一种基于SDN的网络多业务流量QoS的传输及调度方法技术

一种基于SDN的网络多业务流量QoS的传输及调度方法，适用于井下安全信息全方位监测所使用。首先利用流量传输时延和链路可用带宽，计算时延约束下的反适应度函数，然后利用马尔科夫预测法预测出最小丢包率的概率，将反适应函数和丢包率预测结果应用于GA‐BPSO算法，使数据在低丢包率的情况下不断追踪局部最优转发节点和全局最优转发节点，从而得到井下数据流量传输路径的最优解。最后应用动态调度策略的QoS路由计算与选择模块中，通过OpenDaylight控制器将策略下发至SDN交换机中，在保障重要业务服务质量的同时提升链路利用率。其自适应地获得井下差异化业务流量的全局最优传输路径，保障高优先级业务的服务质量，减少传输延迟与丢包率，提高网络吞吐量和链路利用率。

A transmission and scheduling method of network multi service traffic QoS based on SDN

A SDN-based network multi-service traffic QoS transmission and scheduling method is suitable for underground safety information omni-directional monitoring. Firstly, the anti-fitness function under delay constraints is calculated by using traffic transmission delay and link available bandwidth. Then, the probability of minimum packet loss rate is predicted by using Markov prediction method. The anti-fitness function and the prediction result of packet loss rate are applied to GA-BPSO algorithm to make the data continuously track local optimum under the condition of low packet loss rate. The forwarding node and the global optimal forwarding node can get the optimal solution of the downhole data flow transmission path. Finally, in the QoS routing calculation and selection module which applies the dynamic scheduling strategy, the policy is sent down to SDN switch by OpenDaylight controller to improve the link utilization while ensuring the quality of service of important services. It adaptively obtains the global optimal transmission path of downhole differential traffic, guarantees the quality of service of high priority traffic, reduces transmission delay and packet loss rate, and improves network throughput and link utilization.

【技术实现步骤摘要】
一种基于SDN的网络多业务流量QoS的传输及调度方法
:本专利技术涉及一种多业务流量QoS的传输及调度方法，尤其适用于井下安全信息全方位采集和监测所使用的基于SDN的网络多业务流量QoS的传输及调度方法。
技术介绍
：新世纪互联网+与网络技术发展迅速，为煤炭安全生产提供了有效保障，其中可靠的井下流量传输和动态的数据调度方法是矿井安全信息全方位采集和监测的关键。1.当前井下流量传输及数据调度方法在矿山监控及灾害预警方面仍存在如下一些问题。(1)首先，井下通信对关键业务传输的可靠性要求较高，但当前井下流量调度策略动态适应性差，难以满足不同业务所需的差异化需求，尤其是高优先级业务的时延和丢包率难以得到保障。(2)其次，现有技术难以在传输容量和链路利用率等各方面同时满足未来井下大量安全监测终端设备高效通信的要求。(3)此外，现有的分布式网络管理机制缺乏动态性和灵活性，人工管理需要一个非常复杂的体系和风险管控流程。2.传统意义上，为确保关键业务流量的传输可靠性，我们采用QoS方法为关键业务提供延迟、抖动和丢包率的保证，但仍存在如下问题：(1)传统QoS技术对设备要求相对较高，无法灵活满足变速率多等级业务的时延要求，也难以保障端到端业务的服务质量。(2)此外，传统QoS都是建立在路由逐条、网络完全分布的体系结构之上，缺乏整体网络资源的全局统一视图，容易导致当前井下网络链路利用率低、管理困难等问题。
技术实现思路
：技术问题：针对上述技术的不足之处，提供一种井下多业务流服务质量可靠、调度策略动态适应性强、分布式管理容易，可获得井下动态多业务流的全局传输最优路径，网络时延与丢包率低，链路利用率和网络管理效率高的一种基于SDN的网络多业务流量QoS的传输及调度方法。技术方案：为实现上述技术目的，本专利技术的基于SDN的网络多业务流量QoS的传输及调度方法，使用OpenDaylight控制器的服务功能模块，由基本网络服务功能模块和拓展服务模块组成，所述拓展服务模块包括关键流识别模块、网络资源触发更新模块、QoS路由计算与选择模块和动态路由配置模块；具体步骤为：步骤1：利用SDN交换机接收来自井下信息采集设备的数据包，通过OpenFlow流表匹配域判别是否为关键业务流量；关键流识别模块通过OpenFlow匹配域对交换机所接收数据包中的端口号、应用层协议或DSCP字段进行解析，判断数据包是否为关键流量；步骤2：若接收到的数据包与OpenFlow匹配域匹配成功，则接收到的数据包为关键业务数据，并通过Packet-In消息反馈给网络资源触发更新模块，激活基本网络服务功能模块，收集整个网络系统的流量传输时延、链路可用带宽、链路丢包率和转发节点的IP地址、MAC地址信息；步骤3：首先利用基本网络服务功能模块收集到的全网流量传输时延和链路可用带宽，计算时延约束下的反适应函数，反适应函数值越小，链路通信质量越优，然后利用马尔科夫预测法预测出各链路最小丢包率出现的概率，使用GA-BPSO算法对反适应函数和丢包率预测结果进行关键流量传输路径的选择；步骤4：在当基于GA-BPSO算法的路径不满足关键业务传输的时延约束时，则利用QoS路由计算与选择模块对此路径上的普通业务流量进行重路由，即将普通业务流量转移到不同于关键业务流量的传输路径上，最大限度地保证高优先级流量的传输质量，并将所有的传输路径计算结果都被发送至动态路由配置模块。步骤5：关键流识别模块对交换机所接收数据包的端口号、应用层协议或DSCP字段进行解析，并将解析结果通过OpenFlow匹配域进行匹配，若匹配不成功，则判断识别出数据包是普通业务流量，使用传统网络协议中OSPF协议所使用的Dijkstra最短路径算法计算普通业务流量的传输路径；步骤6：将满足约束条件的关键业务的流量传输路径、重路由后的普通流量的传输路径信息、使用Dijkstra最短路径算法计算的普通流量的流量传输路径，包括关键业务和普通业务流量的源目IP地址、源目MAC地址，以及流经交换机的入端口号和出端口号信息都被发送至动态路由配置模块，模块将业务最优传输路径以OpenFlow流表项的形式发送至SDN交换机，进入交换机的各类数据流量匹配相应的流表并完成所要求的动作，从而实现对各类数据传输路径的路由配置。步骤2具体步骤为：步骤2.1：利用网络资源触发更新模块触发基本网络服务进行网络资源参数的采集，触发方式将定时触发和关键流识别模块触发两种方式相结合。从当前时刻开始，定时触发每隔时间T就对基本网络服务进行一次触发，在周期T内，若关键流识别模块发现重要业务数据流，则直接触发基本网络服务功能，并将计时清零；步骤2.2：使用基本网络服务功能收集整个网络系统的流量传输时延、链路可用带宽、链路丢包率和转发节点的IP地址、MAC地址信息，并发送给QoS路由计算与选择模块进行流量传输路径的计算和选择。步骤3中的GA-BPSO算法流程步骤为：首先利用BPSO算法，通过计算流量传输路径最小反适应度函数值追寻局部最优转发节点和全局最优转发节点，获得一条初始的流量传输路径；然后利用GA算法，选择下一时刻最小丢包率出现概率最大的流量传输路径，并对初始的流量传输路径中丢包率较大的子路径进行替换，从而得到井下数据流量传输路径的最优流量传输路径；具体步骤为：步骤3.1：对于采集到的从源节点s到目的节点t的流量传输时延d(s,t)，满足数据包在路径r(s,t)的正传输时延约束Vdelay，d(e)代表流量在链路e上的传输时延，即：对于采集到的从源节点s到目的节点t所经路径的可用带宽Ba(s,t)，工作流负载带宽Bn(s,t)在路径r(s,t)上的惩罚函数S(s,t)如式(3-2)所示：定义路径r(s,t)的反适应度函数f(s,t)如式(3-3)：f(s,t)＝α*d(s,t)+β*S(s,t)(3-3)其中α为时延因子，β为惩罚因子，反适应度函数用来评价流量传输路径的优劣；步骤3.2：对于采集到的链路丢包率，在此链路上将丢包率分为R1、R2、…、RN，将周期T均分成M个时间段，每个时间段末尾时刻为T1、T2、…、TM，各个时刻对应不同的丢包率P(Ri)，i＝1，2，…，M，对当前时刻而言，丢包率在下一时刻从Ri变为Rj的可能性称作状态转移概率，记为Pij，矩阵：表示从当前时刻开始，丢包率在下一时刻的状态转移概率矩阵。Pij(k)为链路丢包率Ri经过k步转移后变为Rj的概率，则在第k个时刻，此链路最小丢包率Rm出现概率如式(3-5)所示：步骤3.3：将网络设备标示为粒子i，将流量传输路径标示为粒子运动轨迹，将时延约束下的最小反适应度函数作为优化目标，求解井下数据流的动态初始路由路径：粒子i在第d维空间中第k次迭代的速度更新公式为式(3-6)：其中和分别表示粒子i在第k次迭代时速度矢量的d维分量和位置矢量的d维分量，和分别表示粒子i在第k次迭代时d维分量的局部和全局最优位置，选取与粒子i直连的具有最小反适应函数值的链路对端为与目的节点t直连的具有最小反适应函数值的链路对端为c1、c2为学习因子，设c1＝c2＝2时为最优解，r1、r2是介于(0、1)之间的随机数；利用线性递减权值策略定义惯性权重ω，如式(3-7)所示：其中ωmax为最大惯性权重，ωmin为最本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于SDN的网络多业务流量QoS的传输及调度方法，它使用OpenDayl ight控制器的服务功能模块，由基本网络服务功能模块和拓展服务模块组成，所述拓展服务模块包括关键流识别模块、网络资源触发更新模块、QoS路由计算与选择模块和动态路由配置模块；具体步骤为：步骤1：利用SDN交换机接收来自井下信息采集设备的数据包，通过OpenFlow流表匹配域判别是否为关键业务流量；关键流识别模块通过OpenFlow匹配域对交换机所接收数据包中的端口号、应用层协议或DSCP字段进行解析，判断数据包是否为关键流量；步骤2：若接收到的数据包与OpenFlow匹配域匹配成功，则接收到的数据包为关键业务数据，并通过Packet‑In消息反馈给网络资源触发更新模块，激活基本网络服务功能模块，收集整个网络系统的流量传输时延、链路可用带宽、链路丢包率和转发节点的IP地址、MAC地址信息；步骤3：首先利用基本网络服务功能模块收集到的全网流量传输时延和链路可用带宽，计算时延约束下的反适应函数，反适应函数值越小，链路通信质量越优，然后利用马尔科夫预测法预测出各链路最小丢包率出现的概率，使用GA‑BPSO算法对反适应函数和丢包率预测结果进行关键流量传输路径的选择；步骤4：在当基于GA‑BPSO算法的路径不满足关键业务传输的时延约束时，则利用QoS路由计算与选择模块对此路径上的普通业务流量进行重路由，即将普通业务流量转移到不同于关键业务流量的传输路径上，最大限度地保证高优先级流量的传输质量，并将所有的传输路径计算结果都被发送至动态路由配置模块。步骤5：关键流识别模块对交换机所接收数据包的端口号、应用层协议或DSCP字段进行解析，并将解析结果通过OpenFlow匹配域进行匹配，若匹配不成功，则判断识别出数据包是普通业务流量，使用传统网络协议中OSPF协议所使用的Dijkstra最短路径算法计算普通业务流量的传输路径；步骤6：将满足约束条件的关键业务的流量传输路径、重路由后的普通流量的传输路径信息、使用Dijkstra最短路径算法计算的普通流量的流量传输路径，包括关键业务和普通业务流量的源目IP地址、源目MAC地址，以及流经交换机的入端口号和出端口号信息都被发送至动态路由配置模块，模块将业务最优传输路径以OpenFlow流表项的形式发送至SDN交换机，进入交换机的各类数据流量匹配相应的流表并完成所要求的动作，从而实现对各类数据传输路径的路由配置。...

【技术特征摘要】
1.一种基于SDN的网络多业务流量QoS的传输及调度方法，它使用OpenDaylight控制器的服务功能模块，由基本网络服务功能模块和拓展服务模块组成，所述拓展服务模块包括关键流识别模块、网络资源触发更新模块、QoS路由计算与选择模块和动态路由配置模块；具体步骤为：步骤1：利用SDN交换机接收来自井下信息采集设备的数据包，通过OpenFlow流表匹配域判别是否为关键业务流量；关键流识别模块通过OpenFlow匹配域对交换机所接收数据包中的端口号、应用层协议或DSCP字段进行解析，判断数据包是否为关键流量；步骤2：若接收到的数据包与OpenFlow匹配域匹配成功，则接收到的数据包为关键业务数据，并通过Packet-In消息反馈给网络资源触发更新模块，激活基本网络服务功能模块，收集整个网络系统的流量传输时延、链路可用带宽、链路丢包率和转发节点的IP地址、MAC地址信息；步骤3：首先利用基本网络服务功能模块收集到的全网流量传输时延和链路可用带宽，计算时延约束下的反适应函数，反适应函数值越小，链路通信质量越优，然后利用马尔科夫预测法预测出各链路最小丢包率出现的概率，使用GA-BPSO算法对反适应函数和丢包率预测结果进行关键流量传输路径的选择；步骤4：在当基于GA-BPSO算法的路径不满足关键业务传输的时延约束时，则利用QoS路由计算与选择模块对此路径上的普通业务流量进行重路由，即将普通业务流量转移到不同于关键业务流量的传输路径上，最大限度地保证高优先级流量的传输质量，并将所有的传输路径计算结果都被发送至动态路由配置模块。步骤5：关键流识别模块对交换机所接收数据包的端口号、应用层协议或DSCP字段进行解析，并将解析结果通过OpenFlow匹配域进行匹配，若匹配不成功，则判断识别出数据包是普通业务流量，使用传统网络协议中OSPF协议所使用的Dijkstra最短路径算法计算普通业务流量的传输路径；步骤6：将满足约束条件的关键业务的流量传输路径、重路由后的普通流量的传输路径信息、使用Dijkstra最短路径算法计算的普通流量的流量传输路径，包括关键业务和普通业务流量的源目IP地址、源目MAC地址，以及流经交换机的入端口号和出端口号信息都被发送至动态路由配置模块，模块将业务最优传输路径以OpenFlow流表项的形式发送至SDN交换机，进入交换机的各类数据流量匹配相应的流表并完成所要求的动作，从而实现对各类数据传输路径的路由配置。2.根据权利要求1所述基于SDN的网络多业务流量QoS的传输及调度方法，其特征在于步骤2具体步骤为：步骤2.1：利用网络资源触发更新模块触发基本网络服务进行网络资源参数的采集，触发方式将定时触发和关键流识别模块触发两种方式相结合。从当前时刻开始，定时触发每隔时间T就对基本网络服务进行一次触发，在周期T内，若关键流识别模块发现重要业务数据流，则直接触发基本网络服务功能，并将计时清零；步骤2.2：使用基本网络服务功能收集整个网络系统的流量传输时延、链路可用带宽、链路丢包率和转发节点的IP地址、MAC地址信息，并发送给QoS路由计算与选择模块进行流量传输路径的计算和选择。3.根据权利要求1所述基于SDN的网络多业务流量QoS的传输及调度方法，其特征在于步骤3中的GA-BPSO算法流程步骤为：首先利用BPSO算法，通过计算流量传输路径最小反适应度函数值追寻局部最优转发节点和全局最优转发节点，获得一条初始的流量传输路径；然后利用GA算法，选择下一时刻最小丢包率出现概率最大的流量传输路径，并对初始的流量传输路径中丢包率较大的子路径进行替换，从而得到井下数据流量传输路径的最优流量传输路径；具体步骤为：步骤3.1：对于采集到的从源节点s到...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵小虎，李治，张凯，孔德川，有鹏，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32