支持可定制QoS服務的SDN北向接口設計與實現

趙 云，李 莉，沈蘇彬

(南京郵電大學 計算機學院，江蘇 南京 210003)

支持可定制QoS服務的SDN北向接口設計與實現

趙 云，李 莉，沈蘇彬

(南京郵電大學 計算機學院，江蘇 南京 210003)

軟件定義聯網(SDN)和傳統網絡的區別在于將傳統網絡設備的轉發層和控制層相分離，網絡設備的控制功能都集中到了控制器中，轉發功能則完全保留在設備之中。SDN分為三個層次：數據層、控制層和應用層。北向接口位于應用層和控制層之間，其作用是向上層應用開放網絡能力，具備開放性、便捷性、靈活性等特性。針對上層應用對網絡能力的定制化需求，提出一種支持QoS服務可定制的北向接口的設計方案，描述了接口的外部形式和內部功能模型并基于該方案實現了一個提供帶寬和優先級可定制服務的北向接口。在SDN實驗網絡中對接口進行了測試，測試結果表明該方案能夠達到預期目標。

軟件定義聯網；服務質量可定制；北向接口；OpenFlow

0 引 言

近年來，隨著互聯網的廣泛應用和普及，云計算、物聯網、移動互聯網等新技術也逐漸從發展走向成熟，多樣化的網絡業務和基礎資源能力等問題的需求和發展給數據中心的安全、擴展、管理等問題提出新的要求[1]。軟件定義聯網(SDN)是由美國斯坦福大學Clean slate研究組提出的一種新型網絡架構，它是為了解決無法利用現有網絡中的大規模真實流量和豐富應用進行實驗而設計的。通過SDN可以更加方便地研究及改善網絡的傳輸性、可靠性、安全性等問題。SDN體系架構的使用成為當前解決網絡問題的新方向，因此在研究和生產領域得到深入的研究和應用[2]。

文獻[3]指出軟件定義網絡提供了一種全新的不同于傳統網絡的網絡架構，通過將傳統網絡的數據層面與控制層面進行解耦，用戶可以根據自身需求編程實現所需的服務。SDN控制器為用戶提供了多種可編程接口，用戶也可以在控制器中開發新的可編程接口，用戶可以按照自身需求選擇控制器提供的這些可編程接口編寫相應的應用軟件。最終，控制器根據策略向數據層發送流表來實現該應用。SDN所提供的可編程服務方式，可以讓用戶按需操作，使得SDN更能夠適應多樣化的需求，這也體現了SDN控制層面與數據層面分離的優勢。

根據上述介紹了解到，SDN是一種數據轉發和網絡控制相分離的體系結構，可以按需對網絡資源進行編排以實現相關服務。那么，如何向上層應用提供定制化的網絡服務呢?針對這一問題，文中討論了服務定制的形式和流程，提出一種支持服務定制的北向接口設計方案，并基于QoS策略實現了一個支持帶寬和優先級定制的北向接口。

1 SDN簡介

1.1 SDN定義

SDN[4]是一種通過解耦傳統網絡設備的控制層和轉發層，將設備轉發功能保存在網絡設備中，將設備的控制功能集中到控制器中進行統一控制的新型網絡技術。

1.2 SDN架構

文獻[5]指出ONF提出了三層的SDN網絡架構，如圖1所示。

圖1 SDN網絡架構圖

該SDN架構分為三層，最上層為應用層，包括各種不同的業務和應用；中間是負責處理資源配置、監測網絡狀態信息的控制層；最下層的數據層負責處理、轉發數據和收集數據狀態。在該三層網絡架構中，控制層與數據層之間的接口(南向接口)和應用層與控制層之間的接口(北向接口)也是架構的兩個重要組成部分。

SDN南向接口的主要功能是實現網絡資源的虛擬化，這一功能是通過屏蔽底層物理轉發設備的差異實現的。SDN北向接口的主要作用是調用網絡資源供上層業務使用。管理者和用戶通過北向接口調用控制器對外開放的網絡能力，按需進行網絡配置，更好地為上層應用或業務提供服務[6]。

2 SDN北向接口的作用及分類

2.1 SDN北向接口的作用

不同于傳統網絡中按照實際需求逐臺配置硬件設備以實現網絡應用，SDN網絡中的應用是以軟件程序的形式實現的，這些應用與控制器一起部署在服務器上，通過調用控制器的北向接口(介于控制層和應用層之間的可編程接口)獲得其提供的流量模式、應用數據等信息并對其進行辨別和判斷，進而通過控制器下發指令調整網絡配置[7]。用戶可以通過SDN北向接口便捷調用控制器對外開放的網絡能力這一優勢，便捷地開發新的應用和業務。

2.2 SDN北向接口的分類

SDN北向接口具有便捷地調用SDN控制器對外開放網絡能力的功能并且具備開放性、便捷性、靈活性等特性。文獻[8]根據接口特性將北向接口分為三種類型，分別是強耦合接口、松耦合接口以及基于狀態的功能接口。

(1)強耦合接口主要分為進程內接口和進程間接口這兩種接口，它們的區別在于：前者由控制器提供且用于控制器內編程，后者由控制器的外部設備提供且用于與控制器通信。

(2)松耦合接口和前面提到的進程間接口都是由控制器外部設備提供的且都用于控制器通信。松耦合接口通信的方式不同于進程間接口，它是以松耦合的方式進行通信的，既不需要立即響應也不需要同步出現。

(3)基于狀態的功能接口主要的功能是處理狀態，該功能通過設置和讀取狀態以及發出狀態改變通知來實現。該接口提供了一系列的功能供編程使用，但是該接口并不是通過過程調用來使用的，而是通過狀態改變來實現的。

通過上述北向接口的三種分類，可以清楚地認識到北向接口的多樣性,因此可以利用北向接口功能的多樣性定制出多樣性的上層應用和業務。

3 可定制服務應用接口

3.1 可定制服務應用接口設計背景

在實際的網絡應用中，網絡業務具有多樣性等特點，因此對于實際的網絡服務質量需求也存在差異。視頻會議等對實時性要求較高的業務通常要求較高的處理優先級且對帶寬要求也較高；文件傳輸等業務對網絡實時性要求不高，但需保證其可靠傳輸，控制丟包率等。根據這種不同業務必須具備不同服務質量需求的情況，文中將根據SDN網絡中的網絡業務應用需求，設計出適用于基本QoS服務[9](QoS參數包括可用性、吞吐量、時延、抖動和丟失等)的可定制QoS服務。

3.2 可定制服務應用接口的設計方案

從網絡業務應用需求出發，結合控制器的基本功能，設計可定制QoS服務的應用層開放接口,主要分為八個模塊：安全服務、拓撲管理、鏈路發現、設備管理、路由管理、策略制定、定制服務和流表下發。策略制定是接口的核心部分，該部分主要負責判斷用戶選擇和制定相應的策略；安全服務負責保護接口的安全；拓撲管理和鏈路發現被調用以實現網絡狀態的信息收集，其中拓撲管理也在網絡中尋找路由；設備管理則負責解析源設備和目的設備的接合點；路由管理則負責解析源、目的設備之間的路由；定制服務則負責制定QoS相關服務(不管定制何種服務，該模塊始終用于定制服務)；流表下發則負責根據策略制定的源、目的地址下發流表。

總的來說，就是用戶通過調用策略制定的服務完成應用邏輯到流表的轉換。可定制QoS服務應用接口設計圖如圖2所示。

圖2 可定制QoS服務應用接口設計圖

圖2是一個可定制QoS服務應用接口設計圖，設備管理、路由管理、鏈路發現和拓撲管理是對底層設備信息進行監測和統計的技術；策略制定和流表下發是通過控制器對網絡設備進行統一控制的技術；定制服務是針對用戶需求制定的QoS相關服務；安全服務是針對可定制服務應用接口所提供的安全服務。

3.3 可定制服務應用接口工作流程

針對可定制QoS服務應用接口的一般工作流程主要可以分為三個部分：定制服務、策略制定和流表下發。具體實現如圖3所示。

圖3 可定制QoS服務應用接口工作流程

(1)定制服務：按照可定制QoS服務的要求，針對具體服務進行可定制，根據相應的策略制定下發相應的流表。

(2)策略制定：更好地實現了網絡自動化和編排，根據上層應用的服務需求制定相應的策略。

(3)流表下發：調用策略制定將應用轉發邏輯轉化為流表，然后使用流表下發服務將流表交付給對應SDN交換機，按照流表的規則進行轉發。

3.4 可定制服務應用接口的一般實現

可定制服務應用接口的各模塊功能實現如下：

(1)Device Manager(設備管理)模塊：通過調用設備管理模塊的接口解析源地址(sourceSwitch,sourcePort)和目的地址(destSwitch,destPort)。

(2)Topology(拓撲管理)模塊：通過調用拓撲管理模塊的接口并根據設備管理模塊解析出來的源、目的地址解析出源、目的之間的路由。

(3)Flow(流表下發)模塊：通過調用流表下發模塊接口依據策略下發流表。

(4)Link Discovery(鏈路發現)模塊：該模塊通過發現端口狀態的改變來改變拓撲。

(5)Routing(路由管理)模塊：該模塊提供源、目的之間的路由。

(6)Security(安全服務)模塊：該模塊向應用接口提供安全服務，以保障應用接口的安全。

(7)Policy(策略制定)模塊：該模塊提供相應的可定制QoS服務策略。

4 基于SDN的網絡帶寬及服務優先級可定制服務應用

在多媒體領域，多媒體業務復雜多樣，業務要求不同，對于業務服務質量的需求也不同，例如視頻服務對于帶寬的需求要高于文件傳輸服務，實時服務對于網絡服務的優先級需求要高于非實時服務等。

文中將以應用服務的網絡帶寬和優先級可定制為例，利用SDN的集中控制和可定制服務接口的靈活定制，實現SDN網絡中傳輸帶寬和優先級的可定制服務。依據用戶在使用應用服務時，對傳輸帶寬和服務優先級的不同需求，設計能夠由用戶定制網絡帶寬和服務優先級的可定制服務接口。通過調用該接口，用戶可以根據自己的需求對于不同的應用服務定制不同的帶寬(通過限制最大帶寬和最小帶寬來實現)和服務優先級(服務進程優先級)，充分體現出SDN網絡集中化控制的優勢及北向接口定制的靈活性。

4.1 需求描述

多媒體傳輸應用場景下的QoS可定制服務表現為帶寬、時延等可定制服務，文中主要描述網絡帶寬及服務優先級的可定制。SDN網絡根據用戶定制需求為用戶提供相應的網絡帶寬及服務優先級。為此以圖2所描述的可定制QoS服務應用接口設計圖為模板，結合實際需求，確定帶寬和服務優先級可定制服務的接口需要提供網絡帶寬及服務優先級選擇策略、設備管理、路由管理、流表下發等功能。

4.2 系統實現

通過分析文中設計的可定制服務應用接口方案并結合Floodlight控制器[10]的可編程接口及OpenvSwitch交換機的實現技術以實現網絡帶寬及服務優先級可定制的應用。

(1)確定可定制應用的網絡服務信息。

①隊列的帶寬設置及OpenFlow流表項的優先級設置；

②確定源、目的主機的接合點及物理位置的數據信息；

③源、目的主機對應接合點之間的路由；

④源主機到目的主機之間路由上所有交換機部署流量信息的服務。

(2)選擇能夠滿足服務需求的REST API。

①/wm/device/發現每個設備的接合點；

②/wm/topology/route/發現源主機和目的主機之間的路由；

③/wm/policy/qos/json下發帶寬選擇及流表項優先級策略；

④/wm/staticflowentrypusher/json在每個交換機上部署流表項。

(3)應用設計。

①選擇python作為編程語言；

②使用os.popen發送curl命令用于調用REST API；

③使用/wm/device解析與主機相接合的交換機的端口信息；

④使用/vm/topology/route返回源、目的主機間的路由信息；

⑤使用/wm/policy/qos/json下發帶寬選擇策略及流表項優先級策略；

⑥使用/wm/staticflowentrypusher/json下發流表。

(4)代碼實現。

①設置帶寬隊列并通過ovs-vsctl將帶寬加于數據包流上。

以實驗為例，為驗證帶寬的可定制性，可以設置多個帶寬隊列對其進行選擇，如設置queue0帶寬200 Mbps、queue1帶寬20 Mbps、queue2帶寬2 Mbps等。

②應用層制定帶寬及服務優先級可定制策略。

應用層選擇應用服務所需帶寬隊列(通過選擇相應帶寬隊列實現)及設置服務優先級(通過設置OpenFlow流表項中VLAN Priority的值實現)。

③解析源、目的主機接合點。

通過http://%s/wm/device/?ipv4=%s調用設備管理接口，解析源、目的主機接合點。

④解析源目路由。

通過http://%s/wm/topology/route/%s/%s/%s/%s/json調用路由接口，檢索源、目的節點之間的路由。

⑤下發流表。

通過http://%s/wm/staticflowpusher/json調用staticflowpusher接口下發具有相應帶寬隊列及相應VLAN Priority值的流表。

5 實驗分析及驗證

5.1 相關技術

5.1.1 Floodlight API

北向接口的設計思路之一是開發一套遵循REST風格的網絡API，其實質是以控制器作為服務器，上層應用通過HTTP請求的方式獲取網絡資源或能力。在Floodlight控制器中，REST風格的API從資源的角度觀察整個網絡，由URI確定分布在網絡中的資源，上層應用通過URI獲取資源[11]。

5.1.2 QoS技術

QoS(Quality of Service，服務質量)指網絡利用各種基礎技術，為指定的網絡通信提供更好的服務能力的一種技術，主要用來解決網絡延遲和阻塞等問題[12]。為滿足用戶對不同應用不同服務質量的要求，需要網絡能根據用戶的要求分配和調度資源，對不同的數據流提供不同的服務質量。

5.1.3 Mininet

Mininet[13]是一個很強大的網絡仿真平臺，可以通過這個平臺方便地模擬真實的網絡環境和操作。當前SDN發展迅速，但是在真實網絡中很難進行相關的網絡實驗，因此需要借助Mininet仿真平臺對這種新型的網絡架構進行實驗操作。

5.1.4 OpenvSwitch

OpenvSwitch[14]是一個多層虛擬交換機，它可以通過編程擴展來實現大規模網絡的自動化。OpenvSwitch的主要作用是傳遞虛擬機之間的流量以及實現虛擬機和外部網絡的通信。

5.2 方案測試及分析

1)測試環境搭建。

實驗網絡由控制器、OpenvSwitch交換機、客戶主機這三部分組成，通過Floodlight和Mininet搭建實驗環境(4臺主機、4個OpenvSwitch交換機和1個Floodlight控制器組成)，實驗網絡拓撲如圖4所示。

2)接口測試用例。

通過源、目的主機和策略的選擇驗證接口功能是否符合預期要求，設計接口測試用例：

(1)應用服務的帶寬可定制。

設置五種帶寬策略,即隊列queue0-10 Mbps,queue1-20 Mbps,queue2-30 Mbps,queue3-40 Mbps和queue4-50 Mbps，通過可定制QoS服務應用接口依次為視頻服務(在Floodlight控制器中說明了Protocol=“4b”是Packet_Video流量，通過設置Protocol為4b模擬視頻服務)選擇不同的帶寬策略，以主機h1作為服務端運行Iperf，主機h2作為客戶端運行Iperf，記錄每次選擇的隊列帶寬和實際測量的帶寬。

圖4 實驗網絡拓撲圖

(2)應用服務的優先級可定制。

選擇兩種不同類型的應用服務(在Floodlight控制器中說明了Protocol=“06”是TCP流量，Protocol=“17”是UDP流量，因此分別設置兩種服務為TCP服務和UDP服務)，通過QoS服務應用接口為兩種應用服務設置不同的優先級策略(TCP服務的優先級策略設置為2，UDP服務的優先級策略設置為6)。通過查詢兩種服務策略下發的流表優先級來驗證是否具備服務優先級可定制的功能。

3)接口測試結果。

測試1：調用應用接口將不同的隊列策略下發給控制器，然后以h1作為服務端運行Iperf，h2作為客戶端運行Iperf，客戶端向服務端發送數據并依次選擇帶寬策略。最后將Iperf工具記錄的帶寬和隊列帶寬進行比較，帶寬測試如圖5所示。

圖5 帶寬測試圖

測試2：通過調用應用接口設置不同的協議(TCP和UDP)表示不同類型的服務，對于不同服務設置不同的優先級，保持其他內容不變，下發優先級策略給控制器。當下發策略后，策略會生成相應的流表，兩種服務優先級策略通過流表顯示,如圖6所示。

“networkProtocol”:6,“networkSource”:”0.0.0.0”,“networkSourceMaskLen”:0,“networkTypeofService”:0,“transportDestination”:0,“transportSource”:0,“wildcards”:4194254},“command”:0,“outPort”:-1,“actions”:[{“maxLength”:32767,“port”:1,“lengthU”:8,“type”:”OUTPUT”}],“priority”:2,“networkProtocol”:17,“networkSource”:”0.0.0.0”,“networkSourceMaskLen”:0,“networkTypeofService”:0,“transportDestination”:0,“transportSource”:0,“wildcards”:4194254},“command”:0,“outPort”:-1,“actions”:[{“maxLength”:32767,“port”:1,“lengthU”:8,“type”:”OUTPUT”}],“priority”:6,

圖6 TCP和UDP服務優先級定制流表圖

4)實驗結果分析。

從上述實驗可以看出，當用戶選擇不同的帶寬時，帶寬應用接口為用戶提供實時選擇帶寬且傳輸帶寬會圍繞著指定的帶寬有較小偏差的浮動。當用戶選擇不同的優先級時，該策略下發到控制器中。實驗結果表明，利用SDN網絡對全局的掌握能力，可以向接口提供不同參數以獲得定制化QoS服務，最終滿足用戶定制化的需求。

6 結束語

隨著SDN的發展，網絡越來越智能化，上層應用對網絡能力的定制化需求日益增加。文中提出一種支持可定制QoS服務的北向接口的設計方案，并基于該方案實現了一個提供帶寬和優先級定制服務的北向接口。經實際測試，以此模型為驅動，可以支持定制化的QoS服務。

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Design and Implementation of SDN Northbound Interface for Customizable Services of QoS

ZHAO Yun，LI Li，SHEN Su-bin

(School of Computer,Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003,China)

SDN is different from the traditional network in that it decouples the control layer from the forwarding layer.Control functions are centralized at a controller and the underlying hardware only contains forwarding functions.SDN is composed of three layers:the data layer,control layer and the application layer.The interface between the application layer and the control layer is called Northbound Interface (NBI)，which opens the network abilities and possesses sufficient openness,convenience,and flexibility.For the customization demand of upper application for network capacity,a design plan of the NBI is proposed which supports for customizing QoS services.To provide customization to better meet applications’ needs,a design of northbound interface for customizable QoS services is put forward.A high-level API specification and functional model is described.A bandwidth-and-priority-based QoS service is implemented according to the specification.A prototype system is built on an SDN test bed,and the result shows that it can achieve the expected goal.

Software-Defined Networking;customizable QoS;Northbound;OpenFlow

2016-01-15

2016-04-21

時間：2016-10-24

江蘇省未來網絡前瞻性研究資助項目(BY2013095-1-08)

趙 云(1989-)，女，碩士研究生，研究方向為計算機網絡；沈蘇彬，研究員，博導，研究方向為計算網絡、下一代電信網以及網絡安全。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20161024.1114.044.html

TP393

A

1673-629X(2016)11-0182-06

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.11.040