基于SDN的媒體分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的接入控制研究

摘要：隨著互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的不斷發(fā)展，觀看視頻已經(jīng)成為人們娛樂(lè)休閑、獲取信息的一種重要手段，這推動(dòng)了網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)的快速發(fā)展。而在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)下，很多視頻服務(wù)供應(yīng)商都開(kāi)始基于流媒體技術(shù)建構(gòu)專用的媒體分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，希望可以為用戶提供更加高效、優(yōu)質(zhì)的視頻服務(wù)，以提高自身競(jìng)爭(zhēng)力，擴(kuò)大業(yè)務(wù)規(guī)模。而為了應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不穩(wěn)定或是網(wǎng)絡(luò)擁塞造成的用戶服務(wù)質(zhì)量下降的問(wèn)題，廠商將軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）引入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之中，從路徑選擇以及控制優(yōu)化兩方面對(duì)網(wǎng)絡(luò)層視頻流進(jìn)行了改善。本文將以SDN在媒體分發(fā)網(wǎng)絡(luò)接入控制中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)視頻業(yè)務(wù);媒體分發(fā)網(wǎng)絡(luò);SDN;接入控制

前言

在信息時(shí)代下，隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷普及，寬帶網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)也獲得了迅猛的發(fā)展，流媒體技術(shù)也在網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)領(lǐng)域獲得了廣泛而深入的應(yīng)用。面對(duì)現(xiàn)階段越來(lái)越多樣化的流媒體業(yè)務(wù)，既有網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所存在的弊端和不足逐漸涌現(xiàn)出來(lái)，為了更好的應(yīng)對(duì)不斷提高的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)負(fù)擔(dān)，于是媒體分發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生，它引入分布式存儲(chǔ)技術(shù)，將分布式設(shè)備用于網(wǎng)絡(luò)媒體視頻內(nèi)容的存儲(chǔ)，并通過(guò)下層媒體服務(wù)器向用戶提供視頻服務(wù)，使得媒體視頻業(yè)務(wù)的響應(yīng)能力獲得了顯著提升。隨著媒體分發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用范圍的拓展，業(yè)界和學(xué)術(shù)界針對(duì)此技術(shù)的研究也在不斷深入，當(dāng)前一個(gè)研究熱點(diǎn)就是如何依托有限的系統(tǒng)資源進(jìn)一步提高媒體分發(fā)的效率和服務(wù)質(zhì)量，接入控制是其中的一個(gè)重要方向。

1 基于SDN的媒體分發(fā)網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)述

1.1SDN介紹

在互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用不斷拓展的當(dāng)下，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)業(yè)務(wù)拓展的需要，如不能基于用戶的個(gè)性化需求進(jìn)行針對(duì)性的定制，不僅如此，視頻流在網(wǎng)絡(luò)端點(diǎn)之間不能根據(jù)用戶的網(wǎng)絡(luò)狀況以及實(shí)際需求進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)路徑的自由調(diào)整，因此從運(yùn)用商以及終端用戶的角度來(lái)講，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)都已經(jīng)到了必須改革的時(shí)間。不同于以往的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，SDN的創(chuàng)新性特征就是實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制層和轉(zhuǎn)發(fā)層的分離，這使得網(wǎng)絡(luò)管控受到的限制大幅度削弱。

SDN的架構(gòu)主要由應(yīng)用層、控制層和基礎(chǔ)設(shè)施層構(gòu)成，其中應(yīng)用層處于最上部，涵蓋了各類網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和服務(wù)業(yè)務(wù)，主要負(fù)責(zé)接入控制、流匹配、轉(zhuǎn)發(fā)方案等控制策略的制定。應(yīng)用層與下層之間的通信主要是通過(guò)API接口來(lái)實(shí)現(xiàn)?？刂茖犹幱谥虚g位置，其主要職責(zé)是根據(jù)應(yīng)用層傳遞的策略，對(duì)各類控制功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)現(xiàn)途徑為下發(fā)流表?；A(chǔ)設(shè)施層處于最下部，包含了各類底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如交換機(jī)等，具體功能是進(jìn)行流表數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)發(fā)以及狀態(tài)采集。在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，底層與控制層之間通過(guò)控制數(shù)據(jù)平面數(shù)據(jù)接口進(jìn)行信息交換。

上文所提及到的OpenFlow協(xié)議交換機(jī)是SDN架構(gòu)有別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的顯著標(biāo)志，此類交換機(jī)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中所采用的交換機(jī)或路由器之間的區(qū)別是OpenFlow交換機(jī)只按照流表進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，決策功能則由SDN控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，OpenFlow交換機(jī)在接收到數(shù)據(jù)包后，會(huì)對(duì)本地流表的匹配情況進(jìn)行判斷，此處可分為兩種情況，若匹配成功則會(huì)查詢并轉(zhuǎn)發(fā)目標(biāo)斷口，反之則將情況反饋到控制層。

OpenFlow協(xié)議交換機(jī)主要由三部分構(gòu)成，分別是安全信道、數(shù)據(jù)流表和OpenFlow協(xié)議。其中安全信道的主要功能是架起交換機(jī)和SDN控制器相互通信的橋梁，控制器可通過(guò)該信道發(fā)送指令控制交換機(jī)動(dòng)作，前者則通過(guò)該信道進(jìn)行信息的反饋和請(qǐng)求的發(fā)送。數(shù)據(jù)流表主要包含的是數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，它是由許多流表項(xiàng)構(gòu)成的，各個(gè)流表項(xiàng)中包含有最詳實(shí)的轉(zhuǎn)發(fā)信息，分別對(duì)應(yīng)著具體的操作。流表項(xiàng)的類型有三，分別是匹配字段、計(jì)數(shù)器和操作，匹配字段是流表項(xiàng)的標(biāo)識(shí)，計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)流表項(xiàng)的信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，操作則是指匹配成功后所要執(zhí)行的內(nèi)容。OpenFlow協(xié)議主要用于交換機(jī)與SDN控制器之間的通信，處于二者之間的接口部位。

在整個(gè)SDN系統(tǒng)架構(gòu)中，控制器處于核心位置，內(nèi)部設(shè)置有網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的管理和控制決策。SDN控制器決定著網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)發(fā)策略，它會(huì)根據(jù)OpenFlow所接收到的數(shù)據(jù)包制定轉(zhuǎn)發(fā)策略并下發(fā)流表，轉(zhuǎn)發(fā)路徑的選擇是通過(guò)交換機(jī)上流表項(xiàng)的添加或是修改來(lái)達(dá)成的。通過(guò)SDN控制器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備情況的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，為上層應(yīng)用功能的實(shí)現(xiàn)提供信息支撐，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化。

1.2基于SDN的媒體分發(fā)網(wǎng)絡(luò)

基于SDN的媒體分發(fā)網(wǎng)絡(luò)主要由SDN控制器、流媒體服務(wù)器以及可編程存儲(chǔ)路由器三部分構(gòu)成，在高性能服務(wù)器的支撐下，可通過(guò)SDN控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的有效管控，實(shí)時(shí)獲取網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)信息，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行全局優(yōu)化?？删幊檀鎯?chǔ)路由器所具有的存儲(chǔ)功能使得用戶不再需要向遠(yuǎn)距離的邊緣服務(wù)器請(qǐng)求資源，可直接從路由器中獲取所需的資源，如此將大幅度的提升資源傳輸?shù)男?，?shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)質(zhì)量的提升。流媒體服務(wù)器則主要是根據(jù)可編程存儲(chǔ)路由器所發(fā)出的請(qǐng)求進(jìn)行新資源的分發(fā)。

2 基于SDN媒體分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的接入控制研究

結(jié)合現(xiàn)有的研究成果來(lái)看，最早關(guān)于接入控制的研究面向的是有線網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)帶寬問(wèn)題。在有線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，系統(tǒng)接入的業(yè)務(wù)越多，每個(gè)業(yè)務(wù)所占用的服務(wù)帶寬也就越少，如此必然會(huì)造成服務(wù)質(zhì)量的下降。針對(duì)接入控制技術(shù)的研究就是為了解決這一問(wèn)題。接入控制在電路交換電話網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了對(duì)QoS的有效保障，取得了顯著的成效。隨著研究的不斷拓展深入，接入控制逐漸被引入到無(wú)線系統(tǒng)中。

就目前來(lái)看，傳統(tǒng)媒體分發(fā)網(wǎng)絡(luò)最常采用的接入控制方法主要有以下幾種，一是基于閾值的接入控制，其優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單、便于實(shí)現(xiàn)，常用的策略包括安全共享策略、完全區(qū)分策略、自適應(yīng)閾值策略、資源預(yù)留策略等。二是隨機(jī)優(yōu)化接入控制，具體是模擬服務(wù)系統(tǒng)接入的具體過(guò)程，在此基礎(chǔ)上搭建模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)演化的有效描述，在此基礎(chǔ)上基于策略優(yōu)化算法改進(jìn)服務(wù)系統(tǒng)接入控制，其優(yōu)點(diǎn)在于將接入控制策略的精細(xì)化程度更高。其中應(yīng)用最廣泛的就是Markov決策過(guò)程，它是將服務(wù)系統(tǒng)的接入控制過(guò)程建構(gòu)成MDP模型，根據(jù)此模型解決隨機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)化問(wèn)題。但需注意的是，采用MDP方法時(shí)可能會(huì)面臨一個(gè)關(guān)鍵性的問(wèn)題，即維數(shù)災(zāi)，它是指隨著系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，其狀態(tài)空間和決策空間也會(huì)增大，如此一來(lái)最優(yōu)策略求解的復(fù)雜程度也會(huì)提升，所需的運(yùn)算量也更加龐大。與之相比，POMDP僅利用部分可知的觀測(cè)信息完成控制優(yōu)化，其所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)狀態(tài)空間和決策空間多相對(duì)偏小，最佳策略求解所需的時(shí)間也更少，因此實(shí)際應(yīng)用價(jià)值更高。上述研究大多是利用可獲取的服務(wù)節(jié)點(diǎn)容量和負(fù)載信息制定接入控制方案，并未考慮到服務(wù)節(jié)點(diǎn)性能瓶頸或是傳輸鏈路服務(wù)資源有限的狀況。因此針對(duì)SDN媒體分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的接入控制應(yīng)轉(zhuǎn)變思路，充分利用SDN控制器所具有的功能對(duì)全網(wǎng)信息進(jìn)行感知，獲取服務(wù)節(jié)點(diǎn)資源分配信息、服務(wù)狀況信息以及數(shù)據(jù)傳輸路徑的資源使用情況，作為上層控制決策的依據(jù)。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于SDN的媒體分發(fā)網(wǎng)絡(luò)相較于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)質(zhì)量的提升，接入控制作為網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，有助于系統(tǒng)資源利用率的提升，優(yōu)化用戶服務(wù)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

鄭宇（1982.5-）男，漢族，廣東廉江人，本科，研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

課題

基于5G背景SDN架構(gòu)下的層疊網(wǎng)（Overlay）業(yè)務(wù)優(yōu)化的研究，課題編號(hào)：2020KY35010。