CN110290065B - 基于负载均衡与QoE度量值的SDN网络路径选择方法 - Google Patents

基于负载均衡与QoE度量值的SDN网络路径选择方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于负载均衡与QoE度量值的SDN网络路径选择方法，终端用户通过客户机端向网络数据交互服务器端发出内容请求；网络数据交互服务器端会连同自身的服务器功能参数一起发送给SDN应用程序；SDN应用程序将上述参数值进行匹配，以确定客户机端最终可行的服务参数，并将上述服务参数发送给与其相关联的SDN控制器；SDN控制器利用其具有获取底层网络全局视图的能力；运行以QoE度量值为中心的网络路径选择算法，最终选择具有最大QoE度量值的路径为输出路径。本发明对通过设计恰当的QoE度量公式，将视频流传输中的源端失真与传输端失真进行融合，尽可能保证对网络中所传输视频流的QoE度量值的准确评估，使得用户对网络服务的体验质量得到提高。

Description

基于负载均衡与QoE度量值的SDN网络路径选择方法
技术领域
本发明涉及基于负载均衡与QoE度量值的SDN网络路径选择方法，属于软件定义网络技术领域。
背景技术
针对当前网络服务提供商面临的其中一个问题，即：以视频为代表的多媒体业务不断增多，以及终端用户对自身的体验质量越来越注重。在本专利之前的研究中，笔者在所提出的JPSACO(Joint Path-Server Ant Colony Optimization，联合路径—服务器蚁群优化)算法已实现较好性能的负载均衡的基础之上，额外增加对表征终端用户实际体验的QoE对路径选择影响的考虑，并展开研究。首先，针对多媒体业务流在网络传输时的源端失真及传输过程中的传输端失真，构建相应的QoE评估策略，以完成对QoE的度量。其次，将蚁群算法与QoE度量值相结合完成对符合流量需求和网络限制的QoE感知路径的获取。本专利利用Mininet仿真平台模拟SDN网络环境，基于OpenDayLight控制器进行包括NetworkAwareness，Network Monitor，ACO Path Handler，QoE Handler，Traffic Scheduling等模块功能的开发。仿真结果表明，所提出的基于QoE度量值的SDN网络路径选择算法与SPF(Shortest Path First，最短路径优先)算法相比，因其将蚁群算法与QoE度量值相结合，在拥有对路径广泛搜索范围的同时，计算每段路径的QoE度量值，最终具有最大QoE度量值(终端用户满意度最高)的路径即为本章所选择的路径。
当前已提出的对保证终端用户满意度的思考主要基于数据传输速率、时延等服务质量QoS的评价指标是否达标。
在有时间限制的网络应用系统中，当网络过载或者拥塞时，QoS能确保重要业务不受延迟或者不被丢弃，从而保证网络的高效运行。一部分方法将具体的网络优化与资源调度问题转化为基于服务质量QoS的分布式约束优化问题，以获得最优的网络性能；另一部分方法设计特定的服务框架，并将QoS作为主要的评价指标，通过对量化数据的比较与筛选，以保证网络在路径选择、时延、能耗上的最优表现。然而，上述方法更多的只关注网络系统为用户提供相关功能的性能表现(QoS)，如：时延、能量消耗等，缺少对终端用户日益注重的体验质量QoE的关注，相较于服务质量QoS，体验质量QoE不仅取决于服务本身的特性，更依赖于终端用户的满意程度。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种可以从终端用户满意程度既体验质量出发的基于负载均衡与QoE度量值的SDN网络路径选择方法，通过联合考虑多媒体业务的视频流传输中的源端失真及传输端失真对用户满意度的影响，选用合适的QoE度量公式以量化表示所选路径是否更可以满足用户对网络所提供服务的需求。
本发明提供一种基于负载均衡与QoE度量值的SDN网络路径选择方法，包括如下步骤：
步骤1.终端用户通过客户机端向网络数据交互服务器端发出内容请求；
步骤2.网络数据交互服务器端在收到来自终端用户从客户机端发出的内容请求后，网络数据交互服务器端会连同自身的服务器功能参数一起发送给SDN应用程序，并对多媒体业务中视频流传输失真进行分析；
步骤3.在收到来自网络数据交互服务器端所发送的所有参数值后，SDN应用程序将上述参数值进行匹配，以确定客户机端最终可行的服务参数，并将上述服务参数发送给与其相关联的SDN控制器；
步骤4.接收到来自SDN应用程序所发送的包括服务器功能参数在内的服务参数后，SDN控制器利用其具有获取底层网络全局视图的能力；
步骤5.运行以QoE度量值为中心的网络路径选择算法，在现有的蚁群算法的基础之上，为每条已确定的路径计算其QoE的度量值，最终选择具有最大QoE度量值的路径为输出路径。
进一步的，步骤2中所述服务器功能参数为视频传输功能的用户体验质量QoE评估模型。
进一步的，步骤1中的所述网络数据交互服务器端为视频传输服务器端，所述内容请求为视频编码比特率。
进一步的，所述步骤002中，对终端用户体验质量最终的量化表达公式，如下所示：
R(D)＝R(DS)+R(DL)，
Figure BDA0002096596690000031
Figure BDA0002096596690000032
其中，R(D)表示多媒体业务的视频流传输失真，R(D)被计算为视频流的源失真R(DS)及信道失真R(DL)的和，在源失真中，记所传输的视频流一共有k层,ρn表示视频流第k层的平均编码率，总的源失真由相关参数α、γ进行调节,在信道失真中，D表示所传输的视频流某一层的源失真，p表示视频流某一层的信息丢失率，总的信道失真由每一层信道失真相叠加而成，相关参数β负责对信道失真结果进行调节。
进一步的，步骤5中所述QoE值度量的计算公式如下所示：
Figure BDA0002096596690000033
Figure BDA0002096596690000041
Figure BDA0002096596690000042
其中，VQoS,s表示视频传输受源端影响产生的失真后的体验质量；v1,v2,v3,v4为，br表示视频传输的编码比特率，单位为kb/s；LossRatepathi表示多媒体业务的视频流在实际传输过程中，由组成路径pathi的所有链路linkk的丢包率依乘法度量得出的路径pathi的总丢包率；LossRatelinkk表示第k条链路的丢包率，VQoE表示多媒体业务的视频流最终的体验质量。
进一步的，步骤4具体包括：
步骤41、当OpenFlow建立连接时,交换机端与控制器端互相发送Hello消息，该消息携带了双方支持的协议版本号，只要双方有共同支持的协议版本号，则通信连接建立；
步骤42、当通信连接建立之后，控制器发送Feature消息请求给交换机；
步骤43、控制器根据交换机Features Reply消息，设置或查询交换机上的配置信息；
步骤44、当交换机收到一个数据包，且该数据包在流表中没有匹配项，则交换机就会发送Packet in消息给控制器；
步骤45、控制器返回Packetout消息，用以指示交换机对数据包进行相关操作；
步骤46、当交换机收到数据包之后，会先对数据包头部进行解析，解析之后依次与交换机中的流表进行配对，如果匹配成功，则执行与流表匹配的操作，同时计数器也会更新；
步骤47、如果匹配不成功，则将数据包封装在Packet in消息中，通过安全通道发送给控制器，此时，交换机端与控制器端之间的配置成功，两者便可开始通信，运行以QoE度量值为中心的网络路径选择算法。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)本发明设计基于负载均衡与QoE度量值的SDN网络路径选择方法，针对当前研究方案在探索网络路径选择的优化时只片面强调负载均衡的性能指标既QoS是否达标，而忽略了当今终端用户越来越关注的自身体验质量QoE这一缺陷问题，联合负载均衡与QoE度量值提出了一个运用蚁群优化算法的路径选择方法，对特定的多媒体数据流既视频流中因失真产生的对用户体验质量的影响进行了深度挖掘。
(2)研究方案在探索用户对多媒体业务视频流的满意程度的量化表示时，将视频流传输中的源端失真与传输端失真进行融合，尽可能保证对网络中所传输视频流的QoE度量值的准确评估。
(3)本发明设计基于负载均衡与QoE度量值的SDN网络路径选择方法中，通过对网络中视频流传输时路径的优化选择使得用户对网络服务的体验质量得到提高。
附图说明
图1是本发明设计的流程图示意；
图2是本发明设计的基于负载均衡与QoE度量值的SDN网络路径选择方法与SPF算法的QoE度量值对比图；
图3是本发明设计的基于负载均衡与QoE度量值的SDN网络路径选择方法与SPF算法平均运行时间对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
本发明提供一种基于负载均衡与QoE度量值的SDN网络路径选择方法，包括如下步骤：
步骤1.终端用户通过客户机端向网络数据交互服务器端(在本专利中特指定为视频传输服务器端)发出内容请求(视频编码比特率，在本专利中视频流采用国际标准H.264的编码方式，且视频编码比特率为5Mbps)。实际生活场景中，绝大多数的视频客户端会将视频配置参数下发给用户自行配置，包括：视频分辨率、视频帧率、视频码率。
步骤2.网络数据交互服务器端Web-data Interact Server：在收到来自终端用户从客户机端Client发出的内容请求后，网络数据交互服务器端Web-data Interact Server会连同自身的服务器功能参数(在本专利中特指定为视频传输功能的用户体验质量QoE评估模型，包括VQoE,s、LossRatepathi，其中，根据ITU-T G.1070标准，v1,v2,v3,v4系数的值由编码类型、播放形式、分辨率等决定，在本文中为v1＝3.98，v2＝101.52，v3＝0.48，v4＝0.56；路径的丢包率由每段链路的丢包率计算得出，其中，路径由多段链路组成，网络拓扑中两节点相连即组成一段链路)一起发送给SDN应用程序。
其中，对多媒体业务中视频流传输失真进行分析如下所示：
R(D)＝R(DS)+R(DL)，
Figure BDA0002096596690000061
Figure BDA0002096596690000062
其中，R(D)表示多媒体业务的视频流传输失真，R(D)被计算为视频流的源失真R(DS)及信道失真R(DL)的和，在源失真中，记所传输的视频流一共有k层,ρn表示视频流第k层的平均编码率，总的源失真由相关参数α、γ进行调节,在信道失真中，D表示所传输的视频流某一层的源失真，p表示视频流某一层的信息丢失率，总的信道失真由每一层信道失真相叠加而成，相关参数β负责对信道失真结果进行调节。
步骤3.在收到来自网络数据交互服务器端Web-data Interact Server所发送的所有参数值后，SDN应用程序将上述参数值进行匹配，以确定客户机端最终可行的服务参数，并将上述服务参数发送给与其相关联的SDN控制器。
步骤4.接收到来自SDN应用程序所发送的包括QoE评估模型在内的服务参数后，SDN控制器利用其具有获取底层网络全局视图的能力，具体表现为：当OpenFlow建立连接时,交换机端与控制器端互相发送Hello消息，该消息携带了双方支持的协议版本号，只要双方有共同支持的协议版本号，则通信连接建立；当通信连接建立之后，控制器发送Feature消息请求给交换机；控制器根据交换机Features Reply消息，设置或查询交换机上的配置信息；当交换机收到一个数据包，且该数据包在流表中没有匹配项，则交换机就会发送Packet in消息给控制器；之后，控制器返回Packet out消息，用以指示交换机对数据包进行相关操作；当交换机收到数据包之后，会先对数据包头部进行解析，解析之后依次与交换机中的流表进行配对，如果匹配成功，则执行与流表匹配的操作，同时计数器也会更新；如果匹配不成功，则将数据包封装在Packet in消息中，通过安全通道发送给控制器。此时，交换机端与控制器端之间的配置成功，两者便可开始通信，运行以QoE度量值为中心的网络路径选择算法。
步骤5.运行以QoE度量值为中心的网络路径选择算法，在现有的蚁群算法的基础之上，为每条已确定的路径计算其QoE的度量值，最终选择具有最大QoE度量值的路径为输出路径。
具体来说，首先进行必要的准备工作，即输入变量、输入网络拓扑信息、初始化信息素的值；其次，算法默认蚂蚁可以较好完成对下一步转发路径的选取，并更新禁忌表；之后的步骤中，路径中的信息素以及QoE度量结果随着迭代次数的增加也随之更新，最终完成对符合所提算法需求的路径的确定。
步骤5中所述QoE值度量的计算公式如下所示：
Figure BDA0002096596690000081
Figure BDA0002096596690000082
Figure BDA0002096596690000083
其中，VQoS,s表示视频传输受源端影响产生的失真后的体验质量；v1,v2,v3,v4为，br表示视频传输的编码比特率，单位为kb/s；LossRatepathi表示多媒体业务的视频流在实际传输过程中，由组成路径pathi的所有链路linkk的丢包率依乘法度量得出的路径pathi的总丢包率；LossRatelinkk表示第k条链路的丢包率，VQoE表示多媒体业务的视频流最终的体验质量。
图1显示，本专利所提出的基于QoE度量结果的SDN网络路径选择(VQoE-SDN)算法以QoE度量结果作为路径选择的依据，对于特定的多媒体业务——视频传输，其体验质量主要受源端影响即编码时产生的失真(VQoE，s)，以及传输端影响即传输过程中受网络实时状态影响的丢包率(LossRatepathi)，因此，该算法对QoE度量结果(VQoE)的度量与表示将综合以上两方面。同时，通过蚁群算法完成对路径的搜寻，最终返回得到带有最大QoE度量结果的路径(最优路径)。
图2是本发明设计的基于负载均衡与QoE度量值的SDN网络路径选择方法与SPF算法的QoE度量值对比图；图2显示了基于蚁群算法中不同参数的组合所得到的QoE度量结果。仿真结果表明，在本专利所给出的网络拓扑下，本专利所提算法最大的QoE度量结果为4.59，而SPF算法的QoE度量结果仅为3.77。同时，不仅仅是最大的QoE度量结果，即使是本专利所提算法的平均QoE度量结果也要高出SPF算法9.6％，根据两算法的最终QoE度量结果可以判断出，VQoE-SDN算法相较于SPF算法能够更好的完成对拥有最大QoE度量结果的路径的选择。
图3是本发明设计的基于负载均衡与QoE度量值的SDN网络路径选择方法与SPF算法平均运行时间对比图。图3显示了VQoE-SDN算法比SPF算法具有更大的运行时间开销。蚁群算法中蚂蚁数量的增加虽可提高路径搜索的稳定性与最优性，但算法运行的时间开销也随之增加。因此，本专利所提算法出现较高的运行时间开销是可以预见的。但是，考虑到本专利所提出的VQoE-SDN算法在QoE度量结果上具有较大的优势，且以ms为单位的运行时间开销小到几乎可以忽略不计。综上，本专利所提出的VQoE-SDN算法在运行时间开销上的适当让步，以完成对更大的QoE度量结果的争取是值得的，其仍被认为是具有较好性能的网络路径选择算法。
上述技术方案设计基于负载均衡与QoE度量值的SDN网络路径选择方法，针对当前研究方案在探索网络路径选择的优化时只片面强调负载均衡的性能指标既QoS是否达标，而忽略了当今终端用户越来越关注的自身体验质量QoE这一缺陷问题，联合负载均衡与QoE度量值提出了一个运用蚁群优化算法的路径选择方法，对特定的多媒体数据流既视频流中因失真产生的对用户体验质量的影响进行了深度挖掘，通过设计恰当的QoE度量公式，将视频流传输中的源端失真与传输端失真进行融合，尽可能保证对网络中所传输视频流的QoE度量值的准确评估，本方法通过对网络中视频流传输时路径的优化选择使得用户对网络服务的体验质量得到提高。
上面对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于负载均衡与QoE度量值的SDN网络路径选择方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1.终端用户通过客户机端向网络数据交互服务器端发出内容请求；
步骤2.网络数据交互服务器端在收到来自终端用户从客户机端发出的内容请求后，会连同自身的服务器功能参数一起发送给SDN应用程序，并对多媒体业务中视频流传输失真进行分析；其中所述对多媒体业务中视频流传输失真进行分析，如下所示：
R(D)＝R(DS)+R(DL)，
Figure FDA0003030823530000011
Figure FDA0003030823530000012
其中，R(D)表示多媒体业务的视频流传输失真，R(D)被计算为视频流的源失真R(Ds)及信道失真R(DL)的和，在源失真中，记所传输的视频流一共有k层，ρn表示视频流第n层的平均编码率，总的源失真由相关参数α、γ进行调节，在信道失真中，D表示所传输的视频流某一层的源失真，p表示视频流某一层的信息丢失率，总的信道失真由每一层信道失真相叠加而成，相关参数β负责对信道失真结果进行调节；
步骤3.在收到来自网络数据交互服务器端所发送的所有参数值后，SDN应用程序将上述参数值进行匹配，以确定客户机端最终可行的服务参数，并将上述服务参数发送给与其相关联的SDN控制器；
步骤4.接收到来自SDN应用程序所发送的包括服务器功能参数在内的服务参数后，利用SDN控制器具有的获取底层网络全局视图的能力；
步骤5.运行以QoE度量值为中心的网络路径选择算法，在现有的蚁群算法的基础之上，为每条已确定的路径计算其QoE的度量值，最终选择具有最大QoE度量值的路径为输出路径；其中所述QoE值度量的计算公式如下所示：
Figure FDA0003030823530000021
Figure FDA0003030823530000022
Figure FDA0003030823530000023
其中，VQoS，s表示视频传输受源端影响产生的失真后的体验质量；v1、v2、v3为受多媒体业务类型影响的待定系数，v1、v2、v3的值由视频的编码类型、播放形式、分辨率、关键帧之间的间隔综合决定；v4的值表示丢包率对视频质量的影响等级，br表示视频传输的编码比特率，单位为kb/s；
Figure FDA0003030823530000024
表示多媒体业务的视频流在实际传输过程中，由组成路径pathi的所有链路linkk的丢包率依乘法度量得出的路径pathi的总丢包率；
Figure FDA0003030823530000031
表示第k条链路的丢包率，VQoE表示多媒体业务的视频流最终的体验质量。
2.根据权利要求1所述一种基于负载均衡与QoE度量值的SDN网络路径选择方法，其特征在于：步骤2中所述服务器功能参数为视频传输功能的用户体验质量QoE评估模型。
3.根据权利要求1所述一种基于负载均衡与QoE度量值的SDN网络路径选择方法，其特征在于：步骤1中的所述网络数据交互服务器端为视频传输服务器端，所述内容请求为视频编码比特率。
4.根据权利要求1所述一种基于负载均衡与QoE度量值的SDN网络路径选择方法，其特征在于：步骤4具体包括：
步骤41、当OpenFlow建立连接时，交换机端与控制器端互相发送Hello消息，该消息携带了双方支持的协议版本号，只要双方有共同支持的协议版本号，则通信连接建立；
步骤42、当通信连接建立之后，控制器发送Features消息请求给交换机；
步骤43、控制器根据交换机Features Reply消息，设置或查询交换机上的配置信息；
步骤44、当交换机收到一个数据包，且该数据包在流表中没有匹配项，则交换机就会发送Packet in消息给控制器；
步骤45、控制器返回Packet out消息，用以指示交换机对数据包进行相关操作；
步骤46、当交换机收到数据包之后，会先对数据包头部进行解析，解析之后依次与交换机中的流表进行配对，如果匹配成功，则执行与流表匹配的操作，同时计数器也会更新；
步骤47、如果匹配不成功，则将数据包封装在Packet in消息中，通过安全通道发送给控制器，此时，交换机端与控制器端之间的配置成功，两者便可开始通信，运行以QoE度量值为中心的网络路径选择算法。
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