CN108512760B

CN108512760B - 基于SDN保障业务QoS的路由方法

Info

Publication number: CN108512760B
Application number: CN201810193577.7A
Authority: CN
Inventors: 张岗山; 朱成成; 赵林靖; 刘炯; 吴炜; 冯磊
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2018-03-09
Filing date: 2018-03-09
Publication date: 2020-07-28
Anticipated expiration: 2038-03-09
Also published as: CN108512760A

Abstract

本发明提出了一种基于SDN保障业务QoS路由方法，用于解决现有技术中网络资源利用率不高和路由方法容错性差的技术问题，实现步骤为：包括SDN控制器获取网络的拓扑信息、链路带宽信息和链路时延信息；SDN控制器通过计算得到备选路径集；SDN控制器获取网络QoS评价参数和权值参数；SDN控制器计算备选路径集中每条路径的权值因子，并对备选路径集中路径进行升序排序，得到目标路径集；SDN控制器从目标路径集中获取最优路径，并获取备份路径集；SDN控制器判断最优路径是否故障，若是，则从备份路径集中选取次优路径作为最优路径，否则将选取的最优路径封装流表下发给OpenFlow交换机，以进行数据转发。

Description

基于SDN保障业务QoS的路由方法

技术领域

本发明属于计算机网络技术领域，涉及一种软件定义网络平台中的路由算法，具体涉及一种基于SDN保障业务QoS的路由方法，可用于对服务质量有较高要求的网络通信***。

背景技术

近年来，电子商务、移动网络和大数据等各种新型网络的兴起，为用户带来极大的便利的同时，用户对网络服务质量(Quality of Service,QoS)也有了更高的要求。比较重要的QoS参数有带宽、时延等，并且不同类型的业务对QoS参数的要求不尽相同。传统的网络架构的可扩展性较差，并且设备性能固定单一，很难满足当前新型业务对QoS的要求，多点之间频繁通信使得网络流量大幅增长，传统的最短路径路由算法只考虑跳数，无法充分利用网络资源，进而可能导致网络整体性能下降，终端用户体验变差。为了提高数据转发效率，实现对网络资源更充分的利用，可以将SDN(Software Defined Network,SDN)技术应用于网络中，利用SDN控制器的全局视图，实现对网络中的资源进行更灵活的调度，也可以通过SDN控制器获得网络状态信息，制定更加合理的数据转发策略，从而提高网络的资源利用率，以满足不同业务的QoS需求。

基于上述原因，基于SDN保障业务QoS的路由算法的研究受到越来越多的关注，对现有文献检索发现，申请公告号为CN106341346A，名称为“基于SDN的数据中心网络中一种保障QoS的路由算法”的专利申请，公开了一种基于SDN的数据中心网络中保障QoS的路由算法，该算法通过SDN控制器获取数据中心网络中的带宽与时延两种网络状态信息，并对业务类型进行判断，使得对时延敏感的业务采用时延保障算法，对带宽敏感的业务则采用带宽保障算法，从而一定程度上保障了用户的QoS，提高了数据中心网络中的资源利用率。但仍存在以下不足：(1)该算法仅仅考虑了对时延和带宽其中之一有要求的业务类型，但真实网络中的很多业务并不只是对一种QoS参数有要求，对于对链路带宽和时延都有要求的业务，该算法不能很好的保障其QoS，资源利用率低；(2)该算法的结果只是选出一条最优路径即结束，没有考虑选出的最优路径故障的情况，在最优路径故障的情况下，该算法不能成功为业务选路，算法的容错性能较差。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种基于SDN保障业务QoS的路由方法，提高了网络的资源利用率和算法的容错性。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括如下步骤：

(1)SDN控制器获取网络的拓扑信息、链路带宽信息和链路时延信息：

(1a)SDN控制器上层应用模块向网络中的每个OpenFlow交换机发送Packet_out消息，收到消息的OpenFlow交换机向其相邻的OpenFlow交换机发送LLDP数据包，每个OpenFlow交换机再将LLDP数据包返回至SDN控制器，SDN控制器对LLDP数据包进行解析，得到网络的拓扑信息；

(1b)SDN控制器上层应用模块向网络中的每个OpenFlow交换机发送statistics_request查询消息，收到statistics_request消息的OpenFlow交换机应答statistics_reply消息，SDN控制器收到交换机的statistics_reply应答消息后对statistics_reply消息进行解析，得到链路带宽信息；

(1c)SDN控制器上层应用模块计算链路时延信息；

(2)SDN控制器计算网络前k条最短路径：

SDN控制器上层应用模块利用网络的拓扑信息，计算网络前k条最短路径，得到备选路径集，k≥1；

(3)SDN控制器获取网络QoS的评价参数和权值参数：

(3a)SDN控制器上层应用模块获取备选路径集中每条路径的链路带宽归一化评价参数B_i和链路时延归一化评价参数D_i，i表示第i条路径，1≤i≤k：

SDN控制器上层应用模块对备选路径集中每条路径的链路带宽信息和链路时延信息分别进行归一化计算，得到每条路径的链路带宽归一化评价参数B_i和链路时延归一化评价参数D_i；

(3b)SDN控制器上层应用模块根据不同业务类型数据对链路带宽和链路时延的要求，确定当前网络不同业务类型数据对应的链路带宽对应的权值参数α和链路时延对应的权值参数β，0＜α＜1，0＜β＜1，α+β＝1；

(4)SDN控制器计算备选路径集中每条路径的权值因子，并对备选路径集中的路径进行升序排序：

(4a)SDN控制器上层应用模块计算备选路径集中每条路径的权值因子w_i，得到k个权值因子，计算公式为：

w_i＝αB_i+βD_i

其中，B_i表示第i条路径的链路带宽归一化评价参数，D_i表示第i条路径的链路时延归一化评价参数；

(4b)SDN控制器上层应用模块按照w_i对备选路径集中的k条路径进行升序排序，得到目标路径集；

(5)SDN控制器获取最优路径和备份路径集：

SDN控制器上层应用模块将目标路径集中的第一条路径作为最优路径，交给SDN控制器流表下发模块，并从目标路径集中删除该条最优路径，得到备份路径集；

(6)SDN控制器判断最优路径是否故障：

(6a)SDN控制器流表下发模块将最优路径封装成流表，并将流表下发至最优路径上的所有OpenFlow交换机；

(6b)SDN控制器流表下发模块根据OpenFlow交换机的应答消息是否超过典型超时时间，判断最优路径是否出现故障，若是，执行步骤(7)，否则，最优路径即为路由方法的选路结果；

(7)SDN控制器选择次优路径：

SDN控制器上层应用模块判断备份路径集为空，若是，则路由方法失败，否则，将备份路径集中的第一条路径作为最优路径，交给SDN控制器流表下发模块，并从备份路径集中删除该条最优路径，执行步骤(6)。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

第一、本发明在为不同类型的业务进行路由时，通过SDN控制器获取网络状态信息，综合考虑链路带宽和链路时延两种QoS参数，得出满足业务需求的最优路劲，保障了对链路带宽和链路时延均有要求的业务的QoS，与现有技术相比，更好的保障了业务的QoS，提高了网络资源利用率。

第二、本发明中路由方法在得到最优路径的同时，还得到了包含多条路径的备份路径集，当最优路径发生故障时，可以从备份路径集中选择次优路径作为最优路径，解决了最优路径突然故障的问题，与现有技术相比，提高了路由方法的容错性。

附图说明

图1为本发明适用的SDN网络架构图；

图2为本发明的实现流程框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步的详细描述：

参照图1，本发明适用的SDN网络架构，包括一个SDN控制器、多个OpenFlow交换机和多个主机终端。其中，主机终端是用户业务的承载点，用于产生各种类型的业务数据，例如语音业务、视频业务和短消息业务；OpenFlow交换机是整个架构中的数据转发设备，用于为SDN控制器提供网络状态信息，如链路带宽信息和链路时延信息，此外，位于最优路径上的多个OpenFlow交换机还负责接收SDN控制器下发的流表，依据流表对业务数据进行转发；SDN控制器是该架构的核心，也是本发明提出的路由方法主要功能实现的承载点，SDN控制器控制整个网络的运行，在SDN控制器的上层应用模块，定义了四个功能模块：拓扑管理模块、流量监测模块、时延监测模块和路径选择模块，其中，拓扑管理模块通过南向接口与OpenFlow交换机进行通信，获取网络拓扑信息；流量监测模块通过南向接口与OpenFlow交换机进行通信，获取链路带宽信息；时延监测模块通过南向接口与OpenFlow交换机进行通信，获取链路时延信息；路径选择模块根据拓扑信息、链路带宽信息和链路时延信息进行路径选择，选择出最优路径交给流表下发模块，流表下发模块将最优路径封装成流表，通过安全通道将流表下发给OpenFlow交换机。

本实施例的SDN控制器选择Ryu控制器，OpenFlow交换机选择OVS交换机，主机终端使用Mininet。

参照图2，一种基于SDN保障业务QoS的路由方法，包括如下步骤：

步骤1)SDN控制器获取网络的拓扑信息、链路带宽信息和链路时延信息：

步骤1a)SDN控制器上层应用模块向网络中的每个OpenFlow交换机发送Packet_out消息，收到消息的OpenFlow交换机向其相邻的OpenFlow交换机发送LLDP数据包，每个OpenFlow交换机再将LLDP数据包返回至SDN控制器，SDN控制器对LLDP数据包进行解析，得到网络的拓扑信息；

其中，收到SDN控制器Packet_out数据包的OpenFlow交换机向其相邻的OpenFlow交换机发送的LLDP数据包中携带自己的dpid和port_no，收到了其他OpenFlow交换机发来的LLDP数据包的OpenFlow交换机将其收到的LLDP数据包作为数据部分，形成Packet_in数据包，并将其发送给SDN控制器，Packet_in数据包的头部携带自身的dpid和port_no，SDN控制器通过解析收到的Packet_in数据包，得到目的OpenFlow交换机的dpid和port_no，解析Pacekt_in数据包的数据部分的LLDP数据包，得到源OpenFlow交换机的dpid和port_no，从而发现一条链路，对每个OpenFlow交换机做同样的操作，从而发现网络中的所有链路，得到网络拓扑。

步骤1b)SDN控制器上层应用模块向网络中的每个OpenFlow交换机发送statistics_request查询消息，收到statistics_request消息的OpenFlow交换机应答statistics_reply消息，SDN控制器收到交换机的statistics_reply应答消息后对statistics_reply消息进行解析，得到链路带宽信息；

其中，此处的链路带宽指链路剩余可用带宽。一条链路的带宽由与之相连的两个端口的带宽决定，OpenFlow协议可以通过统计报文来获取端口的统计信息，SDN控制器周期性的向网络中的所有OpenFlow交换机发送statistics_request端口流量统计请求消息，OpenFlow交换机通过statistics_reply应答消息，将端口信息发送给SDN控制器，SDN控制器在收到OpenFlow的应答消息后，对statistics_reply消息进行解析，得到端口收发的字节数和当前统计的时间戳，当两次统计的时间间隔足够短时，可认为两次统计时间间隔内数据的平均发送速率为端口的瞬时速率，则端口瞬时速率的计算公式如下：

其中，v_t表示端口的瞬时速率；j表示端口的统计次数，j≥0；bytes^j为第j次统计时该端口的收发字节数；T^j表示第j次统计的时间戳。

则端口的剩余可用带宽可以利用端口最大可用带宽与端口瞬时速率相减得到，其计算公式如下：

v_avail＝v_max-v_t

其中，v_avail表示端口剩余可用带宽，v_max表示端口最大可用带宽。

而链路的剩余可用带宽等于与该条链路相连的两个端口的剩余可用带宽中的较小者，其计算公式如下：

其中，bandwidth表示链路的剩余可用带宽；

和

分别表示一条链路两端的端口剩余可用带宽。

步骤1c)SDN控制器上层应用模块计算链路时延信息；

其中，链路时延指数据包从一个OpenFlow交换机，经过一条链路，到达另一个OpenFlow交换机的时间间隔。求解链路时延步骤如下：

步骤1c1)SDN控制器向每个OpenFlow交换机发送Packet_out消息，并记录Packet_out消息的时间戳T1；

步骤1c2)各OpenFlow交换机向相邻的OpenFlow交换机发送LLDP数据包，相邻的OpenFlow交换机将收到的LLDP数据包发送给SDN控制器；

步骤1c3)SDN控制器对收到的LLDP数据包进行解析，得到LLDP数据包的时间戳T2；

步骤1c4)SDN控制器计算任意一条链路，以及与该条链路相连的两个OpenFlow交换机和SDN控制器之间形成的环路时延T_circle：

T_circle＝T2-T1

步骤1c5)SDN控制器向与环路时延T_circle对应的链路相连的两个OpenFlow交换机中的一个发送Echo请求消息，并记录Echo请求消息的时间戳T3，收到Echo请求消息的OpenFlow交换机向SDN控制器发送Echo应答消息；

步骤1c6)SDN控制器对Echo应答消息进行解析，得到Echo应答消息的时间戳T4，并通过Echo请求消息的时间戳T3和Echo应答消息的时间戳T4，计算SDN控制器到与环路时延T_circle对应的链路相连的OpenFlow交换机的时延T_A：

步骤1c7)SDN控制器向与环路时延T_circle对应的链路相连的两个OpenFlow交换机中的一个发送Echo请求消息，并记录Echo请求消息的时间戳T5，收到Echo请求消息的OpenFlow交换机向SDN控制器发送Echo应答消息；

步骤1c8)SDN控制器对Echo应答消息进行解析，得到Echo应答消息的时间戳T₆，并通过Echo请求消息的时间戳T5和Echo应答消息的时间戳T6，计算SDN控制器到与环路时延T_circle对应的链路相连的OpenFlow交换机的时延T_B：

步骤1c9)SDN控制器计算每条链路的时延T_delay：

T_delay＝T_circleT_A-T_B

步骤1c10)SDN控制器计算除步骤1c4)中任意一条以外的其他链路的时延，并与步骤1c9)计算的时延T_delay组合，得到网络的链路时延信息。

步骤2)SDN控制器计算网络前k条最短路径：

其中，计算网络中前k条最短路径的方法采用以跳数为权值的k_shortest算法，具体操作如下：

网络拓扑由节点和节点之间的通信链路组成，在上述步骤中已经获取到网络的拓扑信息，将其抽象的表示为G(V,E)，V＝{v₁,v₂,...,v_p,...,v_q}表示SDN网络中的节点集合，其中，v_p表示网络中的第p个节点，q为网络中结点个数，E＝{e₁,e₂,...,e_u,...,e_v}表示单个节点之间的通信链路集合，其中e_u表示网络中的第u条链路，v为网络中的链路数目。对于网络拓扑中任意两个节点s和t，根据k_shortest算法计算出s和t之间的前k条最短路径，组成备选路径集。

步骤3)SDN控制器获取网络QoS的评价参数和权值参数：

步骤3a)SDN控制器上层应用模块获取备选路径集中每条路径的链路带宽归一化评价参数B_i和链路时延归一化评价参数D_i，i表示第i条路径，1≤i≤k：

在传统的SDN网络中，路由均是采用Dijkstra最短路径算法，但是最优路径并不一定是传统意义上跳数最少的路径，而是满足各种QoS需求的路径，对于不同类型的业务和不同的应用场景，最优路径也不一定相同。考虑对业务QoS的影响程度，本发明采取了两个影响最大的QoS参数作为选路的约束条件：链路带宽和链路时延，其计算公式分别为：

其中，B^required为业务要求的带宽，B_min表示路径的瓶颈带宽，B_min＝min{B¹,B²,...,B^l,...,B^m}，其中，B^l表示该路径上第l条链路的剩余可用带宽，1≤l≤m，m为每条路径包含的链路数，

为第i条路径中每条链路的平均时延，

D^a表示每条链路的时延，D^thd为典型门限时延。

步骤3b)SDN控制器上层应用模块根据不同业务类型数据对链路带宽和链路时延的要求，确定当前网络不同业务类型数据对应的链路带宽对应的权值参数α和链路时延对应的权值参数β，0＜α＜1，0＜β＜1，α+β＝1；

根据典型业务对链路带宽和链路时延的一般要求，本发明将典型业务划分为三个QoS等级，各种典型业务与QoS等级对应如表1所示，表1中，将对链路带宽有较低要求和对链路时延有较高要求的业务划分为第一QoS等级业务，典型业务有语音业务和视频业务等；将对链路带宽和链路时延有相同要求的业务划分为第二QoS等级业务，典型业务有Telnet业务等；将对链路带宽有较高要求，并对链路时延有较低要求的业务划分为第三QoS等级业务，典型业务有FTP和文件传输等。

表1典型业务对QoS参数的要求

根据业务对时延和带宽的要求，设置的α和β的典型值，各QoS等级对应的α和β的典型值如表2所示，其中，α取值范围为0＜α＜1，β取值范围0＜β＜1，且α和β满足α+β＝1，并且α和β的值可以根据用户需求的不同和应用场景的不同进行调整，值越大，说明相应的归一化评价参数对路由方法的影响越大。

	α典型值	β的典型值
			第一QoS等级	0.2	0.8
第二QoS等级	0.5	0.5
			第三QoS等级	0.8	0.2

步骤4)SDN控制器计算备选路径集中每条路径的权值因子，并对备选路径集中的路径进行升序排序：

步骤4a)SDN控制器上层应用模块计算备选路径集中每条路径的权值因子w_i，得到k个权值因子，计算公式为：

w_i＝αB_i+βD_i

步骤4b)SDN控制器上层应用模块按照w_i对备选路径集中的k条路径进行升序排序，得到目标路径集；

步骤5)SDN控制器获取最优路径和备份路径集：

步骤6)SDN控制器判断最优路径是否故障：

步骤6a)SDN控制器流表下发模块将最优路径封装成流表，并将流表下发至最优路径上的所有OpenFlow交换机；

其中，SDN控制器流表下发模块将最优路径封装成流表，再将流表封装成flow_mod消息，然后将flow_mod消息通过安全通道下发给最优路径上的各OpenFlow交换机。

步骤6b)SDN控制器流表下发模块根据OpenFlow交换机的应答消息是否超过典型超时时间，判断最优路径是否出现故障，若是，执行步骤7)，否则，最优路径即为路由方法的选路结果；

当前SDN中判断路径故障的方法有：LLDP(Link Layer Discover Protocol，链路发现协议)，Fast Failover组表技术，和OAM(Operation，Adminstration andMaintenance，操作、管理和维护)技术。本发明采用的是LLDP技术，原理如下：

LLDP协议用来判断直连的通信节点之间的链路信息，它通过LLDP数据包，将一些信息转发给直连的OpenFlow交换机，LLDP数据包中包含的信息有源端设备的能力、设备和接口标识等。SDN中采用几种控制LLDP监测模型，控制器将LLDP数据包从每个端口发送给直连的OpenFlow交换机的端口，OpenFlow交换机收到LLDP数据包后，触发Packet-In动作，将LLDP数据包发送给控制器，通过返回的报文，控制器可以获取网络的全局视图。

流表下发模块首先判断选出的最优路径是否故障：SDN控制器构造PacketOut消息，分别向最优路径上的所有OpenFlow交换机发送LLDP数据包，收到LLDP数据包的OpenFlow交换机1向与其相邻的且在最优路径上的OpenFlow交换机2转发该LLDP数据包，OpenFlow交换机2在收到与其相邻的OpenFlow交换机1发来的LLDP数据包后，转发给SDN控制器，SDN控制器通过解析收到的LLDP数据包，获取OpenFlow交换机1和OpenFlow交换机2之间的链路信息，并且说明了OpenFlow交换机1和OpenFlow交换机2之间的链路是工作正常的，若SDN控制器在典型超时时间内判断最优路径上所有路径均为工作正常的状态，则认为最优路径工作正常；否则，返回最优路径故障。

步骤7)SDN控制器选择次优路径：

SDN控制器上层应用模块判断备份路径集为空，若是，则路由方法失败，否则，将备份路径集中的第一条路径作为最优路径，交给SDN控制器流表下发模块，并从备份路径集中删除该条最优路径，执行步骤6)。

Claims

1.一种基于SDN保障业务QoS的路由方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1c)SDN控制器上层应用模块计算链路时延信息；

(2)SDN控制器计算网络前k条最短路径：

(3)SDN控制器获取网络QoS的评价参数和权值参数：

(3a)SDN控制器上层应用模块获取备选路径集中每条路径的链路带宽归一化评价参数B_i和链路时延归一化评价参数D_i，计算公式分别为：

其中，i表示第i条路径，1≤i≤k：B^required为业务要求的带宽，B_min表示路径的瓶颈带宽，B_min＝min{B¹,B²,...,B^l,...,B^m}，B^l表示该路径上第l条链路的剩余可用带宽，1≤l≤m，m表示每条路径包含的链路数，

为第i条路径中每条链路的平均时延，

D^a表示每条链路的时延，D^thd为典型门限时延；

w_i＝αB_i+βD_i

(5)SDN控制器获取最优路径和备份路径集：

(6)SDN控制器判断最优路径是否故障：

(7)SDN控制器选择次优路径：

2.根据权利要求1所述的基于SDN保障业务QoS的路由方法，其特征在于：步骤(1c)中所述的SDN控制器上层应用模块计算链路时延信息，实现步骤为：

(1c1)SDN控制器向每个OpenFlow交换机发送Packet_out消息，并记录Packet_out消息的时间戳T1；

(1c2)各OpenFlow交换机向相邻的OpenFlow交换机发送LLDP数据包，相邻的OpenFlow交换机将收到的LLDP数据包发送给SDN控制器；

(1c3)SDN控制器对收到的LLDP数据包进行解析，得到LLDP数据包的时间戳T2；

(1c4)SDN控制器计算任意一条链路，以及与该条链路相连的两个OpenFlow交换机和SDN控制器之间形成的环路时延T_circle：

T_circle＝T2-T1

(1c5)SDN控制器向与环路时延T_circle对应的链路相连的两个OpenFlow交换机中的一个发送Echo请求消息，并记录Echo请求消息的时间戳T3，收到Echo请求消息的OpenFlow交换机向SDN控制器发送Echo应答消息；

(1c6)SDN控制器对Echo应答消息进行解析，得到Echo应答消息的时间戳T4，并通过Echo请求消息的时间戳T3和Echo应答消息的时间戳T4，计算SDN控制器到与环路时延T_circle对应的链路相连的OpenFlow交换机的时延T_A：

(1c7)SDN控制器向与环路时延T_circle对应的链路相连的两个OpenFlow交换机中的一个发送Echo请求消息，并记录Echo请求消息的时间戳T5，收到Echo请求消息的OpenFlow交换机向SDN控制器发送Echo应答消息；

(1c8)SDN控制器对Echo应答消息进行解析，得到Echo应答消息的时间戳T6，并通过Echo请求消息的时间戳T5和Echo应答消息的时间戳T6，计算SDN控制器到与环路时延T_circle对应的链路相连的OpenFlow交换机的时延T_B：

(1c9)SDN控制器计算每条链路的时延T_delay：

T_delay＝T_circle-T_A-T_B

(1c10)SDN控制器计算除步骤(1c4)中任意一条以外的其他链路的时延，并与步骤(1c9)计算的时延T_delay组合，得到网络的链路时延信息。

3.根据权利要求1所述的基于SDN保障业务QoS的路由方法，其特征在于：步骤(6a)中所述的SDN控制器流表下发模块将最优路径封装成流表，并将流表下发至最优路径上的所有OpenFlow交换机，是指SDN控制器流表下发模块将最优路径封装成流表，再将流表封装成flow_mod消息，然后将flow_mod消息通过安全通道下发给最优路径上的各OpenFlow交换机。