SDN網絡環境下的MPTCP的移動切換機制

孫茂鑫，錢紅燕

(南京航空航天大學 計算機科學與技術學院，江蘇 南京 211106)

SDN網絡環境下的MPTCP的移動切換機制

孫茂鑫，錢紅燕

(南京航空航天大學 計算機科學與技術學院，江蘇 南京 211106)

無線網絡中，移動設備在不同的接入點(AP)之間切換是不可避免的問題。現有的移動切換機制不能真正地實現無縫切換，并且切換時信令開銷大，切換時延長。實現移動設備的快速切換以及在切換中保證QoS，已經成為無線網絡的研究熱點。為提高無線切換時的網絡性能，文中采用軟件定義網絡(SDN)架構，提出一種基于多路徑傳輸控制協議(MPTCP)的移動切換機制。目的是使移動設備在不同AP間實現無縫切換以及保證在切換過程中網絡保持較高的吞吐量。并且為了提高網絡的利用率和性能，文中利用信號強度值、丟包率和網絡時延共同決定切換網絡，可以充分利用各AP的網絡帶寬。實驗結果表明，該機制可以有效地實現移動設備的無縫切換，保證了服務質量，并且避免了乒乓效應，提高了網絡性能。

軟件定義網絡；移動切換；多路徑傳輸控制協議；多指標切換；無縫切換

1 概 述

隨著無線網絡技術的發展，特別是無線接入技術的發展，3G、4G等技術的出現，使得移動設備越來越普及。無線接入已成為人們訪問互聯網的主要接入方式。在無線網絡中，用戶的移動性管理是一個很重要的挑戰。尤其是移動切換作為移動性管理的關鍵技術，成為了無線網絡中的研究熱點。

文中主要研究的是在SDN網絡下，利用MPTCP機制解決移動設備在現有網絡架構下信令開銷大、三角路由、不支持無縫切換等問題。移動切換主要分為兩大類：一類是切換發生在同一種網絡技術之間，稱為水平切換。例如在3G網絡內不同AP間的切換。另一類是發生在不同網絡技術之間的切換，稱為垂直切換。例如從3G網絡中的一個AP切換到4G網絡中的一個AP。文中主要研究水平切換。

在無線切換領域，學者們已經提出了許多方案來解決設備在移動中出現的問題。其中，在TCP/IP架構下影響最大的是移動IP技術[1-2]。移動IP定義了三種實現移動功能的實體：

(1)移動主機。當移動設備從一個網絡切換到另一個網絡時，要保持通信不中斷，在切換時保持主機的IP地址不變。

(2)家鄉代理。有個端口要與設備的家鄉鏈路連接的路由器，在設備進行切換時，設備會通知家鄉代理該主機當前的位置。

(3)外地代理。它是移動設備在外地鏈路上的路由器。

該技術通過本地代理和外地代理使得設備在移動過程中不需要改變IP地址，使通信保持連續。但移動IP技術存在的最大問題是三角路由問題，增加了網絡的時延，導致切換時延過長。同時移動設備作為網絡的接收者時，由于移動設備不斷改變位置，導致向它提供實時業務變得十分困難，造成了QoS沒有保障。

在SDN網絡架構下，也有很多解決方案被提出。文獻[3]提出利用OpenFlow協議提供路由，可避免移動IP技術的三角路由問題。基于異構無線網絡垂直切換算法[4]主要解決垂直切換中十分重要的問題：AP的選擇和切換時間的選擇。該方案能確保設備在最合適的時間進行切換，并且保證最優的QoS；但該方案沒有真正實現無縫切換，因為AP的選擇需要花費一定的時間，導致了過長的網絡時延。

對MPTCP的研究，近年來也取得了一些進展。在文獻[5]中，移動設備利用MPTCP協議連接多個不同AP，可以使切換過程保持連接不中斷，同時通過大量實驗發現，當設備連接的AP過多時，會嚴重降低網絡的吞吐量。WiPoMu[6]、FatVAP[7]和Virtual WiFi[8]都是利用虛擬接口技術使設備連接多個AP，使設備在不同AP間可以快速進行平滑切換，也可以在不同AP的不同信道間進行切換，同時提高了網絡的聚合帶寬。這些方案由于需要修改客戶端，很難得到普及，同時這些方案目前都只是在理論上進行仿真驗證，很難在實際環境中對網絡性能進行驗證。Mobility[9]架構也是根據MPTCP提出的。該架構通過部署MPTCP定量增加代理，同時可以兼容TCP協議。該方案能很好地完成平滑切換，同時可以減少能力消耗。

2 相關技術概述

SDN(Software Defined Networking，軟件定義網絡)[10]是由美國斯坦福大學提出的一種網絡架構。SDN概念和OpenFlow的提出，引起了學術界和產業界的廣泛關注。SDN網絡將控制平面從嵌入式設備中獨立出來，形成控制器。該控制器相當于整個網絡的大腦，控制整個網絡的行為。而轉發設備只負責數據的轉發，它相當于網絡的四肢，受控制器的控制。控制器通過向轉發設備下發流表的方式來控制轉發設備。SDN主要思想是管控分離，SDN控制器提供了用戶編程的接口，用戶通過在控制器中編寫業務應用程序，控制網絡設備按照用戶的意愿運行。SDN網絡可以針對不同的業務定制所需要路由、QoS流量工程、策略、安全等實時下發到網絡中，可以很好地實現網絡對業務和應用的配置。目前，谷歌已經在全球的數據中心部署SDN[11]，谷歌用10 Gbit/s的網絡鏈路鏈接了全球12個數據中心，通過在SDN網絡中部署QoS流量工程和優先級調度，使數據中心間鏈路的使用率從平均的30%～40%提高到接近100%。谷歌的成功案例證明了SDN網絡架構的優越性。

為了提高網絡鏈路的帶寬和利用率，同時增強鏈路的魯棒性，IETF提出了MPTCP的概念。它是TCP協議的擴展。設計MPTCP的初衷是在端到端的通信中使用多個鏈路，將數據流分發到多條傳輸路徑上，通過這種方式來提高網絡帶寬，并且能平衡擁塞。MPTCP能避免在擁塞的路徑上繼續傳輸數據，這個目標保證了吞吐量和公平性。利用MPTCP協議，移動設備可以同時連接多個AP，根據文中提出的切換機制來保證移動設備在切換時實現無縫切換的目標。MPTCP的連接過程與TCP連接類似，采用“三次握手”，不同的是MPTCP在建立連接過程中增加一個OPT_MPC選項，用來表示MPTCP連接。MPTCP與傳統的TCP的不同之處是，在應用層和傳輸層之間加入了支持多路徑傳輸的MPTCP層，如圖1所示，原TCP層只是對子流起作用，這樣從端到端的通信雙方來看，傳輸層仍是單路通信。MPTCP的主要功能是：將數據進行分流，使子流在不同的鏈路上傳輸。所有子流到達目的端后，MPTCP再根據序列號和確認號對子流進行重組發給應用層。

圖1 TCP與MPTCP對比

3 移動切換機制

3.1 系統架構

文中的移動設備和服務器都支持MPTCP協議。文獻[5]已證明，當設備使用多個接口進行通信時會降低吞吐量。文中研究的主要目的是如何利用MPTCP實現無縫切換，以及在切換時保證鏈路的吞吐量。所以在文中，移動設備只使用兩個接口進行通信。

圖2是系統架構示意圖。控制器控制網絡中所有的OpenFlow交換機，AP與OpenFlow交換機相連，移動設備通過AP接入網絡。文中移動設備中的兩個接口分別連接一個AP，并且通信雙方都必須支持MPTCP協議。

圖2 系統架構圖

3.2 切換流程

一個切換過程是由切換觸發、切換決策以及切換執行三個過程組成。系統切換流程圖如圖3所示。

圖3 系統流程圖

由移動設備來觸發切換過程，當設備監測到周圍AP的RSS值比當前AP的RSS值大時，首先設備需判斷應用程序的優先級，由于實時性應用程序對網絡要求較高，當新舊RSS值的差相差大于10 dBm，移動設備發送切換請求信息(REQUEST_MESSAGE)到控制器。該信息包含網絡接口的相關信息、IP地址、MAC地址以及當前AP的信息等。若為其他類型應用，則需要新舊RSS值相差20 dBm時發送切換請求信息到控制器。由于只使用RSS值進行切換決策有局限性，會產生乒乓切換[12]，產生負面效應，它只考慮了當前網絡的鏈路狀況和目標網絡的鏈路狀況，并沒有從全局對網絡狀況進行判定。所以文中所提出的切換機制，在控制器中還需要根據鏈路的丟包率以及網絡時延共同來決策是否進行切換。當設備監測到周圍有多個目標AP的RSS值大于當前AP的RSS值時，發送到控制器的信息中包含所有AP的相關信息。由網絡控制器決定選擇哪個AP，以及是否進行切換。由于控制器知道全網拓撲以及網絡鏈路狀況，控制器可以基于全局的網絡信息來進行決策，可以有效保證網絡整體性能，并且可以滿足應用程序對網絡的要求，能盡可能地利用網絡的帶寬，充分利用網絡資源。

控制器根據多指標切換算法決定移動設備的行為，該算法將在3.3節介紹。若控制器做出切換的決定，控制器首先通過設置OpenFlow交換機的隊列，不同速率的流量發往不同的隊列來實現[13]，使發往原AP的數據進入速率最低的隊列，可以降低數據的發送速率，減少丟包率。通過多指標決策算法求出一個新AP，然后控制器發送切換消息(REPLY_HANDOVER)到移動設備。該消息中包含移動設備要切換到新AP的信息，同時控制器向OpenFlow交換機下發流表，建立從目標AP到服務器的路徑。由于此時移動設備的另一個網絡接口繼續保持與服務器的通信，使得一個接口在進行切換時，應用程序保持連接不中斷，可以實現平滑切換。若控制器決策是維持現狀，控制器只需要發送無動作消息(REPLY_NO_ACITON)到移動設備。

移動設備收到控制器發來的消息，執行相應的動作。切換過程結束。

3.3 多指標切換算法

多指標切換算法在利用RSS值的同時，又增加了其他指標共同完成決策過程。該算法利用多個指標進行切換決策，能有效避免乒乓切換，降低切換次數。

在切換算法中使用了三個評判指標：RSS、網絡時延和丟包率。利用RSS值觸發切換，根據網絡時延和丟包率進行切換決策，求出一個目標代價最小[14]的目標AP進行切換。RSS值反映了當前信道的狀況，RSS值越大說明使用該AP傳輸數據時信號損耗越小。網絡時延和丟包率反映AP所在鏈路網絡的性能，網絡時延和丟包率越小，說明鏈路的性能越好。文中將應用程序分為兩大類：一類是實時性應用程序，一類是非實時性應用程序。每一類應用程序的評判指標在決策時有不同的權值，如表1所示。

表1 指標權重

文中定義AP的代價如式(1)所示。

c(AP)=α·loss(AP)+β·d(AP)

(1)

式(2)為AP丟包率，表示的含義是從服務器到AP所在路徑的丟包率。

(2)

式(3)表示AP網絡時延，表示的含義是從服務器到AP路徑上所有鏈路的時延和。

(3)

其中：p為從服務器到AP的路徑；l為AP所在路徑的一條鏈路；loss(AP)為AP丟包率；loss(l)為鏈路的丟包率；d(AP)為AP的時延；α,β為表1中各個指標的權重值。

該算法利用了一個閾值Thr，先從所有AP中計算代價最小的AP記為Cmin，再計算原AP的代價Cold與Cmin的差，再與閾值Thr進行比較來決定相應動作。

具體算法如下所示：

do計算相關AP的代價,并將其放入集合S中;while數據都存入集合S中求出S中元素的最小值Cmin;ifCmin≠?thenifCold-Cmin<0then發送REPLY_NO_ACTION到移動設備;elseifCold-Cmin<=Thrthen發送REPLY_NO_ACTION到移動設備;elsethen控制器向就AP所在鏈路的交換機發送流表,降低數據的發送速率,同時發送REPLY_HANDOVER消息到移動設備;end//算法結束

4 實驗結果及分析

文中搭建了一個SDN網絡環境測試床，移動設備裝有一個內置的無線網卡和一個Wi-Fi無線網卡，并且移動設備和服務器安裝帶有MPTCP的32位Ubuntu12.04操作系統。實驗在一個有13個AP的樓道里進行，并且AP間的間距分布不均勻。SDN控制器選擇了POX，該控制器是模塊化編程，方便在控制器中添加自己所需模塊，文中在POX控制器中添加了多指標切換算法模塊。設定的閾值為Thr=0.05，并且在測試時，使用一些計算機連接在SDN網絡中互相通信，產生一定的背景流量。

文中比較了在TCP協議下以及在MPTCP協議下切換時的吞吐量，以及比較了基于RSS值切換算法與文中提出算法的切換次數。

第一個實驗選取了在一個切換中30s的數據。從圖4可以看出，使用傳統的單TCP協議在進行切換時，在切換時會出現長達5s多的連接中斷，這對于實時性要求高的應用程序是不能容忍的。而使用MPTCP進行切換時,雖然吞吐量有所下降，但始終保持了通信的連續性。這是由于基于MPTCP協議的兩個接口，在進行切換時一條鏈路進行切換而另一條鏈路保持通信，這也是MPTCP協議的優勢所在。使用該方案能保證高實時性應用程序對網絡的要求。

圖4 TCP與MPTCP切換時吞吐量對比

圖5比較了基于RSS閾值切換算法與文中多指標切換算法的切換次數。統計了在210s的時間內，兩個算法各進行的切換次數。

圖5 基于RSS閾值的切換算法與多指標切換算法的切換次數對比

從圖5中可以看出，基于RSS閾值的切換算法切換次數較多，這是因為它只考慮了當前的信道狀況，而沒有考慮到當前網絡的狀況以及目標網絡的狀況。而文中的多指標切換算法全面考慮了網絡的性能，只有RSS值和鏈路的狀況都滿足了要求時，才進行切換，從而能顯著降低切換次數，減少乒乓效應。

5 結束語

文中提出了在SDN網絡架構以及MPTCP協議下的切換算法，解決了現有切換算法的連接中斷、效率低下等問題。利用文中提出的機制，實現了移動主機的無縫切換，并且保證了用戶在切換時的服務質量，能有效提高切換時的網絡吞吐量。

由于文中的地址是固定IP地址，實驗環境只是在范圍很小的局域網，并且只是在一個OpenFlow網絡內，沒有在更大范圍的網絡進行實驗。未來的工作就是將該機制應用到更大范圍的網絡中，同時實現在多個OpenFlow網絡內進行跨網切換。

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Mobile Handover Mechanism Based on MPTCP in SDN Environment

SUN Mao-xin,QIAN Hong-yan

(College of Computer Science and Technology,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 211106,China)

Handover of mobile equipment between different access points is an inevitable problem in the wireless network.There are many problems in the existing mobile handvoer mechanism,which cannot ensure the seamless handover,and have serious handover signaling overhead with long handover delay.How to satisfy the user’s quality of service and achieve seamless handover becomes a very worth of study in the field of wireless communication network.To improve the performance of the wireless network when roaming,in this paper,a mechanism of handover is proposed based on multipath TCP and software defined networking.It aims to achieve the seamless handover between different AP for mobile equipment and keeps high throughput of network in the handover process.In order to improve utilization and performance,the RSS,loss rate and delay are adopted to make handover decision,whcih can make full use of network bandwidth.Finally,the experiment shows that the proposed handover mechanism can achieve seamless handover and ensure QoS,avoiding the “ping-pong” effect and improving the network performance.

SDN;mobile handover;MPTCP;multiple parameters handover;seamless handover

2015-08-08

2015-11-17

時間：2016-05-05

江蘇省科技計劃項目(BY2013095-2-10)

孫茂鑫(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為無線網絡、SDN網絡；錢紅燕，副教授，研究方向為計算機網絡、無線通信、信息安全。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160505.0828.070.html

TP311

A

1673-629X(2016)06-0011-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.06.003