基于SDN的QoS管理机制研究

张靖+舒圣涛+刘翠玲+俞骏豪+李挺

摘 要：随着互联网的发展，媒体流的数目逐渐增多。由于受到传统网络架构的限制，已经很难对这些流进行灵活控制与管理。SDN的出现为解决此问题提供了新的思路。文章提出了一个基于SDN的QoS管理方案，使用阻塞队列对不满足传输条件的流进行管理。当有流到达时，首先判断是否有满足流约束条件的路径。如果拥有，控制器下发流表进行流的传输；如果没有，控制器将流加入阻塞队列。当有流完成传输时，控制器及时调度阻塞队列中的流。文章对方案进行了优化，为QoS流选择路径时增加了时延抖动参数，能够排除一些时延不稳定的路径，及时对流进行调度，增加了链路资源的利用率。

关键词：SDN；QoS；网络；优化

当前网络中充斥着各种类型的流量，有E-mail，ftp，WebTV等。这些不同类型的流对链路质量有不同的要求，例如，ftp有比较大的带宽需求，而WebTV需要较小时延的链路进行传输，相对于E-mail这种对链路质量没有要求的流来说，对媒体流的管理要复杂得多。

由于传统网络的分布式结构，传统网络下的QoS架构只能在小规模的网络中使用，没有一个全局的网络视图，导致了资源的浪费，缺乏灵活性与高成本也是其主要的缺点。软件定义网络（Software Defined Network，SDN ）架构的出现，为解决QoS问题提供了一个新的思路。在本文中，提出了SDN机制下的QoS解决方案，通过增加阻塞队列提高链路资源利用率，减少QoS流对其他流的影响。在此基础上增加了时延抖动参数，提高控制器选择路径的可靠性。主要实现方法总结如下：（1）在选择QoS路径时，增加了时延抖动参数；（2）使用流的阻塞队列对流进行管理。

1 Qos架构的现状

近几年已经有研究者对SDN机制下的QoS架构进行了研究，与传统的QoS架构进行优化，提出了一个模型。它将QoS流分为3种类型。（1）QoS level-1：最高优先级流量，对此类流量进行动态路由。（2）QoS leve-2：次优先级流量，在对最高级流量动态路由后，对此类流量进行动态路由。（3）Best-effort：最低优先级流量，对于此类流量不进行动态路由，只根据最短路径传输[7]。

虽然利用SDN实现了动态的QoS路由，但是没有一个实时的测量模块来获得链路的状态。提出了QoF架构，在此架构中，增加了实时测量模块且实验结果表明其能够实现对链路信息的收集[8]。但是这些都是对QoS流进行单路径的传输。HiQoS改进了Dijkstra算法，生成多条路径，以实现在链路发生故障时能够进行快速切换[9]。但HiQoS主要是把链路带宽作为QoS选路的主要指标，这显然是不够的。增加了链路的实时往返时间参数，提出使用r=a*（B0/B）+b*（T0/T）+c*（L0/L）来为QoS流选择最佳路径[10]。虽然它在一定程度上能为某一种类型的流提供QoS服务，但对于大规模运用是不切实际的，因为对a，b，c 3个参数的选择是困难的。

上述几种方案都在一定程度上解决了传统网络架构下的QoS问题，但是它们都没有考虑时延抖动参数以及缺乏对因为没有链路资源而被阻塞流的有效管理。在本文中加入了时延抖动参数以及阻塞队列，不仅能够提高被选择路径的可靠性，还能提高链路的资源利用率，也有效地减少了QoS流对非QoS流传输的影响。

2 QoS管理机制的实现

QoS管理机制的实现主要分为两个部分：改进Dijkstra算法、增加流的阻塞队列。在对QoS流进行选路时，时延抖动是个重要的因素。如果不考虑时延抖动将会导致选择的路径不是最优、甚至不符合约束条件。例如，如图1所示为一个SDN控制器控制4个交换机的拓扑。从拓扑图中可以发现从主机h1到h2有两条路径：s1→s2→s4，s1→s3→s4。假设主机h1到h2的流为QoS流，约束条件为时延小于60 ms。T1时刻SDN控制器测得的时延：s1→s2→s4为45 ms，s1→s3→s4为58 ms；T2时刻SDN控制器测得的时延为：s1→s2→s4为43 ms，s1→s3→s4为40ms；假设主机h1到h2的流是在T2时刻到达，如果不考虑时延抖动参数，那么s1→s3→s4为最优路径。但是由于s1→s3→s4路径时延不稳定，抖动相对较大，它并不是一个最优的路径。甚至到下个测量周期，它的延迟可能会超过60 ms，那么被选中的路径将是不符合约束条件的路径，所以它是不可靠的。

通过以上例子，可以发现抖动参数对于路径的选择是非常重要的。而在以前的方案中，使用Dijkstra算法计算时延最小路径，选取下一个节点时总是选择标记点之外距离源点时延最小的点，它并没有将时延抖动参数考虑进去。改进了以前的方案，在对下一点的选取中加入时延抖动参数，分为以下两种情况：（1）若源点到某一节点的路径在最近一段时间内的最大时延小于其他点的最小时延，则源点到该节点的路径是绝对最小时延路径，选取该节点作为被选取的节点。若不存在上述情况，则说明没有源点到哪一节点在最近一段时间是时延最小的路径。当出现这种情况时，使用（2）方法来选取一个源点到该节点时延较小且稳定的节点。（2）计算源点到所有未被标记节点的路径当前时延t与最近一段时间的时延抖动平均值m的和t+m，选取t+m最小的路径所对应的节点。具体过程如图2所示。

当前网络中，网络的资源都很有限。很多情况下，请求传输的流不一定都能被控制器分配路徑，这样对于一个QoS架构来说，对阻塞流的管理是必不可少的。本文提出了使用阻塞队列对等待的流进行管理。在本文中有两个阻塞队列，一个是QoS流的阻塞队列，另一个是非QoS流的阻塞队列。当有流到达时，如果当前链路中没有可供其使用的链路资源，则流将被加入到对应的队列等待调度。当控制器接收到交换机的流表超时被删除的消息时，按照优先级先调度QoS流阻塞队列中的流，然后调度非QoS流阻塞队列中的流进行传输。这样及时对流进行调度，不仅能够增加链路的使用率，而且能够减小对非Qos流的影响。其具体实现如图3所示。endprint

3 结语

在本文中，提出了一个基于SDN的QoS管理机制。改进了Dijkstra算法，在用Dijkstra算法进行路径选择时，增加时延抖动参数选择时延较小且稳定的链路，解决了由于时延抖动而带来的被选择路径不可靠的问题。为了管理因为没有链路资源而等待的流，增加了流的阻塞队列，通过SDN控制器的全局视图以及交换机的消息反馈对流进行实时调度。

[参考文献]

[1]EGILMEZ H E，GORKEMLI B，TEKALP A M，et al.Scalable video streaming over OpenFlow networks：an optimization framework for QoS routing[C].Brussels：2011 18th IEEE International Conference on Image Processing IEEE，2011：2241-2244.

[2]SZIGETI T，HATTINGH C，BARTON R，et al.End-to-End QoS network design：quality of service for rich-media & cloud networks[M].Indiana：Cisco Press，2013.

[3]王淑玲，李濟汉，张云勇.SDN架构及安全性研究[J].电信科学，2013（3）：117-122.

[4]左青云，陈鸣，赵广松.基于OpenFlow的SDN技术[J].软件学报，2013（3）：1-20.

[5]罗宣，黄保青，韦建文.上海交通大学：面向数据中心的软件定义网络[J].中国教育网络，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