基于OpenDayLight控制器的流量控制方法簡述

馮謙

摘 要：當(dāng)前已有的QoS流量控制方法大多存在對網(wǎng)絡(luò)資源的利用率低、可擴展性差等問題。如何利用有限的網(wǎng)絡(luò)資源進行有效的流量控制，從而保障業(yè)務(wù)的QoS已成為一個非常迫切的問題。為解決此類問題，通過軟件定義網(wǎng)絡(luò)提出的控制層與數(shù)據(jù)層分離新思想，提出了一種基于 OpenDayLight控制器的 QoS 流量控制方法，利用控制器約束QoS路由技術(shù)提高了QoS控制的靈活性與可靠性，實現(xiàn)了對網(wǎng)絡(luò)資源的高效利用。

關(guān)鍵詞：ODL控制器;SDN網(wǎng)絡(luò);QoS

1、概述

隨著互聯(lián)網(wǎng)進入 21 世紀(jì)，網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨于扁平化，同時網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模也越來越大。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的分布式控制體系架構(gòu)已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代的通信傳輸對網(wǎng)絡(luò)的要求，并且在可擴展性、安全性、靈活性上存在不足。在這種情況下，SDN的概念得到了業(yè)界的廣泛關(guān)注和認(rèn)可。SDN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)核心是在網(wǎng)絡(luò)中引入一個SDN控制器，實現(xiàn)轉(zhuǎn)控分離和集中控制。SDN控制器掌控全局網(wǎng)絡(luò)并持有全局網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，向上提供API接口（北向接口）供SDN應(yīng)用調(diào)用，實現(xiàn)其需要定義的各種功能;控制器向下通過南向接口跟數(shù)據(jù)平面的轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備連接，實現(xiàn)控制管理。目前主流的南向接口例如OpenFlow協(xié)議，相對傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)而言，SDN具有集中控制、轉(zhuǎn)控分離、網(wǎng)絡(luò)能力開放的特點。

隨著新型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的興起，各種應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)的性能要求各有不同，例如，實時多媒體需要高比特率的吞吐量，VoIP 要求低的延時和低抖動。所以，如何利用現(xiàn)在有限的網(wǎng)絡(luò)資源來提供更好的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量保證一直是網(wǎng)絡(luò)研究熱點。本文設(shè)計了一種基于OpenDayLight控制器的QoS 流量控制方法，從而達(dá)到了對網(wǎng)絡(luò)資源的有效利用，其中OpenDayLight項目旨在加快創(chuàng)新、并促使SDN和NFV變得更加開發(fā)和透明。OpenDayLight項目是社區(qū)領(lǐng)導(dǎo)和企業(yè)支持的開源框架，任何個人和團隊都可基于該框架進行SDN控制器的相關(guān)開發(fā)工作。

2、基于 OpenDayLight控制器的 QoS 流量控制方法

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時，所有的數(shù)據(jù)流都有可能被丟棄，網(wǎng)絡(luò)必須根據(jù)業(yè)務(wù)的需求分配和調(diào)度資源，并為不同的數(shù)據(jù)流提供不同的QoS。具備QoS功能的網(wǎng)絡(luò)，能夠有效分配網(wǎng)絡(luò)帶寬，更加合理地利用網(wǎng)絡(luò)資源。本文提出的流量控制方法主要是在 SDN 控制器進行設(shè)計與實現(xiàn)，基于開源的OpenDayLight控制器。作者在OpenDayLight控制器內(nèi)添加QoS流量控制子項目，該子項目中主要包括資源監(jiān)控、QoS要求解析、QoS路由計算與管理、資源分配三個模塊，下面將分節(jié)對各個模塊進行闡述。

2.1、資源監(jiān)控模塊

資源監(jiān)視模塊用來統(tǒng)計和監(jiān)視當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)信息，包括網(wǎng)絡(luò)鏈路擁塞情況、鏈路的使用帶寬、時延、抖動及丟包率信息。OpenDayLight控制器中能訪問和過濾拓?fù)鋽?shù)據(jù)，資源監(jiān)視模塊可以創(chuàng)建聚合拓?fù)洳⑶覍酆贤負(fù)溥M行過濾，同時可以面向流表項，面向端口、面向隊列等進行統(tǒng)計，統(tǒng)計信息包括收發(fā)的字節(jié)數(shù)、傳輸錯誤情況、傳輸持續(xù)時間等。SDN網(wǎng)絡(luò)中交換機只對數(shù)據(jù)包進行轉(zhuǎn)發(fā)處理，交換機根據(jù)控制器流表下發(fā)模塊增添轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則并依據(jù)更新的流表項進行流量的轉(zhuǎn)發(fā)。

2.2、QoS策略及要求解析模塊

QoS策略模塊用于制定對QoS流的策略，包括針對特定應(yīng)用或特定用戶的策略，也可以是優(yōu)先級策略、路由策略等。通過人為制定的策略對業(yè)務(wù)流進行控制，事先為對應(yīng)數(shù)據(jù)流下發(fā)優(yōu)先級高的流表。QoS 要求解析模塊是通過對數(shù)據(jù)包中攜帶的QoS信息進行解析，用來獲得業(yè)務(wù)流的帶寬、延時或丟包率等QoS要求。目前 SDN 中控制器并沒有對業(yè)務(wù)流QoS要求解析機制。在OpenDayLight控制器中創(chuàng)建QoS策略及要求解析模塊，定義的流表匹配字段，能夠很好地支持 L2 ～ L4 層大部分基礎(chǔ)協(xié)議。因此可以通過端口號或?qū)笪牡膽?yīng)用層協(xié)議解析識別，在控制器與路由器之間建立 QoS 消息傳遞機制。

2.3、QoS 路由計算與管理與資源分配

QoS 路由管理模塊用于QoS流資源分配流表的生成和QoS路由的狀態(tài)包括延時、抖動、丟包率等的監(jiān)視。一旦不滿足QoS流傳輸要求則重新計算路由，通過直接刪除對應(yīng)路徑交換機中的流表實現(xiàn)，在網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備中進行這項工作會給網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備造成大量的工作負(fù)擔(dān)，QoS 路由計算與管理與資源分配模塊將路徑計算功能從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中剝離出來，作為一個可獨立的個體。因此資源分配模塊從 QoS 路由管理模塊獲得路徑及資源分配流表后，將流表信息傳遞給轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則管理模塊生成流表下發(fā)至底層設(shè)備，為 QoS 流創(chuàng)建高優(yōu)先級的隊列，保證傳輸帶寬。

3、實驗結(jié)果

通過物理機（linux ubuntu 14.04）安裝OpenDayLight作為控制器;并在WM虛擬機上運行mininet系統(tǒng)用來模擬網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和交換機。從而在此平臺上實現(xiàn)流量控制技術(shù)。使用傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、SDN 網(wǎng)絡(luò)和基于流量控制的 SDN 網(wǎng)絡(luò)的iperf 進行網(wǎng)絡(luò)帶寬和網(wǎng)絡(luò)延遲的測試比較，通過使用 mininet的仿真獲得結(jié)果。通過吞吐量和丟包率實驗結(jié)果對比可以看出，在未采取QoS流量控制時，每條流之間相互競爭帶寬，隨機分配有限的帶寬，導(dǎo)致每條流吞吐量低，網(wǎng)絡(luò)資源沒有得到有效的利用，進而導(dǎo)致丟包率嚴(yán)重，采用設(shè)計的QoS控制方法后，QoS 流傳輸?shù)玫搅艘欢ǖ谋ＷC，丟包率也降低了不少。

4、結(jié)束語

本文利用 OpenFlow 網(wǎng)絡(luò)中控制器能夠獲取整個網(wǎng)絡(luò)鏈路、節(jié)點狀態(tài)的實時精確信息的特點，提出了基于OpenDayLight控制器的流量控制方法，提出的自適應(yīng)多約束QoS路由技術(shù)實現(xiàn)了對QoS業(yè)務(wù)流的可靠傳輸和網(wǎng)絡(luò)資源的高效利用。與其他 SDN 下的QoS流量控制方法相比，本文提出的方法具有較強的靈活性、可靠性、適應(yīng)性及可擴展性。在今后的工作中，作者將在更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進行實驗證明其有效性。

參考文獻(xiàn)

[1] 陽凱 基于SDN的流量控制算法綜述 通信技術(shù) 2019.4.10

[2] 孔德武 基于OpenFlow的SDN網(wǎng)絡(luò)安全研究 企業(yè)科技與發(fā)展 2019.6.10