基于SDN的媒體分發網絡的接入控制研究

摘要：隨著互聯網信息技術的不斷發展，觀看視頻已經成為人們娛樂休閑、獲取信息的一種重要手段，這推動了網絡視頻服務的快速發展。而在激烈的市場競爭形勢下，很多視頻服務供應商都開始基于流媒體技術建構專用的媒體分發網絡，希望可以為用戶提供更加高效、優質的視頻服務，以提高自身競爭力，擴大業務規模。而為了應對網絡狀態不穩定或是網絡擁塞造成的用戶服務質量下降的問題，廠商將軟件定義網絡（SDN）引入網絡系統之中，從路徑選擇以及控制優化兩方面對網絡層視頻流進行了改善。本文將以SDN在媒體分發網絡接入控制中的應用。

關鍵詞：網絡視頻業務;媒體分發網絡;SDN;接入控制

前言

在信息時代下，隨著互聯網的不斷普及，寬帶網絡業務也獲得了迅猛的發展，流媒體技術也在網絡視頻服務領域獲得了廣泛而深入的應用。面對現階段越來越多樣化的流媒體業務，既有網絡系統所存在的弊端和不足逐漸涌現出來，為了更好的應對不斷提高的網絡運營負擔，于是媒體分發網絡應運而生，它引入分布式存儲技術，將分布式設備用于網絡媒體視頻內容的存儲，并通過下層媒體服務器向用戶提供視頻服務，使得媒體視頻業務的響應能力獲得了顯著提升。隨著媒體分發網絡應用范圍的拓展，業界和學術界針對此技術的研究也在不斷深入，當前一個研究熱點就是如何依托有限的系統資源進一步提高媒體分發的效率和服務質量，接入控制是其中的一個重要方向。

1 基于SDN的媒體分發網絡簡述

1.1SDN介紹

在互聯網應用不斷拓展的當下，傳統網絡架構已經無法適應業務拓展的需要，如不能基于用戶的個性化需求進行針對性的定制，不僅如此，視頻流在網絡端點之間不能根據用戶的網絡狀況以及實際需求進行轉發路徑的自由調整，因此從運用商以及終端用戶的角度來講，網絡架構都已經到了必須改革的時間。不同于以往的網絡架構，SDN的創新性特征就是實現了網絡設備控制層和轉發層的分離，這使得網絡管控受到的限制大幅度削弱。

SDN的架構主要由應用層、控制層和基礎設施層構成，其中應用層處于最上部，涵蓋了各類網絡應用和服務業務，主要負責接入控制、流匹配、轉發方案等控制策略的制定。應用層與下層之間的通信主要是通過API接口來實現。控制層處于中間位置，其主要職責是根據應用層傳遞的策略，對各類控制功能進行實現，具體實現途徑為下發流表。基礎設施層處于最下部，包含了各類底層網絡設備，如交換機等，具體功能是進行流表數據處理、轉發以及狀態采集。在系統運行的過程中，底層與控制層之間通過控制數據平面數據接口進行信息交換。

上文所提及到的OpenFlow協議交換機是SDN架構有別于傳統網絡架構的顯著標志，此類交換機與傳統網絡架構中所采用的交換機或路由器之間的區別是OpenFlow交換機只按照流表進行數據的轉發，決策功能則由SDN控制器來實現。在實際運行的過程中，OpenFlow交換機在接收到數據包后，會對本地流表的匹配情況進行判斷，此處可分為兩種情況，若匹配成功則會查詢并轉發目標斷口，反之則將情況反饋到控制層。

OpenFlow協議交換機主要由三部分構成，分別是安全信道、數據流表和OpenFlow協議。其中安全信道的主要功能是架起交換機和SDN控制器相互通信的橋梁，控制器可通過該信道發送指令控制交換機動作，前者則通過該信道進行信息的反饋和請求的發送。數據流表主要包含的是數據包的轉發規則，它是由許多流表項構成的，各個流表項中包含有最詳實的轉發信息，分別對應著具體的操作。流表項的類型有三，分別是匹配字段、計數器和操作，匹配字段是流表項的標識，計算機負責對流表項的信息進行統計，操作則是指匹配成功后所要執行的內容。OpenFlow協議主要用于交換機與SDN控制器之間的通信，處于二者之間的接口部位。

在整個SDN系統架構中，控制器處于核心位置，內部設置有網絡操作系統，主要負責系統的管理和控制決策。SDN控制器決定著網絡數據流的轉發策略，它會根據OpenFlow所接收到的數據包制定轉發策略并下發流表，轉發路徑的選擇是通過交換機上流表項的添加或是修改來達成的。通過SDN控制器可以實現對底層網絡設備情況的動態監控，為上層應用功能的實現提供信息支撐，進而實現全局優化。

1.2基于SDN的媒體分發網絡

基于SDN的媒體分發網絡主要由SDN控制器、流媒體服務器以及可編程存儲路由器三部分構成，在高性能服務器的支撐下，可通過SDN控制器實現對整個網絡的有效管控，實時獲取網絡的運行狀態信息，在此基礎上進行全局優化。可編程存儲路由器所具有的存儲功能使得用戶不再需要向遠距離的邊緣服務器請求資源，可直接從路由器中獲取所需的資源，如此將大幅度的提升資源傳輸的效率，實現網絡視頻服務質量的提升。流媒體服務器則主要是根據可編程存儲路由器所發出的請求進行新資源的分發。

2 基于SDN媒體分發網絡的接入控制研究

結合現有的研究成果來看，最早關于接入控制的研究面向的是有線網絡的服務帶寬問題。在有線網絡系統運行的過程中，系統接入的業務越多，每個業務所占用的服務帶寬也就越少，如此必然會造成服務質量的下降。針對接入控制技術的研究就是為了解決這一問題。接入控制在電路交換電話網絡中的應用實現了對QoS的有效保障，取得了顯著的成效。隨著研究的不斷拓展深入，接入控制逐漸被引入到無線系統中。

就目前來看，傳統媒體分發網絡最常采用的接入控制方法主要有以下幾種，一是基于閾值的接入控制，其優點是構造簡單、便于實現，常用的策略包括安全共享策略、完全區分策略、自適應閾值策略、資源預留策略等。二是隨機優化接入控制，具體是模擬服務系統接入的具體過程，在此基礎上搭建模型，實現對系統動態演化的有效描述，在此基礎上基于策略優化算法改進服務系統接入控制，其優點在于將接入控制策略的精細化程度更高。其中應用最廣泛的就是Markov決策過程，它是將服務系統的接入控制過程建構成MDP模型，根據此模型解決隨機系統的優化問題。但需注意的是，采用MDP方法時可能會面臨一個關鍵性的問題，即維數災，它是指隨著系統規模的不斷擴大，其狀態空間和決策空間也會增大，如此一來最優策略求解的復雜程度也會提升，所需的運算量也更加龐大。與之相比，POMDP僅利用部分可知的觀測信息完成控制優化，其所對應的系統狀態空間和決策空間多相對偏小，最佳策略求解所需的時間也更少，因此實際應用價值更高。上述研究大多是利用可獲取的服務節點容量和負載信息制定接入控制方案，并未考慮到服務節點性能瓶頸或是傳輸鏈路服務資源有限的狀況。因此針對SDN媒體分發網絡的接入控制應轉變思路，充分利用SDN控制器所具有的功能對全網信息進行感知，獲取服務節點資源分配信息、服務狀況信息以及數據傳輸路徑的資源使用情況，作為上層控制決策的依據。

3 結語

綜上所述，基于SDN的媒體分發網絡相較于傳統網絡架構能夠實現網絡視頻服務質量的提升，接入控制作為網絡的重要組成部分，有助于系統資源利用率的提升，優化用戶服務質量。

參考文獻

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作者簡介

鄭宇（1982.5-）男，漢族，廣東廉江人，本科，研究方向：計算機網絡技術。

課題

基于5G背景SDN架構下的層疊網（Overlay）業務優化的研究，課題編號：2020KY35010。