CN111970734A - 一种物联网智能网关的带宽资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种物联网智能网关的带宽资源分配方法，涉及软件定义网络(SDN)技术领域，包括A构建分层分级的网络切片架构；B采用OVS软件虚拟交换机技术对基于Openwrt系统的无线AP进行内部改造，改造后网络接口完全由ovs网桥接管，AP支持openflow协议的SDN转发平面；C采集AP端相关信息，并根据采集到的信息进行分析，并根据网络切片架构得到带宽资源分配结；针对无线局域网不同的业务不同的流量需求和差异化的服务质量需求的场景，提出一种软件可定义的物联网智能网关虚拟化带宽资源分配方法，实现对智能网关无线网络的带宽切片及带宽资源的动态调度。

Description

一种物联网智能网关的带宽资源分配方法

技术领域

本发明涉及软件定义网络(SDN)技术领域，尤其涉及一种物联网智能网关的带宽资源分配方法。

背景技术

Wi-Fi是一种基于IEEE802.11标准的无线局域网技术，它可以为用户提供无线网络接入服务，其最大的特点是灵活、便捷。随着无线网络的普及以及物联网IoT技术引领的无线终端设备数量快速增加，无线局域网受到越来越多用户的青睐。不仅是个人用户，越来越多的企业、学校、政府等都使用路由器、无线接入点等设备组建无线局域网，一方面提升自身工作、沟通的效率，另一方面也吸引、协助客户。

传统物联网智能网关场景下，不同的使用人群对网络的QoS有着不同的需求。在大量，多种类的用户群同时接入的情况下，由于不同的业务流量对QoS有着不同的需求，往往存在带宽分配不均等问题，从而导致不好的用户体验。而传统AP自带的流控功能往往也只能对全局的带宽进行限制，无法适应复杂的接入场景下多种类用户群的不同需求。在此基础上，以网络虚拟化技术为宏观前提，以网络切片技术为辅助手段的新型网络架构诞生。针对传统的物联网智能网关缺乏自适应能力以及QoS服务能力弱等问题，基于NFV/SDN的物联网智能网关切片技术以其独特的控制管理机制，以及其动态的调配能力，使得无线局域网具备差异化的QoS服务能力。物联网智能网关在切片场景下，可以做到不同的服务网络之间相互隔离，何一个网络切片的拥塞、过载、配置的调整不影响其它的网络切片。从各式各样的业务和应用场景中归纳出其特征，再根据这些特征创建不同的网络切片，配备以恰当的资源分配策略，就能做到在保证应用场景的性能要求的同时，也能提高网络资源利用率和用户体验。

因此设计一种物联网智能网关的带宽资源分配方法尤为重要，以实现物联网智能网关的切片，同时解决无线网络带宽相互隔离，动态分配等问题。

发明内容

本发明的目的是针对无线局域网不同的业务不同的流量需求和差异化的服务质量需求的场景，提出一种物联网智能网关的带宽资源分配方法，研究对无线AP带宽资源的动态分配策略，实现对物联网智能网关的无线网络的带宽切片及带宽资源的动态调度。

本发明技术方案是：A、构建分层分级的网络切片架构；B、采用OVS软件虚拟交换机技术对基于Openwrt系统的无线AP进行内部改造，改造后网络接口完全由ovs网桥接管，AP支持openflow协议的SDN转发平面；C、采集AP端相关信息，并根据采集到的信息进行分析，并根据网络切片架构得到带宽资源分配结果。

本发明的有益效果在于：本发明基于智能路由器操作系统OpenWrt。OpenWrt是一个商用路由器的无线嵌入式操作系统，其拥有与商业Linux系统的基本特性和功能。其拥有强大的网络组件和包管理系统，以及高度模块化和自动化的特性。同时基于Openvswitch软件交换机的软件定义网络改造，使得OpenWrtAP成为一个支持openflow协议的SDN南向转发平面，两者的结合使得物联网智能网关拥有了高度的可定制化和可控性，也使得无线局域网管理员对物联网智能网关的控制达到一个新的高度。与此同时，结合云端分析模块的策略分析和下发功能，使得软件定义无线网络可根据不同的应用场景和服务质量的需求动态地调整其无线带宽的分配策略。

附图说明

图1为本发明的系统信息流向示意图；

图2为本发明的物联网智能关控制层切片设计示意图；

图3为本发明的物联网智能关虚拟网络层切片设计示意图；

图4为本发明的物联网智能关转发层切片设计示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。

为了便于本领域的技术人员理解本发明，首先对本发明中涉及技术术语做出如下定义：

AP(AccessPoint)：接入点，这里特指运行OpenWrt系统的无线接入点。

SSID(ServiceSetIdentifier)：服务集标识，用于UE识别不同的无线局域网。

OVS(Openvswitch)：开源软件交换机，这里作为AP内部的网桥管理网络流量。

如图1所示为本发明的系统模型架构示意图，系统为分层的垂直结构。从信息流走向的角度，图3-1设计的系统架构可以分为两个维度。从垂直的角度来看，自上而下分为三个层面，最顶层的是业务策略管理层，负责应用策略的存放，可以向底层网络发送策略指令。第二层为控制层，该层部署有SDN控制器，负责对底层的网络流进行管理。同时也能接受来自上层的指令。控制层与应用策略层直接可以通过RESTAPI进行通信。第三层为网络虚拟化层，其作用在于将底层网络虚拟化，为上层网络提供底层网络的抽象逻辑视图，同时对上层的指令进行分析和处理。第四层为数据转发层，作为整个网络的数据链路的汇总系统，其作用在于执行具体的流转发动作，以及接受来自上层的指令。策略层与控制层，以及控制层与转发层之间都是通过Openflow协议进行通信的。

从水平的角度分析，从左至右是由终端层、转发层以及应用系统组成，三者可以组成一个微型的用户端生态，通过邻端或远端的应用服务器，可以针对不同的用户需求制定差异化的QoS服务。主要包括以下步骤：

一种物联网智能网关的带宽资源分配方法，A、构建分层分级的网络切片架构；

A1、利用具备SDN控制器北向API的上层应用，构建网络策略管控层切片；

A2、利用Hypervisor混合虚拟技术，部署多个Floodlight控制器实例，控制器实例之间互不干扰，共享底层硬件网络，构建网络控制层切片；

A3、利用Flowvisor虚拟平台，作为转发网络和控制网络之间的透明中介，对底层网络资源进行抽象化处理，构建网络虚拟化层切片；

A4、对OpenwrtAP进行软件定义网络的内部改造，使之成为一个SDN架构中的南向转发平面，并且对内部的无线接口进行分割，构建网络转发层切片。

B、采用OVS软件虚拟交换机技术对基于Openwrt系统的无线AP进行内部改造，改造后网络接口完全由ovs网桥接管，AP支持openflow协议的SDN转发平面；

B1、对Openwrt系统进行软件定义网络的改造，首先在Openwrt内部部署Openvswitch软件交换机,将所有的有线和无线接口交予ovs网桥管理，并在云端或局域网内部署SDN控制器Floodlight，使其与OVS连接；

B2、给Openwrt内部每个Interface接口划分一个vlan虚拟子网，并且在每个zone域间配置防火墙规则，使得各个网络接口间在二层上相互隔离；

B3、分别对Openwrt的2.4GHz和5GHz频段的SSID接口进行切割，使得同频段的SSID接口分裂为两个，共享同一个物理接口，2.4GHz频段对应的两个抽象接口为wlan0和wlan0-1,5Ghz频段对应的两个抽象接口为wlan1和wlan1-1，

B4、OVS开放对外控制接口，为系统的模块化工作提供底层支撑。

采集AP端相关信息，并根据采集到的信息进行分析，并根据网络切片架构得到带宽资源分配结果；

C1、在AP内部开启信息收集和上报功能，将接收到的用户终端的数据上报给云端，并准备接收云端下发的策略；

C2、在云端开启策略分析功能，对来自AP上报的用户数据进行分析和算法决策，并将新的资源分配策略下发至网络虚拟化平台以及本地AP端；

C3、本地AP端接收到来自云端下发的策略之后，对挂载在OVS网桥下的无线接口进行QoS队列的实时调整，最终完成用户端无线网络带宽资源的动态调节。

具体实施过程如下：

S1.对AP接入点初始化，并初始化全局默认切片规则和QoS队列规则；

S11.对Openwrt系统进行软件定义网络的改造，首先在Openwrt内部部署Openvswitch软件交换机,将所有的有线和无线接口交予ovs网桥管理，并在云端或局域网内部署SDN控制器Floodlight，使其与OVS连接；

S12.给Openwrt内部每个Interface接口划分一个vlan虚拟子网，并且在每个zone域间配置防火墙规则，使得各个网络接口间在二层上相互隔离。

S13.分别对Openwrt的2.4GHz和5GHz频段的SSID接口进行切割，使得同频段的SSID接口分裂为两个，共享同一个物理接口。2.4GHz频段对应的两个抽象接口为wlan0,wlan0-1,5Ghz频段对应的两个抽象接口为wlan1和wlan1-1。

S2.无线接入点对接受的数据包进行采集和上报云端，并在一个系统周期内对数据包进行默认转发；

S21.初始化信息收集模块，根据默认的设置决定是否开启无线接口上的抓包功能；

S22.如果开启了抓包功能，便在无线接口上启动混杂模式，在混杂模式下通过Netlink套接字与Linux内核进行通信，获取到进入AP的网络流量数据包，进入步骤S24；

S23.如果没有开启抓包功能，那么通过openvswitch的信息收集模块获取到进入无线接口wlan0以及wlan1的网络流量。接着进入S24；

S24.对信息进行过滤并将需要上报的信息以特定的数据格式写入到openwrt的overlay文件系统上，并以一定的时间间隔上报给云端策略分析模块；

S25.策略接收模块开启策略接收开关，当没有接收到云端信息的期间，Openvswitch对数据包进行默认转发；当接收到云端的策略的时候，将指令递交给策略执行模块。

S3.在本地端进行默认数据转发的同时，云端对接收到的来自AP端的数据包进行统计和分析；

S31.初始化云端策略分析模块，建立AP与云端的连接，并准备接收来自AP的统计信息；

S32.收集来自AP端的上报的AP自身的信息，包括AP编号、SSID编号、MAC地址、IP地址、信道、速率、上行/下行带宽等信息，并作为数据分析统计的入口参数；

S33.收集并汇总来自AP端上报的用户终端信息，包括关联AP、关联SSID、MAC地址、终端IP地址、接收/发送速率等信息，并作为数据分析统计的入口参数。

S4.云端对数据进行流量统计和分析后，根据内置的算法策略进行策略的抉择以及下发；

S41.云端策略分析模块根据默认配置决定是否启动默认无线带宽分配策略，如果启动默认策略则将默认的网络切片初始规则下放到网络虚拟化平台；

S42.如果没有启动默认策略，则开启数据分析开关，对S32和S33收集到的数据进行统计和分析。

S43.云端策略模块在进行数据分析后作出算法决策，将同时给网络虚拟化平台和AP端下发相应的网络切片规则和无线带宽调整策略。

S5.分层切片网络系统接收到来自云端的策略指令后进行切片策略的调整，同时AP端负责进行具体的用户端带宽策略的实时调整；

S51.判断ovs交换机是否与SDN控制器相连接，如果没有连接则返回S1步骤进行AP网络的初始化，检查是否满足各项初始化条件；

S52.等待云端策略分析模块的指令，如果没有指令到来则继续执行默认的无线带宽分配策略；

S53.如若接收到来自云端策略模块下发的策略指令，则先检查本地的OVS接口上的无线接口是否存在已有队列和QoS规则，如果存在则清除相关队列和规则，如果不存在则进行策略集的划分和缓存；

S54.通过ovs工具集对划分的策略集进行策略应用和执行。

从水平的角度分析，从左至右是由终端层、转发层以及应用系统组成，三者可以组成一个微型的用户端生态，通过邻端或远端的应用服务器，可以针对不同的用户需求制定差异化的QoS服务。主要包括以下步骤：

1、首先在云端服务器构建基于SDN控制器派生类的上层策略管控应用，内置初始化的全局管控策略规则。

2、接着如图2所示，在服务器上部署Hypervisor虚拟机管理程序，通过其提供的虚拟化能力同时创建出多个Floodlight控制器实例，并且为每一个Foodlight控制器实例赋权，使其和步骤1创建的策略管控应用连接，使其可以管理其下所属网络切片的逻辑网络拓扑。

3、接着如图3所示，通过在网络虚拟机上构建Flowvisor工程，此后将OVS交换机统一挂载至FV实例上面。通过Flowvisor实例的openflow协议视图便可以获得整个网络的全局信息。

4、最后如图4所示，最后把openvswitch软件交换机作为虚拟交换机代替Linux原生的网桥。并且对AP的2.4G频段以及5G频段的两个SSID进行切割，从而将AP的网络接口，包括有线和无线的接口，统一交予ovs软件交换机进行管理，实现无线AP的软件可定义网络的改造。

综上所述，本发明提出了一种物联网智能网关的带宽资源分配方法，对无线物联网智能网关的带宽资源进行抽象化管理和动态调度。通过本地和云端的协同工作，不仅在本地AP上信息采集，策略接收以及策略执行，还可以通过云端策略管控层以及SDN控制器实现对WiFi无线网络的带宽切片及无线带宽资源的动态调度。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种物联网智能网关的带宽资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、构建分层分级的网络切片架构；

B、采用OVS软件虚拟交换机技术对基于Openwrt系统的无线AP进行内部改造，改造后网络接口完全由ovs网桥接管，AP支持openflow协议的SDN转发平面；

C、采集AP端相关信息，并根据采集到的信息进行分析，并根据网络切片架构得到带宽资源分配结果。

2.根据权利要求1所述的一种物联网智能网关的带宽资源分配方法，其特征在于,在A中包括以下步骤：

A1、利用具备SDN控制器北向API的上层应用，构建网络策略管控层切片；

A2、利用Hypervisor混合虚拟技术，部署多个Floodlight控制器实例，控制器实例之间互不干扰，共享底层硬件网络，构建网络控制层切片；

A3、利用Flowvisor虚拟平台，作为转发网络和控制网络之间的透明中介，对底层网络资源进行抽象化处理，构建网络虚拟化层切片；

A4、对Openwrt AP进行软件定义网络的内部改造，使之成为一个SDN架构中的南向转发平面，并且对内部的无线接口进行分割，构建网络转发层切片。

3.根据权利要求2所述的一种物联网智能网关的带宽资源分配方法，其特征在于，在B中包括以下步骤：

B1、对Openwrt系统进行软件定义网络的改造，首先在Openwrt内部部署OpenvswitVh软件交换机,将所有的有线和无线接口交予ovs网桥管理，并在云端或局域网内部署SDN控制器Floodlight，使其与OVS连接；

B2、给Openwrt内部每个InterfaVe接口划分一个vlan虚拟子网，并且在每个zone域间配置防火墙规则，使得各个网络接口间在二层上相互隔离；

B3、分别对Openwrt的2.4GHz和5GHz频段的SSID接口进行切割，使得同频段的SSID接口分裂为两个，共享同一个物理接口，2.4GHz频段对应的两个抽象接口为wlan0和wlan0-1,5Ghz频段对应的两个抽象接口为wlan1和wlan1-1；

B4、OVS开放对外控制接口，为系统的模块化工作提供底层支撑。

4.根据权利要求3所述的一种物联网智能网关的带宽资源分配方法，其特征在于，在C中包括以下步骤：

C1、在AP内部开启信息收集和上报功能，将接收到的用户终端的数据上报给云端，并准备接收云端下发的策略；

C2、在云端开启策略分析功能，对来自AP上报的用户数据进行分析和算法决策，并将新的资源分配策略下发至网络虚拟化平台以及本地AP端；

C3、本地AP端接收到来自云端下发的策略之后，对挂载在OVS网桥下的无线接口进行QoS队列的实时调整，最终完成用户端无线网络带宽资源的动态调节。

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