SDN網絡中QoS機制的研究與實現

高 麗

（蘭州石化職業技術大學 甘肅 蘭州 730060）

0 引言

網絡技術的快速發展，為用戶提供的各種服務和新型網絡應用，需要定義良好的網絡服務（Quality of Service，QoS）機制與策略。大多數的傳統網絡的QoS機制，只是“盡力而為”交付，不會為某一業務帶寬提供單獨的保障，使得關鍵性的業務不能正常運行，所以在提供QoS支持方面并不成功。由于新型業務的多元化，不能滿足各種新的服務質量與要求。因此，SDN（Software Defined Network）網絡被提出，該網絡體系結構基于控制和轉發相分離，實現用戶對網絡數據進行編程控制。同時支持OpenFlow的SDN網絡，可以動態地優化流程管理和資源，使得按流（per-flow)或應用程序級QoS的設置變得更加容易和可行。

SDN架構和定義不是固定的，通過網絡虛擬化抽象，網絡設備集中控制，提升網絡性能；更重要的是SDN網絡的編程功能改變了偏重于靜態和部署配置、維護困難的傳統網絡，實時地優化網絡技術和性能。利用SDN集中控制的特點，通過集中控制器發布所有的QoS策略，繼而完成對所有網絡設備及全網流量的集中管控，這樣不但靈活選擇了QoS服務策略，而且為QoS策略的一致性提供保障。基于SDN的優勢及QoS機制需求的提升，SDN技術很大程度上成功地吸引了企業公司、教育領域、數據中心和服務提供商的注意，同時將其部署到自己的網絡中進行實踐應用。其中，Google的專用WAN（B4）連接了全球各個位置的Google數據中心，這是大規模網絡中采用SDN的示例之一[1]。

SDN的廣泛應用，在學術界和工業界得到了認同和研究，但是對SDN的QoS機制研究沒有系統性的描述和廣泛的實踐。本文分析歸納SDN實現QoS的方案并實現QoS策略的部署，為研究者提供參考。

1 SDN網絡及其架構

1.1 SDN的分層架構

SDN網絡架構基于分層的設計思想，將數據與控制相分離并具有可編程性，該架構將網絡設備轉移到外部計算設備，使得底層的基礎設施對于應用層和網絡服務來說就是透明的、抽象的。SDN架構主要由3層構成，自頂向下分別為應用程序層（Application Layer）、控制層（Control Layer）、轉發層(Infrastructure Layer)。

基于SDN的三層架構，基于OpenFlow將網絡設備的控制平面和數據平面相互分離，控制平面（控制層）由一個或多個SDN控制器(SDN controller)組成，是網絡的“大腦”，通過南向接口協議進行底層網絡設備進行集中管理、轉發決策及處理數據平面的流量，并通過北向接口為向上層業務應用及資源管理提供靈活的可編程能力。數據平面(基礎設施層)與傳統的數據平面是一致的，它的優勢首先在于數據拆封和解析、數據轉發調度等包處理模塊都是可編程，與協議無關；其次，傳統網絡設備中的二層或三層轉發表都抽象成流表。該平面包含一些用來轉發和處理數據的邏輯網絡設備，它是網絡單元(Network element)中的一個SDN。

1.2 SDN的優化技術

SDN網絡性能優化可按照體系架構層大致劃分為控制平面的優化技術和數據平面的數據轉發性能優化技術。控制平面是整個SDN體系結構的控制中心，負責維護全網狀態信息，生成全網視圖，根據全網視圖制定并下發數據轉發規則。它的性能對整個SDN網絡的性能起著決定性作用。然而基于數據平面轉發設備數量增多的發展趨勢以及流控制力度細化和控制平面的管控功能復雜化的現狀，控制平面的性能優化勢在必行。數據平面是SDN三層網絡結構的最底層。OpenFlow交換機作為SDN數據平面的轉發設備，依據控制平面下發的規則，采用流表結構進行數據包的轉發。

SDN為網絡提供了一種集中控制和對數據流細粒度管理的模型[2]，帶來了極大的靈活性和可編程能力，打破了原來網絡封閉的體系架構模型，為網絡創新注入強大的動力。

2 SDN網絡中的QoS機制

隨著SDN網絡的深入部署應用，SDN的服務質量QoS保障路由成為新的研究熱點，SDN網絡中QoS路由服務靈活可選，充分利用全網資源，高效實現帶寬分配，保障用戶服務質量。同時可利用集中控制管理QoS參數設置，一方面可以實現自動化的流量帶寬配置，從而簡化網絡QoS管理的復雜程度；另一方面集中下發QoS策略，使得無論是用戶還是管理員的策略都是一致的，解決了策略不一致的問題。基于SDN中QoS的優勢，通過編程的方法，控制器獲取底層網絡的實時通信狀態和網絡流量問題，以閉環的形式設計網絡路由，促進更加精確和高效地實施QoS路由方案[3]。

2.1 OpenFlow協議中的QoS

盡管SDN和OpenFlow耦合支持一些有限的QoS功能，但與傳統架構相比，它允許我們以一種可伸縮、更靈活、細粒度更高的方式獲得per-flow的QoS控制[4]。Openflow由一個或者多個流表（flow table）和一個組表（group table）組成。流表的表項包括網絡對各個層次的網絡配置信息，有3個表項：（1）匹配（包頭域）：使用ingress port、packet header以及前一個flow table傳遞過來的metadata進行匹配；（2）計數：用于統計數據流量相關信息，可以針對交換機中的每張表、每個數據流、每個設備端口或每個轉發隊列進行維護；（3）動作：交換機在收到匹配數據包后如何對其進行處理。OpenFlow協議各個版本的演進過程中加大OpenFlow的標準化力度[5]，在OpenFlow規范的不同版本中改進添加了與QoS相關的特性，OpenFlow各個協議版本的演進、變化及對QoS的支持程度：OpenFlow1.0中具有enqueue可選操作、支持單表和IPv4的功能；OpenFlow1.1中執行MPLS和VLAN、具有多表和支持group的功能；OpenFlow1.2中增加最大速率隊列支持、支持IPv6技術和多控制器；OpenFlow1.3中引入了Meter表、增加IPv6擴展頭、輔助鏈接的功能，實現豐富的QoS功能；OpenFlow1.4中提供了流監控框架和流表同步機制；OpenFlow1.5中可以將多個Meter連接到一個流表項。目前，支持最多和使用頻率最高的是OpenFlow1.3。

2.2 SDN控制器中的QoS

目前，SDN中包含成熟的開放源碼SDN控制器[6]，種類繁多，這些控制器都支持QoS，表1列出了各種控制器，并說明了它們的特性。

表1 SDN控制器

OpenDayLight是一個社區主導的開源控制器平臺。它是Linux基金會的協作項目，支持SDN的使用。其中PCMM(Packet Cable Multi Media)插件為DOCSIS基礎設施提供基于流的動態QoS，它是在2015年6月的ODL-Lithium發布會上發布的，是另一個南向接口的插件。分組電纜多媒體（PCMM）為CMTS網絡元素提供了控制和管理服務流的接口。

ONOS(Open Network Operating System，開放網絡操作系統)是一個分布式SDN網絡控制平臺，旨在為服務提供商提高網絡的可伸縮性和可用性。目前ONOS具有有限的QoS支持。它支持OpenFlow計量機制，但是這個特性很少在現有的交換機中實現。這種支持背后的思想是基于ONOS中OpenFlow集合隊列功能的實現。作為ONOS中另一個QoS支持改進嘗試，在org.onosproject.net.flow.instructions庫中實現了一個新的高級指令asetqueueinstruction，并對ONOS庫中相應的引用進行了相應的修改。

Floodlight是另一個基于Java的開源SDN控制器，為Floodlight控制器實施的QoS模塊旨在提供一種應用程序，該應用程序負責進行QoS的匹配、分類、流插入、流刪除和策略處理等工作。該模塊利用OpenFlow 1.0 enqueue操作和網絡流量的fos位。它控制跟蹤和存儲帶有DSCP值的服務，為服務類應用策略，以及在交換機中跟蹤策略。QueuePusher擴展利用與Floodlight的北向API集成的pvsDB協議來生成適當的隊列配置消息。

3 基于隊列限速的QoS 策略部署

在網絡傳輸過程中，有一些現象如隊列中某些數據包的順序可能比隊列中位于它們前面的其他數據包具有更高的優先級、業務帶寬最低保障等，這樣就需要對網絡流量部署服務質量保障策略，限流就是QoS策略的一種，本文通過Mininet平臺+rye控制器實現基于OpenFlow協議的SDN網絡中QoS管理服務的部署，實現TCP流量的限流控制，滿足最小保障的隊列。

3.1 創建拓撲

為了測試網絡流量控制的性能，使用Miniedit或Python語言創建拓撲，其中rye和OVS為運行OpenFlow網絡的控制器和交換機，OVS作為服務集群，與控制器直接相連接。h1和h2分別與OVS的eth1、eth2端口連接。設置選擇OpenFlow版本為1.3；控制器c0的控制模式為Remote Controller；交換機s1的DPID號為0000000000000001，交換機類型為Open switch Kernel Mode；終端h1、h2的IP地址分別為10.0.0.1和10.0.0.2。

3.2 創建隊列

數據包隊列是網絡棧的核心部件[7]，實現了異步模塊之間的通信，提升網絡的性能。在OVS的數據表中主要包括QoS和Queue兩個表，主要設置情況如下。

（1）將OVS組建的類型設置為openvswitch交換機；對交換機S1的接口s1-eth2進行QoS設置：創建類型為Linuxhib的隊列q0、q1；設置參數：限制總帶寬為10 Mbps，隊列q0的帶寬最大5 Mbps；隊列q1帶寬最小1 Mbps。

（2）通過命令pvs-vsctl list queue、pvs-vsctl list qos查看端口的隊列信息和網卡s1-eth2上的QoS信息。

3.3 設置交換機的轉發規則

流表由控制器生成和維護，pvs交換機按照流表進行轉發數據，使用以下命令在ovs交換機上添加流表floatable，見圖1。

3.4 使用iperf測試帶寬

iperf是一款網絡帶寬測試工具，它的原理是由客戶端和服務器端組成，客戶端負責發送流量，服務器端開啟監聽，檢測出流量的大小。其中h1為服務器，h2為客戶端進行TCP打包，然后加入QoS策略使用iperf 命令進行連接檢測。

在Mininet中使用命令term h1 h2，開啟虛擬主機控制臺，分別在h1和h2輸入命令iperf-u-s 10.0.0.2和Iperf-u-c 10.0.0.1，查看結果。

3.5 測試結果

（1）不加入QoS策略，未限速時的帶寬13.1 Gbps，結果見圖2。

（2）測試q0隊列帶寬，限制最大帶寬為5 Mbps，結果見圖3，帶寬為4.86 Mbps，延遲抖動1.253 s，數據丟包率為43%。

（3）測試q1隊列帶寬，最低帶寬為1 Mbps，結果見圖4，帶寬1.05 Mbps，保障最低帶寬。

基于QoS策略部署，在OVS交換機上添加隊列并完成數據的入隊操作，從測試結果看到隊列限速并且會優先滿足最低保障帶寬的隊列，故在保障的速率之內設定發送速率，則一定滿足最終實現業務帶寬的保障。

本實驗基于可編程網絡流表控制QoS策略部署，限制TCP流量或其他流量來保障最低帶寬。存在不足之處是在Mini net平臺上不能模擬視頻流，不能根據網絡環境提供動態的QoS策略，進而不能對網絡流量進行實時監控和資源利用，缺乏適應性。

4 部署QoS的其他實現方案

利用SDN和OpenFlow的優勢，以使網絡路徑的QoS配置更容易。除了本文實驗實現的方案之外，QoS的實現方案有：（1）路由算法[8]。網絡動態的變化，若得到的路徑和原來的路徑不一致就會更新出新的QoS路徑，這樣通過獲取網絡鏈路擁塞率、延遲和丟包率來重新計算QoS路徑，實現動態重路由，保證動態網絡的服務質量。（2）資源預留機制。該方案首先通過控制器中的流分類，根據數據包頭字段對數據包進行分類，基于網絡QoS策略并為相應的流分配優先級；其次利用速率整形控制流速率，設置相應的規則到路徑上的交換機中，為需要QoS的流保留資源。（3）woe感知機制。QoS無法展示通信服務的所有特性，用體驗質量（Quality of Experience，QoE）來實現。未來網絡需要根據QoS的參數來滿足用戶的woe，但這是一個具有挑戰性的問題。（4）網絡監視框架。網絡監控廣泛應用于QoS管理、資源利用、異常檢測、流量工程等。它的優勢在于在請求的聚合級別（如per-flow、端口、流表等）和頻率上收集、處理和交付監控數據，并保證數據的準確性和實時性；其次有助于從交換機、路由器和控制器等網絡組件收集數據。

基于OpenFlow的SDN網絡不僅使用不同的路由算法實現復雜的路由機制對QoS的要求，而且有效充分地利用網絡資源，以便于應對不同業務流量的需求。QoS的優化方案還有大象流、流量信息采集和跨域流量；同時，在OpenFlow的SDN網絡中，虛擬化的QoS配置，測試平臺QoS擴展，內容交付機制和QoS策略管理也正在進行研究。

5 結語

綜上所述，基于SDN的新型網絡創新架構，實現了對網絡流量的靈活控制，成功部署滿足需求的QoS，也提出了不足之處；本文中提到各種部署方法均對網絡服務質量需求的各方面做出了一些有益嘗試。但是隨著網絡的發展，在云計算數據中心、物聯網、智能自動駕駛汽車和多媒體技術等方面，QoS的要求和研究有了新的問題、優化與挑戰，也引發新的思考。