基于SDN的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)流路由策略模型

馮文超

（蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程系，甘肅蘭州，730070）

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的逐漸成熟，越來(lái)越多的設(shè)備接入到物聯(lián)網(wǎng)中，開(kāi)啟了自動(dòng)化智能化的生活方式[1]。隨著物聯(lián)網(wǎng)中設(shè)備的不斷增加，物聯(lián)網(wǎng)中的流量也越來(lái)越大，而在物聯(lián)網(wǎng)中不同業(yè)務(wù)流量對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求各不相同，如公共安全設(shè)備的數(shù)據(jù)必須具備高可靠性和實(shí)時(shí)性，網(wǎng)絡(luò)視頻數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)時(shí)性不敏感，但是對(duì)帶寬的要求較高，因此為了滿足不同應(yīng)用的需求，有必要為不同的網(wǎng)絡(luò)流量分配合理的網(wǎng)絡(luò)資源，從而保證物聯(lián)網(wǎng)中各種流量的服務(wù)質(zhì)量。

由于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)之初并沒(méi)有考慮到網(wǎng)絡(luò)流量的優(yōu)先級(jí)，因此無(wú)法滿足物聯(lián)網(wǎng)根據(jù)流量類型實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)路由控制從而保證用戶服務(wù)質(zhì)量的需求。軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）[2]的出現(xiàn)，為物聯(lián)網(wǎng)解決用戶服務(wù)質(zhì)量提供了新的思路。在SDN網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制面和數(shù)據(jù)面是相互獨(dú)立的，控制面通過(guò)Openflow等協(xié)議[3]收集和管理分布式的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，然后使用流表下發(fā)的方式控制數(shù)據(jù)流按照預(yù)定的路由策略進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的有效管控?；谏鲜霰尘?，本文提出了基于決策樹(shù)的業(yè)務(wù)流分類模型，該模型設(shè)計(jì)了流量感知節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)通過(guò)控制面和數(shù)據(jù)面的交互獲取物聯(lián)網(wǎng)中流量分布現(xiàn)狀，并對(duì)不同類型的業(yè)務(wù)流進(jìn)行分類，并根據(jù)不同業(yè)務(wù)流量對(duì)網(wǎng)絡(luò)需求的不同設(shè)計(jì)了基于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)QoS的業(yè)務(wù)流調(diào)度策略，該策略添加了網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)感知方法，通過(guò)控制流和數(shù)據(jù)流的交互計(jì)算出不同業(yè)務(wù)流量的網(wǎng)絡(luò)QoS參數(shù)，根據(jù)不同業(yè)務(wù)流量對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的QoS參考值選擇最優(yōu)的傳輸路徑，從而保障物聯(lián)網(wǎng)中不同業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)服務(wù)質(zhì)量，提高物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸效率。

1 物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)流分類模型

物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)流分類是指定路由策略的前提，對(duì)不同業(yè)務(wù)流的分析，既可以為后續(xù)流量轉(zhuǎn)發(fā)提供明確的目標(biāo)，也是確定不同類型流量對(duì)QoS質(zhì)量要求的主要方法。為了感知物聯(lián)網(wǎng)中不同類型流量的變化，設(shè)計(jì)了處于控制層的流量感知節(jié)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 流量感知節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

流感感知節(jié)點(diǎn)主要包括兩部分，獲取數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)截取模塊以及分析數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)分析模塊。數(shù)據(jù)截取模塊在數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊中獲取每個(gè)數(shù)據(jù)包的包頭，包括數(shù)據(jù)包的源IP和端口，目的IP和端口以及數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度，數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)間，數(shù)據(jù)包的流速，平均大小等。數(shù)據(jù)截取模塊獲取到相應(yīng)的數(shù)據(jù)之后轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)分析模塊，數(shù)據(jù)模塊根據(jù)上述信息分析，獲得當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中存在的應(yīng)用類型數(shù)量以及每個(gè)應(yīng)用的數(shù)據(jù)流的數(shù)量，數(shù)據(jù)流的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)以及數(shù)據(jù)流發(fā)生的頻率，首個(gè)數(shù)據(jù)包到最后數(shù)據(jù)包到達(dá)目的的時(shí)間差等，獲取到上述信息之后就可以使用數(shù)據(jù)分類模塊對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行分類。

在獲取各種數(shù)據(jù)流的特征屬性之后，可以根據(jù)特征屬性值對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行分類。由于在物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)流量的大部分屬性值是連續(xù)值，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)值的分類，需要選擇合適的分割特征值。CART算法[4]就是利用基尼系數(shù)[5]來(lái)選擇訓(xùn)練樣本中的分割特征值，然后在分割特征值將訓(xùn)練集分為兩個(gè)子集來(lái)構(gòu)建決策樹(shù)。對(duì)于給定的樣本D，其基尼系數(shù)定義如下：

其中：k是類別編號(hào)，Ck是k類樣本的集合，表示樣本集的數(shù)量，基尼系數(shù)越小表示樣本之間的差別越小?；诨嵯禂?shù)構(gòu)建分類樹(shù)的過(guò)程就是在樣本中不斷尋找滿足將訓(xùn)練集合分成兩部分的最小特征值的過(guò)程，也就是說(shuō)當(dāng)樣本集D分為特征值明顯區(qū)分的兩部分D1和D2時(shí)有：

通過(guò)循環(huán)迭代上述方法，當(dāng)出現(xiàn)分割點(diǎn)的基尼系數(shù)比當(dāng)前樣本集的基尼系數(shù)下降不夠時(shí)停止迭代。由于物聯(lián)網(wǎng)流量的特征值都是連續(xù)的，因此特征變量的分割點(diǎn)數(shù)量會(huì)很多，后果就是決策樹(shù)的枝干過(guò)多，劃分的類別過(guò)細(xì)，在對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行分類的時(shí)間太長(zhǎng)，因此需要對(duì)決策樹(shù)進(jìn)行減枝，減枝的過(guò)程就可以利用設(shè)置物聯(lián)網(wǎng)中流量的特征值的方式，如根據(jù)流量大小閾值設(shè)置傳輸?shù)膬?yōu)先級(jí)。在構(gòu)建決策樹(shù)的過(guò)程中，當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)中流量到達(dá)某個(gè)閾值時(shí)的特征值時(shí)作為停止迭代的最小特征值。

2 基于QoS的業(yè)務(wù)流路由策略模型

■2.1 基于SDN的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)感知

對(duì)物聯(lián)網(wǎng)中業(yè)務(wù)流進(jìn)行分類之后，還需要獲得網(wǎng)絡(luò)中流量的狀態(tài)信息，主要包括網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延，帶寬以及數(shù)據(jù)的丟包率，從而為網(wǎng)絡(luò)調(diào)度策略提供依據(jù)。網(wǎng)絡(luò)時(shí)延主要包括數(shù)據(jù)處理時(shí)延，排隊(duì)時(shí)延，發(fā)送時(shí)延和傳播時(shí)延，其中前兩者取決于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的處理能力，發(fā)送時(shí)延取決于數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度和鏈路傳輸速率，其計(jì)算方法：

其中：Ls指數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度，Vs指的是數(shù)據(jù)包的發(fā)送速率。在SDN網(wǎng)絡(luò)中，傳播時(shí)延是由SDN控制器發(fā)送探測(cè)包的方式來(lái)計(jì)算傳播時(shí)延，探測(cè)包在發(fā)送時(shí)的時(shí)間戳為T1，回復(fù)包的時(shí)間戳為T2，因此傳播時(shí)延可以用：

鏈路帶寬是鏈路傳輸數(shù)據(jù)的最大數(shù)據(jù)量，合理的分配各應(yīng)用的數(shù)據(jù)流量可有效提高網(wǎng)絡(luò)的資源利用率，SDN網(wǎng)絡(luò)中鏈路帶寬可以通過(guò)交換機(jī)的端口信息獲取，發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中包括交換機(jī)端口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，分別用tx1和rx1表示T1時(shí)刻網(wǎng)口的計(jì)數(shù)，分別用tx2和rx2表示T2時(shí)刻網(wǎng)口的計(jì)數(shù)，因此鏈路帶寬就可以表示為：

同理，網(wǎng)絡(luò)丟包率也可以通過(guò)交換機(jī)的端口信息處獲取，用rd1和td1表示在傳輸周期之前數(shù)據(jù)的發(fā)送量和接收量，用rd2和td2表示在傳輸周期之后數(shù)據(jù)的發(fā)送量和接收量，因此鏈路的丟包率可以表示為：

■2.2 業(yè)務(wù)流調(diào)度策略模型

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)采用Dijkstra算法，這種算法只考慮源和目的節(jié)點(diǎn)之間的跳數(shù)而沒(méi)有考慮到業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的QoS需求。為了適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)中多業(yè)務(wù)流量對(duì)QoS的需求，本文在對(duì)業(yè)務(wù)流進(jìn)行分類，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行探測(cè)，然后針對(duì)不同應(yīng)用提出的QoS需求對(duì)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)流量生成動(dòng)態(tài)路由策略，業(yè)務(wù)流調(diào)度策略模型如圖2所示。

圖2 業(yè)務(wù)流動(dòng)態(tài)調(diào)度策略

業(yè)務(wù)流動(dòng)態(tài)調(diào)度策略的步驟如下：

（1）當(dāng)業(yè)務(wù)流進(jìn)入到物聯(lián)網(wǎng)中，處于物聯(lián)網(wǎng)控制層之中的流量感知節(jié)點(diǎn)收集該網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)流量的基本信息，同時(shí)對(duì)業(yè)務(wù)流量進(jìn)行分類，然后將分類結(jié)果交給QoS需求分析模塊；

（2）QoS需求分析模塊收到業(yè)務(wù)流分類結(jié)果之后，會(huì)根據(jù)不同業(yè)務(wù)對(duì)QoS需求的不同給出相應(yīng)的QoS參數(shù)的參考值，然后將參考值提交給業(yè)務(wù)流動(dòng)態(tài)調(diào)度模塊；

（3）網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)感知模塊會(huì)計(jì)算出各鏈路實(shí)時(shí)的時(shí)延，帶寬和丟包率等參數(shù)，這些數(shù)據(jù)是動(dòng)態(tài)調(diào)度的重要參數(shù)，設(shè)QoS參考值如下：

其中：qc(1),qc(2),qc(3)分別表示鏈路時(shí)延，帶寬和丟包率的參考值，而鏈路的實(shí)際參考值為：

鏈路帶寬與鏈路傳輸性能呈正相關(guān)關(guān)系，為了體現(xiàn)這種相關(guān)關(guān)系，需要對(duì)這種結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，將所有的結(jié)果都轉(zhuǎn)化在(0,1)之間，因此有：

而鏈路時(shí)延和丟包率與鏈路傳輸性能負(fù)相關(guān)，因此有：

為了得到不同變量與參考值之間的關(guān)聯(lián)度[6]，本文采用了灰色關(guān)聯(lián)度分析[7]的方法，計(jì)算量化序列和參考序列之間的灰色關(guān)聯(lián)度。

其中：n表示QoS參數(shù)的個(gè)數(shù)。當(dāng)業(yè)務(wù)調(diào)度模塊獲得相應(yīng)的關(guān)聯(lián)度之后，就可以將該值作為Dijkstra算法的權(quán)值，SDN控制器就可以使用帶權(quán)重路徑的生成調(diào)度策略。SDN網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包調(diào)度算法的工作流程如下：

（1）使用網(wǎng)絡(luò)控制器向周圍的交換機(jī)發(fā)送LLDP數(shù)據(jù)包，同時(shí)收到LLDP數(shù)據(jù)包的交換機(jī)發(fā)起泛洪數(shù)據(jù)包，任何交換機(jī)收到該數(shù)據(jù)包之后，將流表中不存在的表項(xiàng)返回給控制器，控制器解析相應(yīng)的數(shù)據(jù)包就可以獲得源和目標(biāo)交換機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌?/p>

（2）利用拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)功能獲取網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)和邊，并以此生成全網(wǎng)拓?fù)鋱D；

（3）將灰色關(guān)聯(lián)度作為邊的權(quán)重賦給相應(yīng)的邊；

（4）使用帶權(quán)重的Dijkstra算法計(jì)算關(guān)聯(lián)度最優(yōu)路徑；

（5）控制器根據(jù)最優(yōu)路徑中的鏈路對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

3 實(shí)驗(yàn)和分析

為了驗(yàn)證物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)流路由策略模型，本文使用了北京虛網(wǎng)互聯(lián)科技公司的網(wǎng)絡(luò)仿真器的網(wǎng)絡(luò)仿真器來(lái)驗(yàn)證模型的有效性，該網(wǎng)絡(luò)仿真器具有還原度高，定制化性能強(qiáng)，能夠設(shè)置網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，網(wǎng)絡(luò)帶寬和丟包率等，且具備網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)審計(jì)功能，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)功能和性能測(cè)試具有很強(qiáng)的參考意義。本文的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

在實(shí)驗(yàn)中采用Iperf工具模擬網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，使用飛鴿傳書(shū)來(lái)仿真網(wǎng)絡(luò)中的文件傳輸和實(shí)時(shí)通信業(yè)務(wù)，同時(shí)使用DarwinStreamingServer驗(yàn)證流媒體業(yè)務(wù)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備是一臺(tái)Dell R730服務(wù)器，雙CPU（Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2660 0 @ 2.20GHz）16核32線程，DDR3內(nèi)存128G，使用的SDN控制器為Ryu 4.34。

為了驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流路由策略模型，本文選用業(yè)務(wù)流從源到目的的總時(shí)延，帶寬和丟包率三個(gè)指標(biāo)來(lái)驗(yàn)證本文方法（策略1），為了直觀體現(xiàn)算法的性能，采用了傳統(tǒng)的Dijkstra算法（策略2）以及自適應(yīng)路由與隊(duì)列調(diào)度策略（策略3）[8]做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延對(duì)比

對(duì)比了三種調(diào)度策略的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，從結(jié)果中可以看出，本文策略的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)在時(shí)延方面更具優(yōu)勢(shì)，而對(duì)于文件業(yè)務(wù)和流媒體業(yè)務(wù)等對(duì)時(shí)延不是特別敏感的應(yīng)用上，本文策略和其他兩種策略的結(jié)果相差不大，而對(duì)于連通性業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)，由于本文在計(jì)算路由時(shí)花費(fèi)了一些時(shí)間因此在連通性業(yè)務(wù)的時(shí)延方面處于劣勢(shì)。

圖5 網(wǎng)絡(luò)帶寬對(duì)比

對(duì)比三種調(diào)度策略的帶寬，可以發(fā)現(xiàn)在實(shí)施業(yè)務(wù)方面三者的帶寬相差不大，一般來(lái)說(shuō)是因?yàn)閷?shí)時(shí)業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)流量一般較小，因此很大程度上受限于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備硬件的性能，而仿真環(huán)境處于相同的硬件設(shè)備下，因此營(yíng)銷較小，而對(duì)于文件業(yè)務(wù)和自媒體業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)，本文算法具有相當(dāng)優(yōu)勢(shì)，在路由調(diào)度時(shí)滿足了兩者對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬需求，而其他兩者并沒(méi)有考慮到這一點(diǎn)。

圖6 網(wǎng)絡(luò)丟包率對(duì)比

對(duì)比三種策略的丟包率，可以發(fā)現(xiàn)在滿足QoS的基礎(chǔ)之上，本文策略在實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)和連通性業(yè)務(wù)上的丟包率和其他兩種策略相差不大，而對(duì)于文件傳輸以及流媒體業(yè)務(wù)丟包率較高，這是因?yàn)槲募鬏敇I(yè)務(wù)使用了TCP連接，本身具備了重傳功能，可以在一定程度上彌補(bǔ)丟包的問(wèn)題，而流媒體業(yè)務(wù)使用UDP傳輸，對(duì)丟包率的要求不高，因此調(diào)度策略根據(jù)QoS的需求，對(duì)這兩者的優(yōu)化程度較低，因此在丟包率上不如其他兩種策略。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用進(jìn)入多元化階段，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)目標(biāo)已經(jīng)不能滿足物聯(lián)網(wǎng)中多業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的需求。針對(duì)不同業(yè)務(wù)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)資源需求的差異，在SDN網(wǎng)絡(luò)框架下設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)流路由策略，首先通過(guò)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)感知方法，獲取了網(wǎng)絡(luò)中時(shí)延帶寬和丟包率等現(xiàn)狀，然后根據(jù)不同業(yè)務(wù)類型對(duì)網(wǎng)絡(luò)提出的QoS需求，設(shè)計(jì)了基于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)QoS的業(yè)務(wù)流調(diào)度策略，根據(jù)不同業(yè)務(wù)流量對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的QoS參考值選擇最優(yōu)的傳輸路徑，從而保障物聯(lián)網(wǎng)中不同業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)服務(wù)質(zhì)量，提高物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸效率。