一种SDN网络中端到端QoS保障的方法技术

本发明专利技术公开了一种SDN网络中端到端QoS保障的方法。本方法为：1)对于每一到达SDN网络的新数据流，SDN网络控制器周期性的采集网络状态信息；2)SDN网络控制器根据采集到的网络状态信息计算传输该新数据流的所有备选路径的代价，确定出一最佳传输路径；3)SDN网络控制器将该最佳传输路径信息封装成流表项下发给该SDN网络的交换机节点，交换机节点根据流表项对收到的数据包进行转发。本发明专利技术设计了OpenFlow交换机的队列机制，并通过控制器对交换机的队列状态实时监控。当新的数据流到达时，根据路径上链路的传输时延和交换机节点队列的排队时延，结合当前链路的拥塞情况，选出一条代价最小的路径进行数据流的传输。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，属于网络

技术介绍
随着网络的快速发展，应用业务类型的日益丰富，传统网络模型已经很难满足网 络发展的需求，软件自定义网络（Software DefinedNetworks，SDN)，一种新型的网络模型 越来越受到重视。但SDN网络仍然处于发展的初期，存在很多不足，尤其是在为业务提供端 到端QoS(Quality of Service)保障方面，比如并未考虑端到端的QoS保障，不能提供动态 的QoS保障，缺乏自适应性，也忽略了传输路径中交换机节点自身的影响。数据流传输时在 交换机节点处会产生时延、拥塞和丢包等，特别是端口队列的时延和拥塞，都将对SDN网络 的QoS保障产生重大的影响。
技术实现思路
针对现有技术中存在的技术问题，本专利技术的目的在于提供一种队列感知的端到端 的QoS保障方法，本专利技术设计了OpenFlow交换机的队列机制，并通过控制器对交换机的队列 状态实时监控。当新的数据流到达时，根据路径上链路的传输时延和交换机节点队列的排 队时延，结合当前链路的拥塞情况，选出一条代价最小的路径进行数据流的传输。 本专利技术的技术方案为： -种SDN网络中端到端QoS保障的方法，其步骤为： 1)对于每一到达SDN网络的新数据流，SDN网络控制器周期性的采集网络状态信 息;其中，SDN网络中每一交换机节点端口设有Q个出速率不同的队列;每一队列中不同流的 数据包到达时间服从参数不同的泊松分布，&为该新数据流的数据包到达时间泊松分布参 数； 2)SDN网络控制器根据采集到的网络状态信息计算传输该新数据流的所有备选路 径的代价，确定出一最佳传输路径； 3)SDN网络控制器将该最佳传输路径信息封装成流表项下发给该SDN网络的交换 机节点，交换机节点根据流表项对收到的数据包进行转发； 其中，计算每一备选路径的代价所用的信息包括该备选路径的路径时延;所述路 径时延包括路径传输时延Tpt( Sl，&)和该备选路径的路径排队时延TPq(Sl，&);该路径排队 时延为该备选路径上各链路段的排队时延之和;每一链路段的排队时延T q(sm，sm+1)为交换 机节点端□各队列的排队时延Tqk ( Sm，Sm+1 )最小值，即将排队时延最小的队列作为Sm节点出 端口到下一节点Sm+1的传输队列;Tqk ( Sm，Sm+1)表示从Sm节点传输到下一节点Sm+1时，该新数 据流的数据包在^节点出端口的队列k产生的排队时延，sdPs m+1为一链路段上的两交换机 节点，队列k的传输速率为Uk、已存在的数据包的长度为L qk、传输的所有数据流的集合为fqk; 当该新数据流的第N个数据包到达Sm节点时，队列k的积累长度S1为备选路径的源端交换机节点、Sj为备选路径的目的端交换机节点。 进一步的，计算每一备选路径的代价所用的信息还包括该备选路径的拥塞代价C; 备选路径的代价(1^)='\￥1\1'1)(81，8」)+￥2\(3，'\￥1、'\￥2分别为路径时延1' 1)(1(81，8」)和拥塞代价〇 的权值，且W^W2 = 1 ;选取C0(P)值最小的路径为最佳传输路径。 进一步的，所述拥塞代价其中，Bs表示备选路径上数据包的平均速 率，Br表示备选路径上可用带宽的最小值。 进一步的，所述步骤2)中，确定出所述最佳传输路径的方法为： 1)将每一备选路径放入解空间，建立一颗解空间树;将解空间树的根节点加入活 节点表； 2)取活节点表第一个值作为当前扩展节点； 3)比较扩展节点到其所有子节点的链路时延和排队时延，当链路时延或排队时延 超过设定门限值时，就将此子节点舍弃； 4)将链路时延和排队时延都未超过该设定门限值的子节点加入活节点表中； 5)重复步骤2)~4)，直到活节点表为空； 6)根据公式选出一条代价耗费最小的路径，作为所述 最佳传输路径。 进一步的，所述控制器以N个数据包为一个周期，当源端交换机节点S1收到N个该 新数据流的数据包时，进行一次网络状态信息采集。 进一步的，所述网络状态信息包括各交换机节点的队列长度，各队列所有数据流 的集合，各条链路可用带宽，备选路径上数据包的平均速率。进一步的，所述控制器将交换机节点收到的数据包优先放入该交换机节点优先级 最高且未满队列中进行传输。 与现有技术相比，本专利技术的积极效果为： 本专利技术考虑了交换机节点自身队列时延对QoS的影响，能够根据网络状态自适应 调整流的走向，保障了端到端的Q〇S，提高了控制器的全局掌控能力，使网络资源更加均衡。【附图说明】 图1为端到端QoS保障机制系统架构图；图2为本专利技术的端到端QoS机制流程图； 图3为SDN网络拓扑图；图4为队列感知选择机制图；图5为节点Sgljs6的解空间树。【具体实施方式】 下面结合附图对本专利技术进一步详细描述： 一·系统架构刻画 本文提出的基于队列感知的端到端QoS保障机制如图1所示，在图1中，数据平面的 交换机端口上设置多个出速率不同的队列，并有大量的背景流进入不同的队列进行传输， 比如ftp流，视频流等。当新的数据流到达网络时，控制器启动队列感知的QoS保障机制，周 期性的采集网络状态，包括链路状态和实时变化的队列状态等，根据采集到的信息，控制器 估算出端到端所有可选路径的代价，并找出一条代价最小的路径进行新流的传输。最后控 制器将转发路径信息封装成流表项，并通过OpenFlow协议将流表项下发给交换机。新流到 达后，在交换机上与新的流表项匹配成功并进行转发，具体QoS保障机制流程图如图2所示。 本文的端到端QoS的路径代价包括路径时延和路径拥塞，具体来讲，路径时延不仅 包括传统意义上链路产生的时延，还包括交换机节点上队列处产生的排队时延。由于不同 的队列具有不同的出速率的限制，因此数据包在不同队列传输时的排队等待时延可能会不 一样。在本文提出的端到端QoS保障方法中，充分考虑了数据包转发时的排队时延，更精确 的保障了端到端的QoS保障。二.端到端QoS的路径代价 队列感知的端到端QoS路径代价被刻画成两方面的影响，一方面是由于链路带宽 和队列出速率限制引起的路径时延代价，另一方面由于多条路径共享同一条链路引起的拥 塞代价。本部分将分别描述路径时延和拥塞产生的代价。 为了便于理解，首先给出拓扑图和各符号所表示的含义，如表1所示，以下定义满 足s,c:S, .lczS，并且Sm的下一跳相邻节点为Sm+1〇 表1符号表示及含义 2.1路径时延 路径是由一系列链路和节点组成的，当数据包在一定带宽的链路上进行传输时， 会产生传输时延，且数据包经过节点队列时，会产生排队时延。因此路径时延包括路径传输 时延和排队时延。由以上各符号的定义可知： Tp( Si，Sj ) =Tpt ( Si，Sj )+Tpq( Si，Sj ) (I)下面2.1.1.和2.1.2将分别具体介绍路径传输时延和排队时延的计算方法。 2.1.1传输时延众所周知，路径是由多条链路组成，每条链路都存在链路传输时延，链路时延可用 数据包大小M与每段链路带宽之比表示，将每段链路的带宽大小通过加权有向图的邻接矩 阵表示出来。任意加权有向图的邻接矩阵可表示为：邻接矩阵B中的元素 b1>k表示节点S^sk间链路带宽，0值表示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种SDN网络中端到端QoS保障的方法，其步骤为：1)对于每一到达SDN网络的新数据流，SDN网络控制器周期性的采集网络状态信息；其中，SDN网络中每一交换机节点端口设有Q个出速率不同的队列；每一队列中不同流的数据包到达时间服从参数不同的泊松分布，λj为该新数据流的数据包到达时间泊松分布参数；2)SDN网络控制器根据采集到的网络状态信息计算传输该新数据流的所有备选路径的代价，确定出一最佳传输路径；3)SDN网络控制器将该最佳传输路径信息封装成流表项下发给该SDN网络的交换机节点，交换机节点根据流表项对收到的数据包进行转发；其中，计算每一备选路径的代价所用的信息包括该备选路径的路径时延；所述路径时延包括路径传输时延Tpt(si,sj)和该备选路径的路径排队时延Tpq(si,sj)；该路径排队时延为该备选路径上各链路段的排队时延之和；每一链路段的排队时延Tq(sm,sm+1)为交换机节点端口各队列的排队时延Tqk(sm,sm+1)最小值，即将排队时延最小的队列作为sm节点出端口到下一节点sm+1的传输队列；Tqk(sm,sm+1)表示从sm节点传输到下一节点sm+1时，该新数据流的数据包在sm节点出端口的队列k产生的排队时延，sm和sm+1为一链路段上的两交换机节点，队列k的传输速率为uk、已存在的数据包的长度为Lqk、传输的所有数据流的集合为fqk；当该新数据流的第N个数据包到达sm节点时，队列k的积累长度LqkN=Nλj*(Σλi⋐fqkλi-μk)+Lqk,Tqk(sm,sm+1)=LqkNμk;]]>si为备选路径的源端交换机节点、sj为备选路径的目的端交换机节点。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王鹏，刘延伟，陈鑫，徐震，
申请(专利权)人：中国科学院信息工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11