CN113114587A - 基于SDN的QoS保障系统及其宽带资源预留方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于SDN的QoS保障系统及其宽带资源预留方法，包括：基于开源SDN控制器floodlight的二次开发，加入QoS保障模块和网络管理平台模块，并在QoS保障模块中实现带宽资源预留算法；基于带宽资源预留算法，将局域网中各链路的带宽资源按照最小时间粒度进行划分，当其中一台主机需要与局域网内另一台主机进行数据通信时先向SDN控制器的网络管理平台模块发出申请，网络管理平台模块负责将该请求分发到QoS保障模块；QoS保障模块负责计算主机间的最短通信路径，并通过OpenFlow协议的南向接口对该路径下的交换机下发优先包转发的流表。本发明可以对支持OpenFlow协议的交换机组成的局域网进行细粒度精确到数据包级别的QoS控制管理。

Description

基于SDN的QoS保障系统及其宽带资源预留方法
技术领域
本发明涉及网络通信的技术领域，尤其是指一种基于SDN的QoS保障系统及其宽带资源预留方法。
背景技术
近几年随着短视频业务的兴起以及云计算、大数据技术的不断发展，网络规模越来越大，网络拥堵的现象频发。传统网络对用户数据提供的“尽力而为”的改善网络服务质量不仅是传统网络技术的重点研究方向之一，在SDN网络中也具有格外重要的研究价值。然而传统网络在改善服务质量方面采用的典型办法，或多或少存在网络协议实现复杂、不能有效保障服务质量或者只能保证少数服务质量指标等不足，且实现方式缘于网络架构的差异性并不适用于SDN网络。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺点，提出了一种基于SDN的QoS保障系统及其宽带资源预留方法，通过SDN控制器将端到端之间的网络链路上的带宽资源预留，使得在网络拥塞的情况下进行文件上传下载或其它网络通信时提前预留带宽的端到端之间的服务质量不会受到影响，可以对支持OpenFlow协议的交换机组成的局域网进行细粒度精确到数据包级别的QoS控制管理。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：基于SDN的QoS保障系统，包括：
SDN控制器，用于实现收集网络中交换设备的特征信息，对特征信息以json数据形式呈递给网络管理平台模块，并对网络管理平台模块发送的请求按照设置的规则分发给不同的模块；
网络管理平台模块，用于实现将SDN控制器收集的网络信息可视化，提供用户与SDN控制器的通信接口；
QoS保障模块，用于实现在网络中建立具有服务质量保证的通信链路，提前预留该链路上的带宽资源。
进一步，所述SDN控制器包括注册模块、设备管理模块、链路发现模块、拓扑服务模块、数据流模块、Rest API模块、静态路由模块和第一数据存储模块，其中：
所述注册模块负责所有模块的注册、启动和初始化，模块之间调用时先向注册模块查询所调用模块是否启动并初始化完成，再通过注册模块发送调用请求；
所述设备管理模块负责发现、跟踪网络中交换设备和主机的位置，维护其设备ID、MAC地址和IP地址这些关键信息；
所述链路发现模块负责通过LLDP(Link Layer Discovery Protocol)包和广播包发现并维护网络中的链路状态，获得交换设备之间及交换设备与主机之间的连接信息；
所述拓扑服务模块负责发现网络中的路由，维护网络中交换设备调度拓扑信息；
所述数据流模块负责控制数据流在任何控制器和交换设备之间进行交换；
所述Rest API模块负责通过Http协议向网络管理平台模块提供Rest API服务，将各模块的功能暴露给网络管理平台模块；
所述静态路由模块负责支持静态流表的增加和删除；
所述第一数据存储模块负责提供基于数据库的存储和管理服务。
进一步，所述网络管理平台模块包括第一网络请求模块、web页面解析模块、网络拓扑图绘制模块和资源预留请求模块，其中：
所述第一网络请求模块负责向服务器发送请求以及处理服务器的应答；
所述web页面解析模块负责解析系统运行过程中服务器响应的json数据并将其呈现为web页面，和第一网络请求模块一起完成数据请求和响应的过程；
所述网络拓扑图绘制模块负责接收第一网络请求模块收集到的网络中交换设备与主机的连接信息，并将信息整理绘制成网络拓扑图展示到web页面；
所述资源预留请求模块负责接收用户需要进行资源预留的源主机和目的主机信息，并将其发送给SDN控制器完成下一步资源预约工作。
进一步，所述QoS保障模块包括第二网络请求模块、路经计算模块、第二数据存储模块和流表下发模块，其中：
所述第二网络请求模块向上负责接收网络管理平台模块发出的资源预约申请，向下负责接收SDN控制器发出的各项网络特征信息，包括网络设备编号、网络设备MAC地址、网络设备IP地址和网络设备间链路信息；
所述路径计算模块负责根据网络管理平台模块发出的资源预约申请信息中的源主机IP地址和目的主机IP地址计算两者之间带宽资源充足的最短路径，并将路径上经过的网络设备按顺序存储；
所述第二数据存储模块负责存储路经计算模块计算出来的路径信息以及对资源预约必要的信息；
所述流表下发模块负责从第二数据存储模块中逐个读取路径信息，对路径上经过的交换设备发送流表，做到提前预约带宽。
本发明也提供上述基于SDN的QoS保障系统的宽带资源预留方法，包括以下步骤：
S1、将局域网内实现OpenFlow协议的所有交换机与SDN控制器的南向接口建立连接，使得SDN控制器获得交换机的拓扑连接信息和下发流表权限；
S2、当需要网络服务质量保证时，客户端向网络管理平台模块发出带宽预留请求，请求信息包括源主机IP地址和目的主机IP地址，网络管理平台模块将该请求转发给QoS保障模块进行下一步操作；
S3、QoS保障模块在接收到带宽预留请求后根据源和目的的IP地址，确定源主机和目的主机在网络拓扑图中的位置，使用带宽资源预留算法在端到端的链路上预留资源；
S4、最后，当数据传输结束时SDN控制器下发流表清除指令，恢复正常的数据包传递优先级。
进一步，所述步骤S3包括以下步骤：
S301、QoS保障模块在接受到请求后解析请求参数中的源主机IP和目的主机IP地址，通过IP地址查询数据库中该IP地址对应的主机在网络拓扑中实际连接的交换机id和端口，根据网络拓扑和源、目的交换机id和端口即获得图结构和起点终点信息；
S302、根据带宽资源预留算法，将带宽资源按时间粒度划分，先计算出本次通信所需要占用的带宽，将设定的时间粒度内带宽要求不满足的链路从拓扑图中删去，再用Dijkstra算法计算最短路径；随后依次对每个时间粒度运用该方法计算最短路径；
S303、当整个通信时间内所有时间粒度符合带宽要求的最短路径计算完成后，QoS保障模块再通过南向接口的流表下发API对各时段内最短路径下的交换机下发流表，建立具有QoS保障的通信通道。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明通过SDN技术，收集网络中包括设备ID、设备MAC地址、设备IP地址、链路信息、带宽信息在内的多项网络指标，为用户对当前网络健康状况提供数字化分析工具，可靠性高。
2、本发明通过SDN技术，将原本尽力而为的网络包转发策略变为高细粒度的可定制转发策略，同时根据带宽资源预留算法设计了QoS保障模块，可在指定时间段内为端到端建立可靠的传输链路以满足网络需求。
附图说明
图1为本发明系统的应用场景图。
图2为本发明系统的架构图。
图3为本发明系统的方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本实例所提供的基于SDN的QoS保障系统，是使用IntelliJ IDEA软件和JAVA语言、基于开源SDN控制器Floodlight v1.2版本开发的在Linux系统上运行的带宽资源预留系统，其适用场景如图1所示，系统的内部模块如图2所示，它包括有：
SDN控制器，用于实现收集网络中交换设备的特征信息，对特征信息以json数据形式呈递给网络管理平台模块，并对网络管理平台模块发送的请求按照设置的规则分发给不同的模块；
网络管理平台模块，用于实现将SDN控制器收集的网络信息可视化，提供用户与SDN控制器的通信接口；
QoS保障模块，用于实现在网络中建立具有服务质量保证的通信链路，提前预留该链路上的带宽资源。
所述SDN控制器包括注册模块、设备管理模块、链路发现模块、拓扑服务模块、数据流模块、Rest API模块、静态路由模块和第一数据存储模块，其中：
所述注册模块负责所有模块的注册、启动和初始化，模块之间调用时先向注册模块查询所调用模块是否启动并初始化完成，再通过注册模块发送调用请求；
所述设备管理模块负责发现、跟踪网络中交换设备和主机的位置，维护其设备ID、MAC地址、IP地址这些关键信息；
所述链路发现模块负责通过LLDP(Link Layer Discovery Protocol)包和广播包发现并维护网络中的链路状态，获得交换设备之间及交换设备与主机之间的连接信息；
所述拓扑服务模块负责发现网络中的路由，维护网络中交换设备调度拓扑信息；
所述数据流模块负责控制数据流在任何控制器和交换设备之间进行交换；
所述Rest API模块负责通过Http协议向网络管理平台模块提供Rest API服务，将各模块的功能暴露给网络管理平台模块；
所述静态路由模块负责支持静态流表的增加和删除；
所述第一数据存储模块负责提供基于数据库的存储和管理服务。
所述网络管理平台模块包括第一网络请求模块、web页面解析模块、网络拓扑图绘制模块和资源预留请求模块，其中：
所述第一网络请求模块负责向服务器发送请求以及处理服务器的应答；
所述web页面解析模块负责解析系统运行过程中服务器响应的json数据并将其呈现为web页面，和第一网络请求模块一起完成数据请求和响应的过程；
所述网络拓扑图绘制模块负责接收第一网络请求模块收集到的网络中交换设备和主机的连接信息，并将信息整理绘制成网络拓扑图展示到web页面；
所述资源预留请求模块负责接收用户需要进行资源预留的源主机和目的主机信息，并将其发送给SDN控制器完成下一步资源预约工作。
所述QoS保障模块包括第二网络请求模块、路经计算模块、第二数据存储模块和流表下发模块，其中：
所述第二网络请求模块向上负责接收网络管理平台模块发出的资源预约申请，向下负责接收SDN控制器发出的各项网络特征信息，包括但不限于网络设备编号、网络设备MAC地址、网络设备IP地址和网络设备间链路信息；
所述路径计算模块负责根据网络管理平台模块发出的资源预约申请信息中的源主机IP地址和目的主机IP地址计算两者之间带宽资源充足的最短路径，并将路径上经过的网络设备按顺序存储；
所述第二数据存储模块负责存储路经计算模块计算出来的路径信息以及对资源预约必要的信息；
所述流表下发模块负责从第二数据存储模块中逐个读取路径信息，对路径上经过的交换设备发送流表，做到提前预约带宽。
下面为本实施例上述基于SDN的QoS保障系统的宽度资源预留方法，如图3所示，包括以下步骤：
S1、首先在Linux服务器上运行上述系统，并组建由OpenFlow协议支持的交换设备组建的局域网。通过配置交换设备的SDN控制器地址为本系统运行服务器地址可将交换设备与SDN控制器的南向接口建立连接，使得SDN控制器获得交换机的拓扑连接等信息和下发流表等权限，此时通过网络管理平台模块界面可以查看到局域网内的各个交换设备、主机的基本信息以及网络拓扑图；
S2、当需要网络服务质量保证时，客户端向网管平台的http://服务器IP:8080/reservation/path/json接口发出Http请求，请求方式为POST，请求参数为json格式，请求信息包括源主机IP地址、目的主机IP地址。网络管理平台模块将该请求转发给QoS保障模块进行下一步操作；
S3、QoS保障模块在接收到带宽预留请求后根据源主机IP地址和目的的IP地址，通过SDN控制器中的设备管理模块发现该IP地址对应的主机在网络拓扑中实际连接的交换机id和端口，根据网络拓扑和源、目的交换机id和端口即获得图结构和起点终点信息；根据带宽资源预留算法，将带宽资源按时间粒度划分，以时间粒度100s为例，先计算出本次通信所需要占用的带宽，将100s内带宽要求不满足的链路从拓扑图中删去，再用Dijkstra算法计算最短路径，随后依次对每个时间粒度运用该方法计算最短路径；当整个通信时间内所有时间粒度符合带宽要求的最短路径计算完成后，QoS保障模块再通过SDN控制器的http://服务器IP:8080/wm/staticflowentrypusher/json接口发送Http POST请求，请求参数为流表内容，建立具有QoS保障的通信通道；
S4、最后当数据传输结束时网络管理平台模块向SDN控制器的http://服务器IP:8080/wm/staticentrypusher/clear/all/json接口发送Http GET请求，向交换设备下发流表清除指令，恢复正常的数据包传递优先级。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.基于SDN的QoS保障系统，其特征在于，包括：
SDN控制器，用于实现收集网络中交换设备的特征信息，对特征信息以json数据形式呈递给网络管理平台模块，并对网络管理平台模块发送的请求按照设置的规则分发给不同的模块；
网络管理平台模块，用于实现将SDN控制器收集的网络信息可视化，提供用户与SDN控制器的通信接口；
QoS保障模块，用于实现在网络中建立具有服务质量保证的通信链路，提前预留该链路上的带宽资源。
2.根据权利要求1所述的基于SDN的QoS保障系统，其特征在于：所述SDN控制器包括注册模块、设备管理模块、链路发现模块、拓扑服务模块、数据流模块、Rest API模块、静态路由模块和第一数据存储模块，其中：
所述注册模块负责所有模块的注册、启动和初始化，模块之间调用时先向注册模块查询所调用模块是否启动并初始化完成，再通过注册模块发送调用请求；
所述设备管理模块负责发现、跟踪网络中交换设备和主机的位置，维护其设备ID、MAC地址和IP地址这些关键信息；
所述链路发现模块负责通过LLDP(Link Layer Discovery Protocol)包和广播包发现并维护网络中的链路状态，获得交换设备之间及交换设备与主机之间的连接信息；
所述拓扑服务模块负责发现网络中的路由，维护网络中交换设备调度拓扑信息；
所述数据流模块负责控制数据流在任何控制器和交换设备之间进行交换；
所述Rest API模块负责通过Http协议向网络管理平台模块提供Rest API服务，将各模块的功能暴露给网络管理平台模块；
所述静态路由模块负责支持静态流表的增加和删除；
所述第一数据存储模块负责提供基于数据库的存储和管理服务。
3.根据权利要求1所述的基于SDN的QoS保障系统，其特征在于：所述网络管理平台模块包括第一网络请求模块、web页面解析模块、网络拓扑图绘制模块和资源预留请求模块，其中：
所述第一网络请求模块负责向服务器发送请求以及处理服务器的应答；
所述web页面解析模块负责解析系统运行过程中服务器响应的json数据并将其呈现为web页面，和第一网络请求模块一起完成数据请求和响应的过程；
所述网络拓扑图绘制模块负责接收第一网络请求模块收集到的网络中交换设备与主机的连接信息，并将信息整理绘制成网络拓扑图展示到web页面；
所述资源预留请求模块负责接收用户需要进行资源预留的源主机和目的主机信息，并将其发送给SDN控制器完成下一步资源预约工作。
4.根据权利要求1所述的基于SDN的QoS保障系统，其特征在于：所述QoS保障模块包括第二网络请求模块、路经计算模块、第二数据存储模块和流表下发模块，其中：
所述第二网络请求模块向上负责接收网络管理平台模块发出的资源预约申请，向下负责接收SDN控制器发出的各项网络特征信息，包括网络设备编号、网络设备MAC地址、网络设备IP地址和网络设备间链路信息；
所述路径计算模块负责根据网络管理平台模块发出的资源预约申请信息中的源主机IP地址和目的主机IP地址计算两者之间带宽资源充足的最短路径，并将路径上经过的网络设备按顺序存储；
所述第二数据存储模块负责存储路经计算模块计算出来的路径信息以及对资源预约必要的信息；
所述流表下发模块负责从第二数据存储模块中逐个读取路径信息，对路径上经过的交换设备发送流表，做到提前预约带宽。
5.权利要求1至4任何一项所述的基于SDN的QoS保障系统的宽带资源预留方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将局域网内实现OpenFlow协议的所有交换机与SDN控制器的南向接口建立连接，使得SDN控制器获得交换机的拓扑连接信息和下发流表权限；
S2、当需要网络服务质量保证时，客户端向网络管理平台模块发出带宽预留请求，请求信息包括源主机IP地址和目的主机IP地址，网络管理平台模块将该请求转发给QoS保障模块进行下一步操作；
S3、QoS保障模块在接收到带宽预留请求后根据源和目的的IP地址，确定源主机和目的主机在网络拓扑图中的位置，使用带宽资源预留算法在端到端的链路上预留资源；
S4、最后，当数据传输结束时SDN控制器下发流表清除指令，恢复正常的数据包传递优先级。
6.根据权利要求5所述的基于SDN的QoS保障系统的带宽资源预留方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：
S301、QoS保障模块在接受到请求后解析请求参数中的源主机IP和目的主机IP地址，通过IP地址查询数据库中该IP地址对应的主机在网络拓扑中实际连接的交换机id和端口，根据网络拓扑和源、目的交换机id和端口即获得图结构和起点终点信息；
S302、根据带宽资源预留算法，将带宽资源按时间粒度划分，先计算出本次通信所需要占用的带宽，将设定的时间粒度内带宽要求不满足的链路从拓扑图中删去，再用Dijkstra算法计算最短路径；随后依次对每个时间粒度运用该方法计算最短路径；
S303、当整个通信时间内所有时间粒度符合带宽要求的最短路径计算完成后，QoS保障模块再通过南向接口的流表下发API对各时段内最短路径下的交换机下发流表，建立具有QoS保障的通信通道。
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