基于SDN的QoS管理機制研究

張靖+舒圣濤+劉翠玲+俞駿豪+李挺

摘 要：隨著互聯網的發展，媒體流的數目逐漸增多。由于受到傳統網絡架構的限制，已經很難對這些流進行靈活控制與管理。SDN的出現為解決此問題提供了新的思路。文章提出了一個基于SDN的QoS管理方案，使用阻塞隊列對不滿足傳輸條件的流進行管理。當有流到達時，首先判斷是否有滿足流約束條件的路徑。如果擁有，控制器下發流表進行流的傳輸；如果沒有，控制器將流加入阻塞隊列。當有流完成傳輸時，控制器及時調度阻塞隊列中的流。文章對方案進行了優化，為QoS流選擇路徑時增加了時延抖動參數，能夠排除一些時延不穩定的路徑，及時對流進行調度，增加了鏈路資源的利用率。

關鍵詞：SDN；QoS；網絡；優化

當前網絡中充斥著各種類型的流量，有E-mail，ftp，WebTV等。這些不同類型的流對鏈路質量有不同的要求，例如，ftp有比較大的帶寬需求，而WebTV需要較小時延的鏈路進行傳輸，相對于E-mail這種對鏈路質量沒有要求的流來說，對媒體流的管理要復雜得多。

由于傳統網絡的分布式結構，傳統網絡下的QoS架構只能在小規模的網絡中使用，沒有一個全局的網絡視圖，導致了資源的浪費，缺乏靈活性與高成本也是其主要的缺點。軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN ）架構的出現，為解決QoS問題提供了一個新的思路。在本文中，提出了SDN機制下的QoS解決方案，通過增加阻塞隊列提高鏈路資源利用率，減少QoS流對其他流的影響。在此基礎上增加了時延抖動參數，提高控制器選擇路徑的可靠性。主要實現方法總結如下：（1）在選擇QoS路徑時，增加了時延抖動參數；（2）使用流的阻塞隊列對流進行管理。

1 Qos架構的現狀

近幾年已經有研究者對SDN機制下的QoS架構進行了研究，與傳統的QoS架構進行優化，提出了一個模型。它將QoS流分為3種類型。（1）QoS level-1：最高優先級流量，對此類流量進行動態路由。（2）QoS leve-2：次優先級流量，在對最高級流量動態路由后，對此類流量進行動態路由。（3）Best-effort：最低優先級流量，對于此類流量不進行動態路由，只根據最短路徑傳輸[7]。

雖然利用SDN實現了動態的QoS路由，但是沒有一個實時的測量模塊來獲得鏈路的狀態。提出了QoF架構，在此架構中，增加了實時測量模塊且實驗結果表明其能夠實現對鏈路信息的收集[8]。但是這些都是對QoS流進行單路徑的傳輸。HiQoS改進了Dijkstra算法，生成多條路徑，以實現在鏈路發生故障時能夠進行快速切換[9]。但HiQoS主要是把鏈路帶寬作為QoS選路的主要指標，這顯然是不夠的。增加了鏈路的實時往返時間參數，提出使用r=a*（B0/B）+b*（T0/T）+c*（L0/L）來為QoS流選擇最佳路徑[10]。雖然它在一定程度上能為某一種類型的流提供QoS服務，但對于大規模運用是不切實際的，因為對a，b，c 3個參數的選擇是困難的。

上述幾種方案都在一定程度上解決了傳統網絡架構下的QoS問題，但是它們都沒有考慮時延抖動參數以及缺乏對因為沒有鏈路資源而被阻塞流的有效管理。在本文中加入了時延抖動參數以及阻塞隊列，不僅能夠提高被選擇路徑的可靠性，還能提高鏈路的資源利用率，也有效地減少了QoS流對非QoS流傳輸的影響。

2 QoS管理機制的實現

QoS管理機制的實現主要分為兩個部分：改進Dijkstra算法、增加流的阻塞隊列。在對QoS流進行選路時，時延抖動是個重要的因素。如果不考慮時延抖動將會導致選擇的路徑不是最優、甚至不符合約束條件。例如，如圖1所示為一個SDN控制器控制4個交換機的拓撲。從拓撲圖中可以發現從主機h1到h2有兩條路徑：s1→s2→s4，s1→s3→s4。假設主機h1到h2的流為QoS流，約束條件為時延小于60 ms。T1時刻SDN控制器測得的時延：s1→s2→s4為45 ms，s1→s3→s4為58 ms；T2時刻SDN控制器測得的時延為：s1→s2→s4為43 ms，s1→s3→s4為40ms；假設主機h1到h2的流是在T2時刻到達，如果不考慮時延抖動參數，那么s1→s3→s4為最優路徑。但是由于s1→s3→s4路徑時延不穩定，抖動相對較大，它并不是一個最優的路徑。甚至到下個測量周期，它的延遲可能會超過60 ms，那么被選中的路徑將是不符合約束條件的路徑，所以它是不可靠的。

通過以上例子，可以發現抖動參數對于路徑的選擇是非常重要的。而在以前的方案中，使用Dijkstra算法計算時延最小路徑，選取下一個節點時總是選擇標記點之外距離源點時延最小的點，它并沒有將時延抖動參數考慮進去。改進了以前的方案，在對下一點的選取中加入時延抖動參數，分為以下兩種情況：（1）若源點到某一節點的路徑在最近一段時間內的最大時延小于其他點的最小時延，則源點到該節點的路徑是絕對最小時延路徑，選取該節點作為被選取的節點。若不存在上述情況，則說明沒有源點到哪一節點在最近一段時間是時延最小的路徑。當出現這種情況時，使用（2）方法來選取一個源點到該節點時延較小且穩定的節點。（2）計算源點到所有未被標記節點的路徑當前時延t與最近一段時間的時延抖動平均值m的和t+m，選取t+m最小的路徑所對應的節點。具體過程如圖2所示。

當前網絡中，網絡的資源都很有限。很多情況下，請求傳輸的流不一定都能被控制器分配路徑，這樣對于一個QoS架構來說，對阻塞流的管理是必不可少的。本文提出了使用阻塞隊列對等待的流進行管理。在本文中有兩個阻塞隊列，一個是QoS流的阻塞隊列，另一個是非QoS流的阻塞隊列。當有流到達時，如果當前鏈路中沒有可供其使用的鏈路資源，則流將被加入到對應的隊列等待調度。當控制器接收到交換機的流表超時被刪除的消息時，按照優先級先調度QoS流阻塞隊列中的流，然后調度非QoS流阻塞隊列中的流進行傳輸。這樣及時對流進行調度，不僅能夠增加鏈路的使用率，而且能夠減小對非Qos流的影響。其具體實現如圖3所示。endprint

3 結語

在本文中，提出了一個基于SDN的QoS管理機制。改進了Dijkstra算法，在用Dijkstra算法進行路徑選擇時，增加時延抖動參數選擇時延較小且穩定的鏈路，解決了由于時延抖動而帶來的被選擇路徑不可靠的問題。為了管理因為沒有鏈路資源而等待的流，增加了流的阻塞隊列，通過SDN控制器的全局視圖以及交換機的消息反饋對流進行實時調度。

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[5]羅宣，黃保青，韋建文.上海交通大學：面向數據中心的軟件定義網絡[J].中國教育網絡，2013（8）：24-27.

Abstract：With the development of the Internet， the number of media streams is increasing. Due to the limitations of traditional network architectures， it is difficult to control and manage these popular agility. The emergence of SDN provides a new way to solve this problem. In this paper， a SDN based QoS management scheme is proposed that uses congestion queues to manage flows that do not meet transmission conditions. When a stream arrives， first determine whether there is a path that satisfies the flow constraint. If owned， the controller sends the flow to the flow table. If not， the controller adds the flow to the blocking queue. When a stream completes the transmission， the controller can schedule the flow in the blocking queue in a timely manner. In this paper， the scheme is optimized， and the delay jitter parameter is added to the QoS flow selection path， and some delay unstable paths can be eliminated. And scheduling in time， increasing the utilization of link resources.

Key words：software defined network； QoS； network； optimizationendprint