一種SDN網(wǎng)絡(luò)中端到端QoS保障的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種SDN網(wǎng)絡(luò)中端到端QoS保障的方法，屬于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，應(yīng)用業(yè)務(wù)類型的日益豐富，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型已經(jīng)很難滿足網(wǎng) 絡(luò)發(fā)展的需求，軟件自定義網(wǎng)絡(luò)（Software DefinedNetworks，SDN)，一種新型的網(wǎng)絡(luò)模型 越來越受到重視。但SDN網(wǎng)絡(luò)仍然處于發(fā)展的初期，存在很多不足，尤其是在為業(yè)務(wù)提供端 到端QoS(Quality of Service)保障方面，比如并未考慮端到端的QoS保障，不能提供動(dòng)態(tài) 的QoS保障，缺乏自適應(yīng)性，也忽略了傳輸路徑中交換機(jī)節(jié)點(diǎn)自身的影響。數(shù)據(jù)流傳輸時(shí)在 交換機(jī)節(jié)點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生時(shí)延、擁塞和丟包等，特別是端口隊(duì)列的時(shí)延和擁塞，都將對(duì)SDN網(wǎng)絡(luò) 的QoS保障產(chǎn)生重大的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種隊(duì)列感知的端到端 的QoS保障方法，本發(fā)明設(shè)計(jì)了OpenFlow交換機(jī)的隊(duì)列機(jī)制，并通過控制器對(duì)交換機(jī)的隊(duì)列 狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)新的數(shù)據(jù)流到達(dá)時(shí)，根據(jù)路徑上鏈路的傳輸時(shí)延和交換機(jī)節(jié)點(diǎn)隊(duì)列的排 隊(duì)時(shí)延，結(jié)合當(dāng)前鏈路的擁塞情況，選出一條代價(jià)最小的路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)流的傳輸。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0005] -種SDN網(wǎng)絡(luò)中端到端QoS保障的方法，其步驟為：
[0006] 1)對(duì)于每一到達(dá)SDN網(wǎng)絡(luò)的新數(shù)據(jù)流，SDN網(wǎng)絡(luò)控制器周期性的采集網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信 息;其中，SDN網(wǎng)絡(luò)中每一交換機(jī)節(jié)點(diǎn)端口設(shè)有Q個(gè)出速率不同的隊(duì)列;每一隊(duì)列中不同流的 數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)間服從參數(shù)不同的泊松分布，&為該新數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)間泊松分布參 數(shù)；
[0007] 2)SDN網(wǎng)絡(luò)控制器根據(jù)采集到的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息計(jì)算傳輸該新數(shù)據(jù)流的所有備選路 徑的代價(jià)，確定出一最佳傳輸路徑；
[0008] 3)SDN網(wǎng)絡(luò)控制器將該最佳傳輸路徑信息封裝成流表項(xiàng)下發(fā)給該SDN網(wǎng)絡(luò)的交換 機(jī)節(jié)點(diǎn)，交換機(jī)節(jié)點(diǎn)根據(jù)流表項(xiàng)對(duì)收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；
[0009] 其中，計(jì)算每一備選路徑的代價(jià)所用的信息包括該備選路徑的路徑時(shí)延;所述路 徑時(shí)延包括路徑傳輸時(shí)延Tpt( Sl，&)和該備選路徑的路徑排隊(duì)時(shí)延TPq(Sl，&);該路徑排隊(duì) 時(shí)延為該備選路徑上各鏈路段的排隊(duì)時(shí)延之和;每一鏈路段的排隊(duì)時(shí)延T q(sm，sm+1)為交換 機(jī)節(jié)點(diǎn)端□各隊(duì)列的排隊(duì)時(shí)延Tqk ( Sm，Sm+1 )最小值，即將排隊(duì)時(shí)延最小的隊(duì)列作為Sm節(jié)點(diǎn)出 端口到下一節(jié)點(diǎn)Sm+1的傳輸隊(duì)列;Tqk ( Sm，Sm+1)表示從Sm節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)较乱还?jié)點(diǎn)Sm+1時(shí)，該新數(shù) 據(jù)流的數(shù)據(jù)包在^節(jié)點(diǎn)出端口的隊(duì)列k產(chǎn)生的排隊(duì)時(shí)延，sdPs m+1為一鏈路段上的兩交換機(jī) 節(jié)點(diǎn)，隊(duì)列k的傳輸速率為Uk、已存在的數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度為L(zhǎng) qk、傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)流的集合為fqk; 當(dāng)該新數(shù)據(jù)流的第N個(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)Sm節(jié)點(diǎn)時(shí)，隊(duì)列k的積累長(zhǎng)度
S1為備選路徑的源端交換機(jī)節(jié)點(diǎn)、Sj為備選路徑的目的端交換機(jī)節(jié)點(diǎn)。
[0010] 進(jìn)一步的，計(jì)算每一備選路徑的代價(jià)所用的信息還包括該備選路徑的擁塞代價(jià)C; 備選路徑的代價(jià)(1^)='\￥1\1'1)(81，8」)+￥2\(3，'\￥1、'\￥2分別為路徑時(shí)延1' 1)(1(81，8」)和擁塞代價(jià)〇 的權(quán)值，且W^W2 = 1 ;選取C0(P)值最小的路徑為最佳傳輸路徑。
[0011] 進(jìn)一步的，所述擁塞代價(jià)
其中，Bs表示備選路徑上數(shù)據(jù)包的平均速 率，Br表示備選路徑上可用帶寬的最小值。
[0012] 進(jìn)一步的，所述步驟2)中，確定出所述最佳傳輸路徑的方法為：
[0013] 1)將每一備選路徑放入解空間，建立一顆解空間樹;將解空間樹的根節(jié)點(diǎn)加入活 節(jié)點(diǎn)表；
[0014] 2)取活節(jié)點(diǎn)表第一個(gè)值作為當(dāng)前擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)；
[0015] 3)比較擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)到其所有子節(jié)點(diǎn)的鏈路時(shí)延和排隊(duì)時(shí)延，當(dāng)鏈路時(shí)延或排隊(duì)時(shí)延 超過設(shè)定門限值時(shí)，就將此子節(jié)點(diǎn)舍棄；
[0016] 4)將鏈路時(shí)延和排隊(duì)時(shí)延都未超過該設(shè)定門限值的子節(jié)點(diǎn)加入活節(jié)點(diǎn)表中；
[0017] 5)重復(fù)步驟2)~4)，直到活節(jié)點(diǎn)表為空；
[0018] 6)根據(jù)公式
選出一條代價(jià)耗費(fèi)最小的路徑，作為所述 最佳傳輸路徑。
[0019] 進(jìn)一步的，所述控制器以N個(gè)數(shù)據(jù)包為一個(gè)周期，當(dāng)源端交換機(jī)節(jié)點(diǎn)S1收到N個(gè)該 新數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)包時(shí)，進(jìn)行一次網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息采集。
[0020] 進(jìn)一步的，所述網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息包括各交換機(jī)節(jié)點(diǎn)的隊(duì)列長(zhǎng)度，各隊(duì)列所有數(shù)據(jù)流 的集合，各條鏈路可用帶寬，備選路徑上數(shù)據(jù)包的平均速率。
[0021 ]進(jìn)一步的，所述控制器將交換機(jī)節(jié)點(diǎn)收到的數(shù)據(jù)包優(yōu)先放入該交換機(jī)節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí) 最高且未滿隊(duì)列中進(jìn)行傳輸。
[0022] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果為：
[0023] 本發(fā)明考慮了交換機(jī)節(jié)點(diǎn)自身隊(duì)列時(shí)延對(duì)QoS的影響，能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)自適應(yīng) 調(diào)整流的走向，保障了端到端的Q〇S，提高了控制器的全局掌控能力，使網(wǎng)絡(luò)資源更加均衡。
【附圖說明】
[0024] 圖1為端到端QoS保障機(jī)制系統(tǒng)架構(gòu)圖；
[0025]圖2為本發(fā)明的端到端QoS機(jī)制流程圖；
[0026] 圖3為SDN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D；
[0027]圖4為隊(duì)列感知選擇機(jī)制圖；
[0028]圖5為節(jié)點(diǎn)Sgljs6的解空間樹。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)描述：
[0030] 一·系統(tǒng)架構(gòu)刻畫
[0031] 本文提出的基于隊(duì)列感知的端到端QoS保障機(jī)制如圖1所示，在圖1中，數(shù)據(jù)平面的 交換機(jī)端口上設(shè)置多個(gè)出速率不同的隊(duì)列，并有大量的背景流進(jìn)入不同的隊(duì)列進(jìn)行傳輸， 比如ftp流，視頻流等。當(dāng)新的數(shù)據(jù)流到達(dá)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，控制器啟動(dòng)隊(duì)列感知的QoS保障機(jī)制，周 期性的采集網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，包括鏈路狀態(tài)和實(shí)時(shí)變化的隊(duì)列狀態(tài)等，根據(jù)采集到的信息，控制器 估算出端到端所有可選路徑的代價(jià)，并找出一條代價(jià)最小的路徑進(jìn)行新流的傳輸。最后控 制器將轉(zhuǎn)發(fā)路徑信息封裝成流表項(xiàng)，并通過OpenFlow協(xié)議將流表項(xiàng)下發(fā)給交換機(jī)。新流到 達(dá)后，在交換機(jī)上與新的流表項(xiàng)匹配成功并進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，具體QoS保障機(jī)制流程圖如圖2所示。 [0032]本文的端到端QoS的路徑代價(jià)包括路徑時(shí)延和路徑擁塞，具體來講，路徑時(shí)延不僅 包括傳統(tǒng)意義上鏈路產(chǎn)生的時(shí)延，還包括交換機(jī)節(jié)點(diǎn)上隊(duì)列處產(chǎn)生的排隊(duì)時(shí)延。由于不同 的隊(duì)列具有不同的出速率的限制，因此數(shù)據(jù)包在不同隊(duì)列傳輸時(shí)的排隊(duì)等待時(shí)延可能會(huì)不 一樣。在本文提出的端到端QoS保障方法中，充分考慮了數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)的排隊(duì)時(shí)延，更精確 的保障了端到端的QoS保障。
[0033]二.端到端QoS的路徑代價(jià)
[0034] 隊(duì)列感知的端到端QoS路徑代價(jià)被刻畫成兩方面的影響，一方面是由于鏈路帶寬 和隊(duì)列出速率限制引起的路徑時(shí)延代價(jià)，另一方面由于多條路徑共享同一條鏈路引起的擁 塞代價(jià)。本部分將分別描述路徑時(shí)延和擁塞產(chǎn)生的代價(jià)。
[0035] 為了便于理解，首先給出拓?fù)鋱D和各符號(hào)所表示的含義，如表1所示，以下定義滿 足s,c:S, .lczS，并且Sm的下一跳相鄰節(jié)點(diǎn)為Sm+1〇
[0036] 表1符號(hào)表示及含義

[0038] 2.1路徑時(shí)延
[0039] 路徑是由一系列鏈路和節(jié)點(diǎn)組成的，當(dāng)數(shù)據(jù)包在一定帶寬的鏈路上進(jìn)行傳輸時(shí)， 會(huì)產(chǎn)生傳輸時(shí)延，且數(shù)據(jù)包經(jīng)過節(jié)點(diǎn)隊(duì)列時(shí)，會(huì)產(chǎn)生排隊(duì)時(shí)延。因此路徑時(shí)延包括路徑傳輸 時(shí)延和排隊(duì)時(shí)延。由以上各符號(hào)的定義可知：
[0040] Tp( Si，Sj ) =Tpt ( Si，Sj )+Tpq( Si，Sj ) (I)
[0041 ]下面2.1.1.和2.1.2將分別具體介紹路徑傳輸時(shí)延和排隊(duì)時(shí)延的計(jì)算方法。
[0042] 2.1.1傳輸時(shí)延
[0043]眾所周知，路徑是由多條鏈路組成，每條鏈路都存在鏈路傳輸時(shí)延，鏈路時(shí)延可用 數(shù)據(jù)包大小M與每段鏈路帶寬之比表示，將每段鏈路的帶寬大小通過加權(quán)有向圖的鄰接矩 陣表示出來。任意加權(quán)有向圖的鄰接矩陣可表示為：
[0045]鄰接矩陣B中的元素 b1>k表示節(jié)點(diǎn)S^sk間鏈路帶寬，0值表示兩節(jié)點(diǎn)間不可達(dá)，即 沒有有效帶寬。
[0047]因此鏈路傳輸時(shí)延如下表示：
[0049]由于路徑是由多條鏈路組成，那么路徑傳輸時(shí)延為所有鏈路時(shí)延之和。用E(p)表 示路徑P上所有鏈路的集合，那么路徑時(shí)延表示為：
[0051]為了便于理解，我們給出一個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞睦尤鐖D2所示，計(jì)算節(jié)點(diǎn)81到86的傳輸 時(shí)延，由圖3可知81到86存在多條可達(dá)的有效路徑，選取其中一條有效路徑（S14 S34S4- S6)，來進(jìn)行計(jì)算：
I.
[0053] 2.1.2排隊(duì)時(shí)延
[0054]在現(xiàn)有的SDN端到端QoS的路由策略中，并未考慮交換機(jī)節(jié)點(diǎn)的排隊(duì)時(shí)延。本文考 慮交換機(jī)節(jié)點(diǎn)自身排隊(duì)時(shí)延對(duì)QoS的影響，是創(chuàng)新點(diǎn)所在，因此排隊(duì)時(shí)延是本文的重點(diǎn)。
[0055] 相鄰節(jié)點(diǎn)排隊(duì)時(shí)延跟SDN網(wǎng)絡(luò)中的排隊(duì)機(jī)制有關(guān)，為保證數(shù)據(jù)流的安全高效傳輸， 在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的出端口設(shè)置Q個(gè)隊(duì)列，每個(gè)隊(duì)列分別設(shè)有不同的出速率，設(shè)為(u Q，mm·· uQ)。默認(rèn)情況下，0隊(duì)列具有最高的優(yōu)先級(jí)，沒有指定特定隊(duì)列的數(shù)據(jù)包將在隊(duì)列0中進(jìn)行 傳輸。，經(jīng)研究分析，一般來講數(shù)據(jù)包到達(dá)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間是隨機(jī)的，并大致服從泊松分布。若隨 機(jī)變量X服從參數(shù)為λ的泊松分布，即：
則其均值為E (X) =λ。對(duì)于一個(gè)隊(duì)列來講，不同流的數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)間服從參數(shù)不同的泊松分布，參數(shù)分別為 (入1，入2，…）。
[0056] 當(dāng)一條新的數(shù)據(jù)流到達(dá)SDN網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸時(shí)，根據(jù)OpenFlow協(xié)議，交換 機(jī)把信息報(bào)告給控制器，控制器開啟隊(duì)列感知的QoS控制策略，控制器每隔N個(gè)數(shù)據(jù)包，就讀 取一次當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息包括隊(duì)列長(zhǎng)度，各隊(duì)列所有流的集合，各條鏈 路可用帶寬，備選路徑上數(shù)據(jù)包的平均速率。由網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)估算每條備選路徑的花費(fèi)，并每條 路徑花費(fèi)做一次流轉(zhuǎn)發(fā)路徑的調(diào)整。
[0057] 用Tqk(Sm，Sm+l)表示從Sm節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)较乱还?jié)點(diǎn)Sm+l時(shí)，數(shù)據(jù)包在Sm節(jié)點(diǎn)出端口 k(k為 任意Q)隊(duì)列產(chǎn)生的排隊(duì)時(shí)延。當(dāng)參數(shù)為\的新流的第1個(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)