直至找到未被优化过的最大链路v_iv_j，以v_i为源节点，以v_j为目的节点，以para₁为权重，选择最短路径path_local，替代链路v_iv_j，组成新的K条路径，对K条路径执行步骤(9)；

(12)对m条路径中，以业务第二QoS参数设为para₂为优化目标，选择para₂值小于业务流para₂要求的路径，计算路径个数为n；

(13)判断n值，若n>＝1,则执行(14),若n<1,则执行(16)；

(14)判断n值，若n>1，则执行(15)，若n＝1则将此条路径作为最终

选择路径输出，结束；

(15)选出n条路径中，业务流第三QoS参数值最小的路径作为最终路径输出，结束；

(16)选择n条路径中，业务流第二QoS参数值最小的路径作为最终路径输出，结束。

本发明在满足业务多个QoS参数需求方面显著降低了算法的时间复杂度，与此同时能大幅度提高路径的规划成功率以及降低网络的拥塞度，具体优点如下：

(1)首先根据业务对各QoS参数的敏感度，对业务进行分类，使不同业务的QoS需求有着针对性区分；

(2)将分类好的业务利用层次分析法确定其在时延、抖动和丢包率上的权重值可以很好的将业务对各QoS衡量参数的需求转化到实际的路由过程中；

(3)通过将多个QoS参数整合成单度量参数可以极大的降低路由算法的时间复杂度，提高路由算法的效率，为SDN实时精确路由算法的实施提供时间保障；当所选路径不符合业务的多个QoS需求时，选择K条最短路径以及后续的校验调整可以极大程度的满足业务流的多个QoS参数需求，使所选出的路径能够很好的满足业务流的QoS需求。

附图说明

图1为多约束QoS路由算法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

软件定义网络中基于业务分类的多约束QoS路由的方法，如图1所示，各个步骤如下所示：

(1)、对网络中传输的业务根据其对时延、抖动和丢包率的不同需求程度，将业务分为两大类，共六小类，他们分别是：抖动敏感可丢包型，包括类型1、类型2、类型3共三类业务；抖动不敏感不可丢包型，包括类型4、类型5、类型6三类业务，具体分类方法如下表所示；

(2)、使用层次分析法AHP确定这六类业务在时延、抖动和丢包率3个衡量指标上的权重，各业务对应的具体权重值如下表所示；

(3)、源交换机对进入到SDN网络的业务流进行匹配，如果匹配成功，则按照流表项的Action进行转发；如果匹配失败，源交换机将业务流的第一个数据分组封装为Packet-in消息通过安全通道交给控制器；

(4)、控制器解析数据分组的源节点s、目的节点d、业务类型type，根据业务类型type确定各QoS参数对此业务的权重即时延α、抖动β、丢包率γ；

(5)将整个网络拓扑用G(V,E)表示；根据控制器收集的底层链路信息，计算出各链路的带宽、时延、抖动和丢包率，判断总拓扑G(V,E)中是否有满足业务带宽要求的链路，若无，则网络不能满足业务流的带宽需求，QoS路由结束；若有，将满足条件链路组成的拓扑记为G'(V',E')，对G'(V',E')利用以下四个公式得出链路的综合权重

α+β+γ＝1

式中，

——链路i归一化后的时延标准值，

——链路i的时延值，delay_min——网络中所有链路时延的最小值，delay_max——网络中所有链路时延的最大值；

——链路i归一化后的抖动标准值，

——链路i的抖动值，jitter_min——网络中所有链路抖动的最小值，jitter_max——网络中所有链路抖动的最大值；

——链路i归一化后的丢包率标准值，

——链路i的丢包率值，

——链路j的丢包率值，j∈(1,2,...,n)——链路j取遍整个网络；α、β、γ分别表示业务在时延、抖动和丢包率上的权重值；

(6)、按照业务对各QoS参数的敏感度将3个QoS衡量参数分别设为业务流的第一QoS参数、第二QoS参数和第三QoS参数；以

为链路代价，利用迪杰斯特拉算法求出最短路径path_shortest，分别检验path_shortest是否满足业务的第一、第二、第三QoS参数，若均满足，则输出此路径，结束；否则执行步骤(7)；

(7)、使用KSP算法，选出另外K-1条最短路径；

(8)、选择K条路径中满足业务第一QoS参数要求的路径，计路径个数为m；

(9)、判断m值，若m>＝1,则执行(10)，若m<1,则执行(11)；

(10)、判断m值，若m>1,则执行(12)，若m＝1，则将此路径作为最终选择路径输出，结束；

(11)、设业务流第一QoS参数为para₁，对K条路径中每条路径依次执行以下操作：将路径中para₁值最大的链路设为v_iv_j，初始化集合U为空，判断链路v_iv_j是否在集合U中，若在，则寻找次短链路…直至找到不在集合U中的最大链路v_iv_j，将链路v_iv_j放入集合U中，以v_i为源节点，以v_j为目的节点，以para₁为权重，选择最短路径path_local，替代链路v_iv_j，组成新的K条路径，对K条路径执行步骤(9)；

(12)、对m条路径中，将业务第二QoS参数，设为para₂，作为优化目标，选择para₂值小于业务流para₂要求的路径，计算路径个数为n；

(13)、判断n值，若n>＝1,则执行(14),若n<1,则执行(16)；

(14)、判断n值，若n>1，则执行(15)，若n＝1则将此条路径作为最

终选择路径输出，结束；

(15)、选出n条路径中，业务流第三QoS参数值最小的路径作为最终路径输出，结束；

(16)、选择n条路径中，业务流第二QoS参数值最小的路径作为最终路径输出，结束。

本发明是基于SDN网络架构环境下实施的。在SDN架构下，集中式的控制方式可实现对全局网络流量的实时获取。由原来的所有路由器共享整个网络的链路状态信息，转变为每个交换机向控制器发送自己的链路状态信息。因此，链路状态消息获取的时间复杂度从O(n²)变为O(n)。除此之外，在SDN中实施QoS策略还有以下几个优势。

(1)QoS服务策略选择的灵活性。SDN在对网络资源进行分配时，采用网络的全局视图，网络管理员可以灵活地选择相应的QoS策略以满足用户的个性化QoS需求，此时的QoS策略可以是区分服务所提供的在局部区域中依据权重进行网络资源的竞争，也可以是集成服务中对网络资源进行绝对保证的方式。

(2)自动化的流量配置。使用OpenFlow协议的SDN具有自动化网络配置的特性，因此仅需对控制器中集中控制的QoS参数进行相应的设置，即可改变整个网络的QoS策略，这将极大简化网络QoS管理的复杂度。

(3)QoS策略一致性的保证。在传统网络架构中，无论是区分服务模型还是集中服务模型，都是基于分布式的协议实现。由于通过逐跳配置的形式进行网络配置，当策略更改时，可能会出现不一致情况。但是，SDN中的QoS策略都以集中式形式进行下发，对所有网络设备和流量实现集中管控，从而消除传统网络QoS策略下发时带来的不一致问题。

Claims (1)

1.软件定义网络中基于业务分类的多约束QoS路由的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、对网络中传输的业务根据其对时延、抖动和丢包率的不同需求程度，将业务分为两大类，共六小类，他们分别是：抖动敏感可丢包型，包括类型1、类型2、类型3共三类业务；抖动不敏感不可丢包型，包括类型4、类型5、类型6三类业务，具体分类方法如下表所示；

(2)、使用层次分析法AHP确定这六类业务在时延、抖动和丢包率3个衡量指标上的权重，各业务对应的具体权重值如下表所示；

(3)、源交换机对进入到SDN网络的业务流进行匹配，如果匹配成功，则按照流表项的Action进行转发；如果匹配失败，源交换机将业务流的第一个数据分组封装为Packet-in消息通过安全通道交给控制器；

(4)、控制器解析数据分组的源节点s、目的节点d、业务类型type，根据业务类型type确定各QoS参数对此业务的权重即时延α、抖动β、丢包率γ；

(5)将整个网络拓扑用G(V,E)表示；根据控制器收集的底层链路信息，计算出各链路的带宽、时延、抖动和丢包率，判断总拓扑G(V,E)中是否有满足业务带宽要求的链路，若无，则网络不能满足业务流的带宽需求，QoS路由结束；若有，将满足条件链路组成的拓扑记为G'(V',E')，对G'(V',E')利用公式得出链路的综合权重

(6)、按照业务对各QoS参数的敏感度将3个QoS衡量参数分别设为业务流的第一QoS参数、第二QoS参数和第三QoS参数；以

为链路代价，求出最短路径path_shortest，分别检验path_shortest是否满足业务的第一、第二、第三QoS参数，若均满足，则输出此路径，结束；否则执行步骤(7)；

(7)、使用KSP算法，选出另外K-1条最短路径；

(8)选择K条路径中满足业务第一QoS参数要求的路径，计路径个数为m；

(9)判断m值，若m>＝1,则执行(10)，若m<1,则执行(11)；

(10)判断m值，若m>1,则执行(12)，若m＝1，则将此路径作为最终选择路径输出，结束；

(11)设业务流第一QoS参数为para₁，对K条路径中每条路径依次执行以下操作：将路径中para₁值最大的链路设为v_iv_j，判断链路v_iv_j是否被优化过，若优化过，则寻找次短链路…直至找到未被优化过的最大链路v_iv_j，以v_i为源节点，以v_j为目的节点，以para₁为权重，选择最短路径path_local，替代链路v_iv_j，组成新的K条路径，对K条路径执行步骤(9)；

(12)对m条路径中，以业务第二QoS参数设为para₂为优化目标，选择para₂值小于业务流para₂要求的路径，计算路径个数为n；

(13)判断n值，若n>＝1,则执行(14),若n<1,则执行(16)；

(14)判断n值，若n>1，则执行(15)，若n＝1则将此条路径作为最终选择路径输出，结束；

(15)选出n条路径中，业务流第三QoS参数值最小的路径作为最终路径输出，结束；

(16)选择n条路径中，业务流第二QoS参数值最小的路径作为最终路径输出，结束；

步骤(5)所述的对G'(V',E')利用公式得出链路的综合权重

具体为：

α+β+γ＝1

式中，

——链路i归一化后的时延标准值，

——链路i的时延值，delay_min——网络中所有链路时延的最小值，delay_max——网络中所有链路时延的最大值；

——链路i归一化后的抖动标准值，

——链路i的抖动值，jitter_min——网络中所有链路抖动的最小值，jitter_max——网络中所有链路抖动的最大值；

——链路i归一化后的丢包率标准值，

——链路i的丢包率值，

——链路j的丢包率值，j∈(1,2,...,n)——链路j取遍整个网络；α、β、γ分别表示业务在时延、抖动和丢包率上的权重值。

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