軟件定義的VANET下流表用量感知的QoS路由機制

付 彬 查理佳 李仁發 肖雄仁

1(湖南大學信息科學與工程學院 長沙 410082) 2(嵌入式與網絡計算省重點實驗室(湖南大學) 長沙 410082)

軟件定義的VANET下流表用量感知的QoS路由機制

付 彬1,2查理佳1,2李仁發1,2肖雄仁1

1(湖南大學信息科學與工程學院 長沙 410082)2(嵌入式與網絡計算省重點實驗室(湖南大學) 長沙 410082)

VANET可以提供各類安全和非安全相關的服務，但現有的VANET難以保障應用服務的QoS需求.軟件定義網絡(software defined networking, SDN)以系統化的靈活控制網絡的方式出現，其分離的數據與控制平面為網絡帶來了可編程性.因此首先設計了一種面向異構多網接入的軟件定義的VANET架構；接著提出一種流表用量感知的動態QoS保障框架，允許使用模塊化的方式管理網絡，并支持業務流的動態加入和退出；最后建立了多業務流多約束條件下流表用量感知的QoS路由模型，該模型不僅考慮了丟包、時延和吞吐量等鏈路參數，還考慮了業務需求和流表使用情況，從而為VANET應用服務提供并發的QoS路由.實驗表明：流表用量感知的動態QoS路由機制不僅能夠滿足多業務對各自丟包、時延和吞吐量的要求，還能夠感知流表用量，從而避免流表溢出對QoS路由機制的影響，進一步提高了網絡QoS保障的性能.

軟件定義網絡；車輛自組織網絡；服務質量；路由模型；流表

車輛自組織網絡(vehicular ad hoc network， VANET)實現車與車(vehicle-to-vehicle， V2V)、車與基礎設施(vehicle-to-infrastructure， V2I)、車與人及互聯網的廣泛通信，從而能夠提供各類安全和非安全相關的服務[1].雖然VANET能夠支持許多新的服務和應用，但是在部署VANET服務和應用時仍然面臨三種主要挑戰：

1) 體系結構的挑戰.當前的VANET架構主要是基站和路邊單元(rode side unit, RSU)的V2V與V2I混合架構，該架構缺乏靈活性，導致大規模地部署和設置新的服務或協議是很困難的.

2) 通信流量的挑戰.車輛的移動性使得網絡通信流量的動態性和不均衡性特征突出，現有的VANET缺乏全局視圖，在數據轉發過程中不能動態調度網絡資源來合理分配通信流量，從而提升網絡傳輸效率.

3) 網絡服務質量(quality of service， QoS)的挑戰.不同的VANET應用對于網絡提供的QoS有著不同的要求.當前VANET的眾多應用主要依賴于傳統的IP分組網絡，該網絡的盡力而為服務模式不能為數據傳輸的帶寬、端到端延遲和包到達率等性能提供服務質量保證.

針對以上問題，許多研究者提出將軟件定義網絡(software defined networking， SDN)[2-3]架構引入VANET，從而分離VANET數據平面與控制平面，實現網絡的系統化靈活控制，帶來可編程性.例如：文獻[4]提出了一種基于SDN的VANET架構，指出新架構將提高路徑選擇、頻率/信道選擇、功率選擇方面的性能提升，并展望了新架構的VANET應用；文獻[5]提出了基于SDN的5G網絡VANET架構，并說明了SDN對下一代5G網絡VANET的重要性；文獻[6]提出了面向無線異構接入的軟件定義的VANET架構，在該架構下無線異構設備諸如汽車、RSU都可以抽象為SDN交換機；文獻[7]提出了一種基于SDN并支持霧計算的VANET架構，同時該架構也支持無線異構接入.

利用軟件定義VANET的控制與轉發相分離以及集中控制的優勢，本文對軟件定義VANET的架構以及動態QoS路由相關問題進行了研究.本文的主要貢獻有4個方面：

1) 設計了一種面向異構多網接入的軟件定義VANET架構，完善了現有工作中數據平面的設計.

2) 針對現有的VANET難以保障應用服務的QoS需求問題，本文提出一種流表用量感知的動態QoS保障框架，允許使用模塊化的方式管理網絡，并支持業務流的動態加入和退出.

3) 在框架的基礎之上建立了多業務流多約束條件下流表用量感知的QoS路由模型，該模型不僅考慮了丟包、時延和吞吐量等鏈路狀態參數，還考慮了應用服務的需求以及交換機的流表使用情況，從而為VANET應用服務提供并發的QoS路由.

4) 利用仿真平臺實現了本文所提出的保障框架的各個模塊并進行了仿真實驗.實驗表明，本文提出的QoS路由機制不僅能夠滿足多業務對各自丟包、時延和吞吐量的要求，而且能夠感知流表用量從而避免流表溢出對QoS路由的影響，進一步提高了網絡QoS保障的性能.

1 相關工作

在SDN架構下，為了給應用服務提供QoS路由保障，許多研究人員對動態QoS路由機制進行了相關的理論和實踐研究.其中，文獻[8-14]提出了一些QoS路由算法，文獻[15-18]提出了QoS路由框架.

文獻[8]針對域內網絡提出了面向SDN的可擴展路由和資源管理模型，SDN控制器基于此模型實施路由計算、權限控制和資源管理.

文獻[9]提出了一種基于QoS和動態負載均衡的路由策略，該算法兼顧了流的QoS需求，并用近似算法進行多QoS約束的最優路徑選擇.

文獻[10-11]都是關注視頻業務的QoS.其中，文獻[10]提出了基于SDN/OpenFlow的分析型架構來優化轉發策略；文獻[11]與文獻[10]類似，但文獻[11]定義了自己的受限最短路徑問題，可以動態調整路由策略.

文獻[12]修改Floodlight控制器的內置模塊來優化其對QoS的支持性能.由于Floodlight控制器采用的路由算法沒有考慮鏈路之間的代價，因此該文作者在此基礎上修改路由算法，考慮了鏈路負載與QoS.

文獻[13]描述了SDN的網絡架構并分析了提供多媒體服務的機遇和必要性，因此該文作者提出了一種SDN框架，該框架集成了OpenFlow、網絡虛擬化、功能盒以及測試算法的接口.其中的“QoS路由算法”模塊可以作為運行不同QoS路由算法的容器.

Fig. 1 Software defined VANET framework圖1 軟件定義的VANET體系架構

文獻[14]基于SDN/OpenFlow實施了一套QoS保障模型，可以實時地監控網絡的QoS指標并動態地改變業務的路由.此外，該文作者還提出了面向多業務多約束條件下的路徑模型，由此來為多業務分配滿足其QoS需求的路徑.

文獻[15]提出了一種SDN/OpenFlow控制器的設計方案OpenQoS，其目的是保障多媒體業務端到端傳輸的QoS.多媒體流的傳輸路徑可以根據當前網絡的QoS指標來進行動態調整.

文獻[16]基于SDN/OpenFlow與OpenNaaS提出了網絡控制層(network control layer，NCL)的概念.網絡控制層包括SDN控制器、SDN監控器和SDN APP，NCL的目標是為服務提供端到端的動態QoS控制.

文獻[17]提出了QoS管理機制，能夠讓QoS指標可以自動地配置在OpenFlow交換機里.此外，該文作者基于AQSDN設計了數據包上下文感知的QoS模型來提高網絡的QoS，此模型在數據包被標記和進入轉發隊列管理狀態時能夠考慮數據包的上下文.

文獻[18]提出了OpenFlow增強的QoE保障框架，當多個用戶競爭網絡資源的時候最大化每個用戶的QoS，關注的是用戶級別的公平性和網絡的穩定性.

由于SDN路由過程的實現必須依賴于交換機的流表管理，當前研究者對流表的管理機制進行了相關研究，但是流表對QoS路由的影響卻未見具體分析.

2 軟件定義的VANET體系架構設計

ONF組織提出的SDN系統架構主要由數據平面、控制平面和應用平面構成.數據平面只需要實現轉發和處理數據的功能；控制平面主要負責邏輯控制部分；應用平面由若干個SDN應用構成，通過北向接口與SDN控制器進行交互.

當前提出的基于SDN的VANET架構，如引言所述文獻[4-7]，主要描述了面向無線異構接入的VANET架構.本文在遵循3層SDN平面劃分標準的基礎上，充分考慮了VANET架構的特點，完善了數據平面的VANET異構接入方式以及SDN交換層的設計.本文設計的軟件定義的VANET體系架構如圖1所示.

該體系架構的主要元素包括5個：

1) SDN APP.基于控制平面的北向接口，提供軟件支持、網絡監控、規則定義等服務，并為VANET應用服務提供網絡支持.

2) SDN控制器.是網絡的邏輯控制中心，管理并控制區域內的網絡行為.此外，控制器之間通過東/西向接口協同合作管理網絡.

3) SDN交換機.接受SDN控制器的控制，在數據平面上負責數據的轉發和處理.

4) 異構接入網絡.在數據平面上為車輛終端提供異構多樣的接入方式.例如通過RSU，4 G/LTE等接入.

5) 終端.移動車輛作為數據收發的終端.

Fig. 3 Throughput changes of client in the flow table overflow situation圖3 流表溢出情況下的客戶端吞吐量的變化情況

在上述體系結構中，車輛與控制器通信的方式有3種：1) 車輛終端通過蜂窩網絡接入SDN核心交換層與控制器通信；2) 車輛終端通過RSU接入SDN核心交換層與控制器通信；3) 車輛終端通過RSU接入蜂窩網絡再接入SDN核心交換層與控制器通信.

軟件定義的VANET可以提供的服務類型多樣，在實際網絡部署中，數據層面的SDN交換機擔負起數據轉發的功能，SDN交換機之間鏈路的傳輸帶寬、負載等情況直接影響數據傳輸的性能.本文對上述架構中SDN核心交換層的QoS路由問題展開研究，主要考慮2點：

1) 由于車輛的移動性，RSU的任務負載量是動態變化的.因此，我們需要根據RSU當前的任務負載量來考慮動態QoS路由，以達到保障接入RSU的車輛業務的QoS.

2) 由于VANET服務的實時性，因此我們需要考慮多業務并發的路由機制，以提高動態QoS路由的效率，及時保障接入RSU的車輛業務的QoS.

3 流表溢出對QoS路由機制的影響

SDN交換機的流表容量是有限的，每一條流表項代表一條轉發規則.OpenFlow1.3[19]對流表溢出的處理方法是當流表項達到容量上限時，會丟棄新添加的流表項；而OpenFlow1.4[20]可以自定義丟棄機制，自動清理重要性更低的流表項.這些丟棄機制都會導致已成功接入業務的QoS降低.

因此，我們通過實驗研究流表溢出對QoS路由機制的影響.網絡中共有12臺交換機，鏈路隨機生成，并設定鏈路帶寬為10 Mbps，丟包率為1%，時延為10 ms.客戶端通過交換機S8接入網絡，通過服務器配置設定了視頻傳輸的帶寬為6 Mbps.我們實現了以多約束條件的Dijkstra算法為路由算法的QoS路由機制，圖2所示的是QoS路由機制的選路結果，視頻傳輸選擇的路徑為S1—S2—S3—S8.

Fig. 2 Routing results of QoS routing mechanism圖2 QoS路由機制的選路結果

我們設置S2的流表容量為100條，并向S2的流表中插入100條流表，此時如若再向S2添加流表項則會發生溢出.我們重新啟動QoS路由機制為客戶端選路，選路結果仍然為S1—S2—S3—S8，當控制器向S2添加流表項時發生了溢出，導致從S1向S2轉發的數據包大量丟失，造成了客戶端業務吞吐量的下降.此時，客戶端吞吐量變化情況如圖3所示.

圖3中流表溢出后吞吐量始終得不到提升的原因是：當QoS路由機制發現當前路徑不滿足客戶端的QoS需求時會重新啟動選路過程，然而QoS路由機制根據當前選路指標(丟包率、時延、吞吐量)所選出的路徑仍然與之前的路徑相同.QoS路由機制不斷為其重新選路，但客戶端業務的吞吐量卻始終得不到提升，造成了巨大的路由開銷.

從第1節對動態QoS路由機制的相關研究中可以看到，這些研究都沒有考慮交換機流表的使用情況，也就不能保證當選路結果上的流表發生溢出時QoS機制能夠及時做出正確的處理，而SDN控制器具有網絡全局的視圖，具備監測交換機流表用量的能力.因此，本文提出一種流表用量感知的動態QoS路由機制，能夠將流表用量作為QoS路由的約束條件，解決流表溢出對QoS路由機制的影響.

4 流表用量感知的動態QoS保障框架

隨著移動設備和移動流量的增長，V2V和V2I將會有更多的需求并不斷增長.VANET提供了廣泛的服務，為了滿足具有不同特點的應用服務的QoS，本節提出了軟件定義的VANET下流表用量感知的動態QoS保障框架，如圖4所示：

Fig. 4 Flow table usage-aware dynamic QoS provisioning framework圖4 流表用量感知的動態QoS保障框架

該框架在SDN的管理層來實現，管理層通過Floodlight控制器的北向接口與控制層進行交互，整個框架主要由8個模塊構成：

1) 網絡狀態監視器.實時地搜集鏈路的狀態信息，比如每一條鏈路當前的吞吐量，并將采集到的數據發送給網絡帶權圖生成器.

2) 網絡拓撲映射器.實時地監測網絡拓撲結構的變化，比如，是否有交換機增減、是否有終端機增減，并將數據發送給網絡帶權圖生成器.

3) 網絡帶權圖生成器.接收網絡狀態監視器和網絡拓撲映射器發送過來的鏈路與網絡拓撲數據，并按照一定的權重計算并生成網絡權重視圖.

4) 流表用量監控器.負責實時地監控所有交換機流表的使用情況，并將監控的結果發送給路由計算模塊以便路由決策的進行.

5) 路由計算模塊.等待路由觸發器的路由指令，根據網絡權重視圖、多業務的QoS需求以及流表使用情況來為多業務并發選路.此模塊執行的具體路由算法，將在第5節詳細介紹.

6) 業務處理器.支持業務的動態接入和退出.當有業務接入時，通知路由觸發器，若當前的網絡資源不足以滿足業務需求則拒絕接入；當有業務退出時，通知路由觸發器以便刪除業務的路由信息.

7) 路由觸發器.監控成功接入業務的QoS，在業務QoS受影響時觸發路由計算，當業務退出時刪除業務的路由信息以節省流表資源.

8) 動態路徑安裝模塊.根據路由計算模塊選路的結果下發業務的流表.

軟件定義的VANET下流表用量感知的動態QoS保障框架的工作流程如圖5所示：

Fig. 5 Workflow of flow table usage-aware dynamic QoS provisioning framework圖5 流表用量感知的動態QoS保障框架工作流程

VANET下流表用量感知的動態QoS保障框架的工作步驟如下：

1) 網絡拓撲映射器檢測網絡的拓撲結構，同時網絡狀態監視器收集鏈路的狀態信息，它們都將數據發送給網絡帶權圖生成器生成網絡權重圖.

2) 業務處理器檢測新接入的業務，如果有業務接入，就通知路由觸發器，路由觸發器根據業務的需求觸發路由計算；接著，路由計算模塊根據網絡權重圖與流表使用情況執行路由算法，如果路由失敗，即網絡當前可用資源不能滿足新接入業務的QoS需求，業務處理器就會拒絕新業務的接入，否則就通過動態路徑安裝模塊解析路由結果并下發流表.

3) 路由觸發器監控成功接入業務的QoS，如果發現業務的QoS不滿足其需求則重新選路，若業務退出則刪除此業務的路由信息.

5 流表用量感知的QoS路由模型

VANET可提供的服務具有不同的特點，有的實時性較高，但帶寬占用量較小，比如交通信息、新聞、天氣；而有的屬于帶寬密集型服務，比如視頻、語音通話.因此，構建QoS路由模型需要考慮不同的VANET業務之間具有不同的QoS需求這一特點.

文獻[14]提出的路由模型結合了多商品流問題和受限最短路徑問題.多商品流問題是指在多源多目的的情況下，如何為所有商品分配滿足其約束的路徑并且總代價最小的問題；而結合了受限最短路徑問題的多商品流問題是指在多源多目的的情況下，如何為所有商品分配滿足其約束條件并且代價最小的最短路徑的問題.

因此，文獻[14]提出的路由模型適用于本文提出的不同類型VANET業務的QoS路由問題.但從第3節的實驗中可以看出，流表溢出會降低文獻[14]提出的QoS路由機制的性能，因此本文在文獻[14]提出的路由模型的基礎上進行了改進，增加了流表用量的限制條件，將流表用量也作為選路的依據，從而進一步提升網絡QoS保障的性能.

我們根據鏈路狀態參數(丟包率、時延、吞吐量)、業務需求以及流表使用情況來選擇合適的路徑.假設網絡以有向圖G=(N，E)表示，N是節點集合，E是節點間鏈路集合，節點i和節點j之間鏈路帶寬表示為bi j，時延為di j，丟包率為pi j，每條流的開銷為ci j，網絡中需要路由的流的數量為k，節點i的流表使用量為ui.根據上述假設，我們構建了線性規劃模型，模型的參數如表1所示.優化的目標是要找到滿足所有業務約束條件的最小代價和的路徑.

Table 1 The Parameters of Model表1 模型參數

目標函數：

約束條件：

式(1)是目標函數，我們需要找到滿足所有業務約束條件的最小代價和的路徑.對于路徑代價的計算，我們主要考慮了丟包率和時延2個因素，并分別賦予它們對路徑代價影響的權重：

ci j=αdi j+βpi j,?(i,j)∈A,

其中，α和β分別為時延和丟包率對鏈路代價影響的權重，我們可以通過管理這些參數來滿足不同類型業務的需求.時延的計算包括4個組成部分，定義為

dnodal=dproc+dqueue+dtrans+dprop,

總時延由dnodal表示；dproc，dqueue，dtrans，dprop分別表示處理時延、排隊時延、發送時延和傳播時延.式(2)為流量守恒定律，保證流的輸入和輸出守恒；式(3)～(5)分別為最大可接受丟包率、最大可接受時延和鏈路的帶寬容量限制；式(6)(7)是對變量取值范圍的限制，對于一條鏈路而言，我們有選和不選2種選擇，分別用1和0表示.此外式(6)(7)還考慮了對節點i流表溢出時的約束，即當節點i的流表溢出時不再選擇經過節點i的鏈路.

實時業務通常會對丟包率、時延、吞吐量、業務代價等多個參數同時提出要求，當這些參數相互獨立時，選擇滿足多個參數限制的路由就成為NP-Complete[21]問題，對于求解上述線性規劃模型的算法時間復雜度的評估，變量數量與邊的數量和業務數量有關，等于|A‖K|，而約束條件的數量也與邊數和業務數量相關，等于|N‖K|+|A|+|K|.本文采用了IP_Solve[22]求解器來求解本文提出的線性規劃模型，求解器采用了改進的分支定界法求解線性規劃模型，平均時間復雜度達到指數級，雖然在大規模網絡中計算開銷較大，但是能夠在一般規模網絡中快速找到最優解，而計算開銷相對較小的智能優化算法一般只能找到近似解.由于在大規模軟件定義VANET中，通常會由多個控制器實現分布式控制，因此，單個控制器所控制的網絡規模一般不會太大，因此本文采用了求解器求解的方式，以便能夠快速找到最優解，同時滿足VANET環境的時延敏感的特性.

6 實驗評估

本文實驗采用Mininet2.2.1[23]作為仿真平臺，Floodlight1.1[24]作為SDN控制器，OpenFlow1.3作為控制器與數據平面交互的南向接口協議，并基于控制器的北向接口實現了第4節所提出的QoS保障框架中的所有模塊.網絡中共有12臺SDN交換機，交換機之間的鏈路隨機生成，并設定鏈路的帶寬為30 Mbps，丟包率為1%，時延為10 ms.視頻服務器采用VLC Media Player，通過cvlc命令推送高清視頻流到視頻客戶端，FTP服務器采用Apache FtpServer，在FTP客戶端通過wget命令下載文件，同時我們使用Iperf工具實現鏈路擁塞，服務器通過交換機S1接入網絡，并通過服務器配置設定了文件傳輸的平均帶寬為5 Mbps，視頻傳輸的平均帶寬為6 Mbps.實驗一共分為2部分:1)在流表未溢出的場景下對本文提出的QoS路由機制的性能評估；2)在流表溢出的場景下，對本文提出的QoS路由機制與文獻[14]提出的QoS路由機制進行性能比較.

6.1動態QoS路由機制性能評估

1) 客戶端選路與吞吐量性能分析

Fig. 6 Routing results of starting and stopping QoS mechanism in the link congestion situation圖6 鏈路擁塞時啟用和關閉QoS路由機制的選路情況

在流表未溢出的場景下，首先評估了本文所提的QoS路由機制對業務QoS的保障性能.視頻客戶端和FTP客戶端分別通過S8與S12接入網絡.我們通過啟用和不啟用本文所提出的QoS路由機制2種情況來觀察客戶端選路和吞吐量的變化情況，實驗結果如圖6和圖7所示.在該實驗場景中，我們通過在一定時間內分別向鏈路S6—S11與S1—S2增加負載FTP-Loader與Video-Loader來改變該鏈路的擁塞情況，通過使S6—S11和S1—S2鏈路擁塞而讓FTP客戶端和視頻客戶端的QoS受到影響.圖6(a)所示的是未啟用QoS路由機制，是采用默認最短路徑路由機制場景下的選路結果，可以看出，即使鏈路S6—S11和S1—S2發生了擁塞，控制器也不會為客戶端調整路徑，仍然按照原始路徑轉發數據；圖6(b)所示的是啟用QoS路由機制的選路情況，由于QoS路由機制檢測到了客戶端QoS受到鏈路擁塞的影響，所以及時地為客戶端調整了路徑，視頻服務選擇了非擁塞路徑S1—S6—S3—S8來傳輸視頻數據，而FTP服務選擇非擁塞路徑S1—S6—S7—S11—S12來傳輸數據.

Fig. 7 Thoughput changes of client of starting and stopping QoS mechanism圖7 啟動和關閉QoS路由機制時客戶端吞吐量的變化情況

圖7所示的是客戶端吞吐量的變化情況，通過實驗統計設定了觸發重新選路的最低吞吐量閾值為2.5 Mbps，即當QoS路由機制檢測到客戶端吞吐量小于2.5 Mbps時，會為客戶端重新選路.圖7(a)所示的是未啟用QoS路由機制時客戶端吞吐量的變化情況，FTP-Loader和Video-Loader分別在18 s和36 s時加入到網絡中來，造成了FTP客戶端和視頻客戶端的平均吞吐量分別下降到2.13 Mbps和2.06 Mbps，均低于最低吞吐量閾值；圖7(b)所示的是啟用QoS路由機制后客戶端吞吐量的變化情況，當FTP-Loader和Video-Loader分別在18 s和36 s時加入到網絡中來時，FTP客戶端和視頻客戶端的平均吞吐量首先出現了下降，但是當下降到閾值2.5 Mbps之后，吞吐量又迅速開始回升.FTP客戶端吞吐量在16 s時開始回升，視頻客戶端吞吐量在44 s時開始回升，并都回升到滿足其各自QoS的需求.因此，從實驗結果看到，本文所提QoS路由機制能夠檢測到客戶端吞吐量低于閾值并為其重新分配滿足其QoS需求的路徑，使得客戶端的吞吐量得到了回升.

2) 業務動態接入下的性能分析

在流表未溢出的場景下，本文還對動態QoS路由機制在業務動態接入的情況下進行了性能測試，觀察業務動態接入的并發度與系統吞吐量之間的關系.當QoS路由機制啟動之后會不停地檢測業務的動態接入，我們設置了每隔10 s向S12動態接入2個FTP業務，QoS路由機制為每批接入的業務分配合適的路徑并監控接入業務的QoS.

圖8所示的是隨著業務接入數量的增加，業務并發度與系統吞吐量變化之間的關系.從圖8可以看出，隨著業務數量并發的增加，系統吞吐量呈增長的趨勢.該實驗說明了本文所提QoS保障框架能夠支持業務的動態加入，并同時保障多個業務的QoS.

Fig. 8 Relationship between business concurrency and change of throughput of system圖8 業務并發度與系統吞吐量變化的關系

Fig. 10 Throughput changes of video client in the flow table overflow situation of S2圖10 S2流表溢出時視頻客戶端吞吐量的變化情況

6.2流表溢出場景下的性能分析

在流表溢出的情況下，我們對本文提出的QoS路由機制與文獻[14]提出的QoS路由機制進行了性能的比較.圖9和圖10分別所示的是S2流表溢出時QoS路由機制的選路情況和客戶端吞吐量的變化情況.我們設置S2的流表容量為100條，并向S2的流表中插入100條流表，此時如若再向S2添加流表項則會發生溢出.文獻[14]提出的QoS路由機制選路的結果為S1—S2—S3—S8，當控制器向S2添加流表項時發生了溢出，但該QoS路由機制不會檢測到流表溢出的情況，會保持當前的選路結果；而本文提出的QoS路由機制能夠檢測到流表溢出，并及時為客戶端更換了路徑，所選路徑為S1—S6—S3—S8.

Fig. 9 Routing choice comparison of QoS routing mechanism in the flow table overflow situation of S2圖9 S2流表溢出時QoS路由機制的選路情況對比

從圖10中可以看出，對于文獻[14]提出的QoS路由機制，由于S2流表的溢出，S1向S2轉發的數據包大量丟失，從而造成了客戶端吞吐量持續下降并低于閾值，導致QoS得不到保障.然而，本文提出的動態QoS路由機制及時感知到了流表的使用情況，避開了經過流表溢出的交換機的鏈路，選擇的視頻傳輸路徑為S1—S6—S3—S8，能夠維持視頻客戶端正常的吞吐量水平.

7 總 結

軟件定義的VANET架構可以為VANET中各類服務提供更有效的支持.本文首先設計了一種面向異構多網接入的軟件定義VANET架構，完善了現有工作中數據平面的設計；接著以此架構為基礎提出了一種流表用量感知的動態QoS保障框架，并提出了多業務流多約束條件下流表用量感知的QoS路由模型，為VANET應用服務提供并發的動態QoS路由，能夠滿足多業務對各自丟包、時延和吞吐量的要求，還能夠感知交換機流表的使用情況，避免流表溢出對QoS路由的影響，進一步提高了網絡QoS保障的性能.

在保障應用QoS的同時，動態QoS路由機制也帶來了網絡開銷.網絡開銷主要包括QoS路由機制啟動時采集網絡拓撲和鏈路信息所帶來的開銷以及啟動后定時采集業務QoS指標和流表用量的開銷.QoS路由機制啟動時，需要采集交換機的基本信息、鏈路的基本信息和網絡拓撲結構，這部分開銷的大小會隨著交換機和鏈路數量的增加而增加；當QoS路由機制啟動后，會定時(秒級)并發地采集業務的QoS指標和流表使用情況，這部分的開銷不僅與交換機、鏈路的數量有關，還與系統的并發負載能力有關.

在未來的工作中，我們將考慮不同業務具有不同的優先級，并將其與多業務流多約束條件下流表用量感知的QoS路由機制相結合，進一步提升在VANET場景下網絡對各類應用的QoS保障能力.

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FuBin, born in 1978. PhD. Lecturer in the College of Computer Science and Electronic Engineering, Hunan University. Member of CCF. Her main research interests include wireless communication, software defined networks and Internet of things.

ZhaLijia, born in 1991. Master candidate in the College of Computer Science and Electronic Engineering, Hunan University. His research interest is software defined networks (charlie91825@icloud.com).

LiRenfa, born in 1956. Professor and PhD supervisor in the College of Computer Science and Electronic Engineering, Hunan University. Senior member of CCF. His main research interests include embedded system, cyber-physical system and wireless networks (lirenfa@hnu.edu.cn).

XiaoXiongren, born in 1978. PhD candidate. Lecturer in the College of Computer Science and Electronic Engineering, Hunan University. Member of CCF. His main research interests include dependable distributed systems, embedded systems and computer networks (xxr@hnu.edu.cn).

AFlowTableUsage-AwareQoSRoutingMechanisminSoftwareDefinedVANET

Fu Bin1,2, Zha Lijia1,2, Li Renfa1,2, and Xiao Xiongren1

1(College of Computer Science and Electronic Engineering, Hunan University, Changsha 410082)2(Key Laboratory for Embedded and Network Computing of Hunan Province(Hunan University), Changsha 410082)

VANET can provide a wide range of security and non-security related services. However, the existing VANET is difficult to guarantee the QoS of these services. Software defined networking (SDN), which appears in a systematic way, can control network flexibly and separate the data from the control plane, bringing programming ability to the network. Firstly, this paper designs a software defined VANET architecture for heterogeneous multi network access. Secondly, a flow table usage-aware dynamic QoS provisioning framework is proposed, which allows us to manage the network in a modular way and supports the dynamic entering and exiting of the service flows. Finally, this paper establishes a flow table usage-aware QoS routing model with multi-service flows and multi-constraints. The model considers not only the parameters of link state such as packet loss, delay and throughput, but also the service requirements and the flow table usage, and provides VANET application services for a concurrent dynamic QoS routing. Experiments show that QoS routing mechanism proposed in this paper can meet not only the service requirements of their packet loss, latency and throughput, but also the capable of perceiving the usage of flow table so as to avoid the influence of flow table overflow for QoS routing mechanism, which further improves the performance of network QoS.

software defined networking (SDN); vehicular ad hoc network (VANET); quality of service (QoS); routing model; flow table

2016-12-07；

2017-02-21

國家自然科學基金項目(61502162)；中央高校基本科研業務費專項資金項目(531107040289)

This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (61502162) and the Fundamental Research Funds for the Central Universities (531107040289).

(fubin@hnu.edu.cn)

TP393