OpenFlow網(wǎng)絡(luò)基于DiffServ模型的QoS管理機(jī)制的實(shí)現(xiàn)

吳 慧，陳秋紅，劉國(guó)輝

(1.武漢郵電科學(xué)研究院，湖北武漢430074;2.光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430074)

隨著網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型已經(jīng)很難滿足網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的需求，軟件自定義網(wǎng)絡(luò)(Software－Defined Networks，SDN)，一種新型的網(wǎng)絡(luò)模型越來(lái)越受到重視。OpenFlow是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化SDN應(yīng)用協(xié)議，旨在以現(xiàn)有TCP/IP技術(shù)條件為基礎(chǔ)，將傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的控制平面與數(shù)據(jù)平面分離，以分布式、集中式控制的管理架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流量的靈活控制和設(shè)備的靈活部署［1］。然而，OpenFlow技術(shù)才剛起步，想要大規(guī)模部署還存在很多問題，比如與IP網(wǎng)絡(luò)的互通性、QoS等問題，因此對(duì)OpenFlow網(wǎng)絡(luò)中QoS管理機(jī)制的研究極具意義。

1 OpenFlow技術(shù)

OpenFlow是美國(guó)斯坦福大學(xué)于2007年提出的一種支持網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新研究的新型網(wǎng)絡(luò)交換模型，該模型通過(guò)開放流表支持用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)處理行為進(jìn)行控制，從而為新型互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)研究提供新的實(shí)驗(yàn)途徑［2］。

OpenFlow是一種SDN網(wǎng)絡(luò)，由一個(gè)包含整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞腛F(OpenFlow)控制器和擁有流表的OF交換機(jī)組成，前者通過(guò)開放的OF協(xié)議對(duì)OF網(wǎng)關(guān)設(shè)備中的流表進(jìn)行編程，決定每個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸路徑，而后者只負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，簡(jiǎn)化底層設(shè)備的工作負(fù)載。

1個(gè)OF交換機(jī)至少包含3個(gè)部分［3］:Flow Table(流表)、Secure Channel(安全通道)、OpenFlow Protocol(開放流協(xié)議)。OpenFlow交換機(jī)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 OF交換機(jī)的體系結(jié)構(gòu)

OF(OpenFlow)交換機(jī)中每個(gè)Flow Table流表項(xiàng)包含3 個(gè)域［4］:Head Fields(包頭域)、Action(動(dòng)作)、Counter(計(jì)數(shù)器)，如圖2所示。

圖2 OF交換機(jī)中流表項(xiàng)的組成

當(dāng)有數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)，OF交換機(jī)將其送入Pipeline流水線中進(jìn)行處理，即查詢流表項(xiàng)，若查詢到，就按照匹配的流表中Action域進(jìn)行處理;若未查詢到，就把數(shù)據(jù)包的第一個(gè)有效分組進(jìn)行OF協(xié)議封裝并通過(guò)安全通道發(fā)送到控制器，等待后續(xù)動(dòng)作的確認(rèn)。

2 QoS技術(shù)

QoS(Quality of Service)即服務(wù)質(zhì)量，它是一種網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制，用來(lái)保證網(wǎng)絡(luò)延遲、帶寬和阻塞等性能［5］。目前，IETF為QoS機(jī)制提供3種服務(wù)模型:BestEffort(盡力而為服務(wù)模型)、IntServ(綜合服務(wù)模型)和DiffServ(區(qū)分服務(wù)模型)。

DiffServ通過(guò)定義幾種特定的服務(wù)類型對(duì)業(yè)務(wù)流進(jìn)行分類，并為不同的分類提供對(duì)應(yīng)的每跳行為(Per Hop Behavior，PHB)來(lái)保證服務(wù)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)類型的QoS保證［6］。該模型靈活性好，易擴(kuò)展，但只能提供逐跳行為的QoS保證，而非端到端的。

3 OpenFlow網(wǎng)絡(luò)中QoS管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)整體框架

本系統(tǒng)在OF控制器NOX上添加QoSCLI組件、QoS管理器和QoS數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)QoS的管理層功能，在OF交換機(jī)Open Vswitch(OVS)上添加QoS代理和DiffServ流量控制模塊，實(shí)現(xiàn)分類業(yè)務(wù)的流量控制機(jī)制，系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.2 控制管理模塊間的信息交互

系統(tǒng)控制平面主要負(fù)責(zé)控制管理模塊之間的信息交互，將管理員的服務(wù)質(zhì)量需求通過(guò)指令的形式在整個(gè)管理域內(nèi)生效，提供QoS配置和查詢功能，例如對(duì)管理域內(nèi)結(jié)點(diǎn)的QoS配置更改、狀態(tài)查詢和歷史信息查看等。

當(dāng)管理員從QoSCLI界面輸入配置指令時(shí)，管理器會(huì)將指令信息進(jìn)行OF協(xié)議封裝，并通過(guò)安全通道發(fā)送給代理，同時(shí)更改數(shù)據(jù)庫(kù)中實(shí)時(shí)配置信息。QoS代理會(huì)將收到的配置信息解析出來(lái)，并更改DiffServ模塊的參數(shù)，例如分類規(guī)則、端口帶寬限制、隊(duì)列配置等，同時(shí)負(fù)責(zé)將Diff-Serv模塊執(zhí)行的結(jié)果反饋給代理，由代理封裝并上傳反饋結(jié)果給管理器。最后，反饋消息會(huì)被解析并顯示在CLI界面上，整個(gè)QoS指令配置任務(wù)完成。

圖3 OpenFlow QoS管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

3.3 Diffserv流量控制模塊的實(shí)現(xiàn)

DiffServ流量控制模塊負(fù)責(zé)對(duì)底層交換機(jī)上的數(shù)據(jù)流進(jìn)行流量控制，采用傳統(tǒng)的區(qū)分服務(wù)模型與OF交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制相結(jié)合，將前者的主要功能移植到OF軟交換機(jī)上。在OF軟交換機(jī)的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中添加了流分類、標(biāo)記測(cè)量和隊(duì)列處理等處理機(jī)制。

由于OF交換機(jī)只根據(jù)匹配到的流表項(xiàng)的Action域?qū)?shù)據(jù)流進(jìn)行處理，所以系統(tǒng)在流進(jìn)入Pipeline流水線處理之前，對(duì)流進(jìn)行分類和標(biāo)記，即修改IP包頭中的DSCP值，然后在匹配到的轉(zhuǎn)發(fā)端口上進(jìn)行隊(duì)列操作，保證不同DSCP值的包進(jìn)入不同的隊(duì)列，獲得不同的PHB處理。OpenFlow QoS管理系統(tǒng)的DiffServ流量控制模塊的數(shù)據(jù)流處理流程如圖4所示。

DiffServ流量控制模塊中各個(gè)部分的實(shí)現(xiàn)機(jī)制如下:

1)流分類:在DiffServ模型中，核心結(jié)點(diǎn)通過(guò)對(duì)DSCP值進(jìn)行匹配并分類，而邊緣結(jié)點(diǎn)則對(duì)包頭中所有字段或部分字段的組合進(jìn)行分類，將具有相同特征的單流匯聚成洪流，并送到不同的隊(duì)列中進(jìn)行處理。

2)測(cè)量和標(biāo)記:按照事先約定好的規(guī)則，修改流分類處理后的聚合流IP包頭中的DSCP值，確保擁有不同DSCP值的流進(jìn)入到不同的隊(duì)列中，進(jìn)行調(diào)度。主要通過(guò)配置靜態(tài)流規(guī)則對(duì)匹配到某種相同特征的流設(shè)置不同的Action動(dòng)作，即通過(guò)set_nw_tos來(lái)修改IP的TOS值，此動(dòng)作只需在邊緣結(jié)點(diǎn)中執(zhí)行。

圖4 DiffServ流量控制模塊數(shù)據(jù)流處理流程圖

3)Pipeline:當(dāng)數(shù)據(jù)流的DSCP字段被重新標(biāo)記后，數(shù)據(jù)流被送入Pipeline流水線處理，負(fù)責(zé)將流送入到指定的端口進(jìn)行下一步處理，此功能由Open vSwitch自動(dòng)完成，不需要做任何改動(dòng)。

4)隊(duì)列:隊(duì)列機(jī)制包括隊(duì)列管理和隊(duì)列調(diào)度，負(fù)責(zé)在交換機(jī)的端口上為擁有不同DSCP值的包提供不同隊(duì)列的帶寬資源分配、突發(fā)量、最大最小速率。在Open vS-witch的出端口上可以配置多個(gè)Linux－h(huán)tb的隊(duì)列，并設(shè)置不同的速率限制、突發(fā)和丟包率實(shí)現(xiàn)差別服務(wù)等級(jí)的流量調(diào)度。

4 功能實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的正確性和網(wǎng)絡(luò)流量控制的性能，搭建了一個(gè)簡(jiǎn)單的DiffServ模型的小型網(wǎng)絡(luò)，如圖5所示。

圖5 OpenFlow QoS管理系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)拓?fù)?/p>

其中OpenFlow控制器為運(yùn)行NOX及QoS控制程序的Linux(Ubuntu)主機(jī)，OVS為運(yùn)行OpenVswitch及Diff-Serv組件的Linux(Ubuntu)主機(jī)，分別充當(dāng)OpenFlow網(wǎng)絡(luò)的控制器和交換機(jī)。OVS1為邊緣結(jié)點(diǎn)，與控制器直連，OVS2為中心結(jié)點(diǎn)，PC1和PC2分別連接在2個(gè)結(jié)點(diǎn)上。為了簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)路由，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎渺o態(tài)路由的方式實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過(guò)數(shù)據(jù)流獲得的網(wǎng)絡(luò)帶寬和丟包率來(lái)驗(yàn)證。OVS配置如下:

#流分類，匹配tos值。1號(hào)端口流送入2號(hào)端口排隊(duì)，不同tos值的流送入不同隊(duì)列。

#ovs－ofctl add－flow br0"in_port=1 ip nw_tos=46 idle_timeout=0 actions=enqueue:2:0"

#ovs－ofctl add－flow br0"in_port=1 ip nw_tos=0 idle_timeout=0 actions=enqueue:2:1"

#標(biāo)記 BE

ovs－ofctl add－flow br0"dl_type=0x0800 nw_proto=6 idle_timeout=0 actions=mod_nw_tos:0"

#標(biāo)記EF，針對(duì)ftp流進(jìn)行流量控制，設(shè)置不同的tos值。

ovs－ofctladd－flow br0"dl_type=0x0800 nw_proto=6 tp_dst=21 idle_timeout=0 actions=mod_nw_tos:46"

#PHB行為:通過(guò)linux－h(huán)tb隊(duì)列實(shí)現(xiàn)。不同dscp值的對(duì)應(yīng)的隊(duì)列速率限制不同。

#ovs－vsctl set port eth1 qos=@newqos

id=@newqos create qos type=linux－h(huán)tb

other－config:max－rate=200000000 queues=0=@q0，1=@q1

id=@q0 create queue dscp=0

other－config:min－rate=100000000

other－config:max－rate=100000000

id=@q1 create queue dscp=46

other－config:min－rate=50000000

other－config:max－rate=50000000

從PC1向PC2發(fā)送2種優(yōu)先級(jí)不同的流A、B，A為FTP流，B為普通無(wú)服務(wù)質(zhì)量保證的流，網(wǎng)絡(luò)總帶寬為40 Mbit/s。在PC2上通過(guò)對(duì)A、B流量的分析，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表1所示。

表1 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，QoS管理系統(tǒng)能夠正確地區(qū)分不同QoS等級(jí)的服務(wù)，并提供差別服務(wù)質(zhì)量保證。系統(tǒng)使用前，不同的流公平占用網(wǎng)絡(luò)流量，系統(tǒng)使用后，不同的QoS等級(jí)的數(shù)據(jù)流獲得的網(wǎng)絡(luò)帶寬不同。

5 小結(jié)

本文通過(guò)簡(jiǎn)要的分析OpenFlow和QoS技術(shù)，結(jié)合OpenFlow對(duì)數(shù)據(jù)流的處理機(jī)制，提出了一種適用于Open-Flow網(wǎng)絡(luò)的QoS管理機(jī)制，通過(guò)控制器集中控制管理域內(nèi)的所有結(jié)點(diǎn)的QoS配置，并在底層OF交換機(jī)上配置靜態(tài)流規(guī)則實(shí)現(xiàn)流分類、標(biāo)記和入隊(duì)等流量控制機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了高效可控的QoS管理系統(tǒng)。但此系統(tǒng)需要人工配置QoS參數(shù)，且控制平面缺乏對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量的實(shí)時(shí)監(jiān)控和資源利用率等信息的采集，不能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境提供動(dòng)態(tài)的QoS策略，缺乏自適應(yīng)性，因此更加智能和自適應(yīng)的QoS管理體系還有待進(jìn)一步研究。

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