一种融合QoS及负载均衡需求的路由选择方法技术

本发明专利技术提供一种融合QoS及负载均衡需求的路由选择方法，它包括以下的步骤：首先，通过边界交换机和高性能云平台的协作实现流类型的分析与标记；其次，控制器通过网络测量得到链路实时状态信息，结合待转发流类型和网络负载均衡性计算链路综合评价指标；最后，控制器根据全局拓扑结构信息和链路综合评价指标，计算最优路由。本方法兼顾用户业务质量和网络负载均衡，使网络在实现动态负载均衡的同时，能够最大限度满足业务流的QoS需求。

【技术实现步骤摘要】
一种融合QoS及负载均衡需求的路由选择方法
本专利技术涉及网络
，更具体地，涉及一种融合QoS及负载均衡需求的路由选择方法。
技术介绍
基于互联网的通信方式在不断扩张和普及的过程中，已经成为现代社会生活中不可或缺的基本元素之一。随着网络承载数据和业务的不断演化，网络终端客户和网络基础设施运营者对网络通信的要求也在不断提升，主要体现在两个方面：(1)终端客户不再满足于简单的“发送/接收”，而是希望网络能够突破“数据管道”的局限性，提供灵活的数据转发策略、保障不同类型的业务流服务质量(QualityofService，QoS)，从而提升用户体验质量(QualityofExperience，QoE)；(2)网络运营者不再停留在简单的“转发”工作，而是希望通过合理的优化方案有效提高网络负载的均衡性，从而保证网络链路的可用性和稳定性，并以最优的网络资源成本完成客户数据流的通信。针对上述要求，常见的解决方法主要有两种：以客户服务为中心的方案和以网络性能为中心的方案。前者主要通过网络基础设施的升级和网络资源扩容的方法保障网络客户业务流的QoS和终端用户的QoE。其主要问题在于：(1)升级与扩容会导致网络运营者的成本增加；(2)以QoS/QoE为唯一目标，会导致大量低配置链路的网络资源闲置，从而造成网络资源浪费，而一些优质链路则可能频繁出现拥塞，并由此产生“呼损”。以网络性能为中心的方案则依据给定的调度策略，通过负载均衡，避免链路过度的“空闲”和“拥塞”，提高网络的整体利用率、可用性和稳定性。但其主要问题在于负载均衡的实现难以同时兼顾终端客户的QoS/QoE需求。从现有的网络通信管理策略可见，非“0”即“1”的方法已经难以满足现代通信的需要，设计一种能融合客户服务质量和网络负载均衡的路由选择方法是现代互联网中亟待解决的关键问题之一，也是现代大型数据中心网络和大规模企业网所面临的新挑战之一，因为这类网络的流量大、实时性要求高，而且业务流的类型纷繁复杂。目前，面向SDN的负载均衡研究可分为以下几类：(1)基于检测大流的方法：文献“LongH,ShenY,GuoM,etal.LABERIO:Dynamicload-balancedroutinginOpenFlow-enablednetworks[C]//AdvancedInformationNetworkingandApplications(AINA),2013IEEE27thInternationalConferenceon.IEEE,2013:290-297.”和“BraunW,MenthM.Load-dependentflowsplittingfortrafficengineeringinresilientOpenFlownetworks[C]//NetworkedSystems(NetSys),2015InternationalConferenceandWorkshopson.IEEE,2015:1-5”首先定义大流的概念，提出检测、定位大流的方法，动态检测网络中最繁忙的链路，通过判别该链路上是否有大流，将该链路上大流分成若干小流，通过若干条替代路径同时转发。文献“万晓榆,张丹,赵书宜,胡敏,樊自甫,王正强.一种基于链路实时负载的SDN动态负载均衡调度方法[P].重庆：CN106411733A,2017-02-15.”提出的方法在超过预设的网络负载均衡度阈值，检测定位大流，若符合调度条件则对大流进行分流和调度。以上基于检测大流的方法重点关注负载均衡，未考虑业务流QoS需求。(2)基于QoS的流量调度：在保证业务流服务质量的同时实现负载均衡，文献“熊琦,郑亮,于治楼.一种SDN网络下基于业务特征的调度方法[P].山东：CN105656799A,2016-06-08.”为业务流设置不同的优先级，权衡业务优先级和链路状态信息，为不同业务计算最优传输路径，但其业务优先级仅与业务最大容忍时延相关，忽略其他影响服务质量的因素。文献“王英,李春,李云,吴广富,郑焕平.网络效用最大化的SDN负载均衡方法[P].重庆：CN106656847A,2017-05-10”提出利用IP层服务类型(TypeofService，ToS)字段区分业务类型，综合网络效用和负载均衡为业务流计算最佳路由，但未明确如何标记ToS字段。(3)基于算法设计的调度方法：文献“LiY,PanD.OpenFlowbasedloadbalancingforFat-Treenetworkswithmultipathsupport[C]//Proc.12thIEEEInternationalConferenceonCommunications(ICC’13),Budapest,Hungary.2013:1-5.”提出基于数据中心胖树拓扑网络的动态负载均衡算法，使用单跳贪婪的策略，实现了局部路由最优决策，但是因未考虑全局网络状态，路由策略可能不是全局最优，导致部分链路负载过重。文献“魏凯.基于蚁群算法SDN负载均衡的研究[D].吉林大学,2015.”和“文强.SDN网络业务量工程技术研究[D].电子科技大学,2016.”分别利用蚁群算法和遗传算法实现SDN的负载均衡和多QoS路由，但它们均存在算法收敛速度慢、局部最优的问题。文献“Chen-xiaoC,Ya-binX.ResearchonloadbalancemethodinSDN[J].InternationalJournalofGridandDistributedComputing,2016,9(1):25-36.”利用神经网络算法使用链路利用率、丢包率、时延和跳数预测链路综合负载，从而选择链路综合负载最轻的路径，但是由于调参是根据模型性能决定，学习训练得到的模型不具有普适性，即模型适用于一种网络。文献“段元新,倪晓军,章韵.多指标综合评价的负载均衡路由策略研究[J].小型微型计算机系统,2017,38(2):209-212.”和“段元新,倪晓军,章韵.多指标综合评价的负载均衡路由策略研究[J].小型微型计算机系统,2017,38(2):209-212.”利用最短路径算法得到k条最短路径，而后对多条路径进行多指标综合评价，从中选出最优转发路径，但是多指标评价归一化方法不够准确，单一的加权评价模型未考虑业务流不同的QoS需求，同时为所有终端之间计算并评价K条路径需占用较多的计算和存储资源。基于传统网络架构的QoS保障方法主要有综合服务(IntegratedService，IS)模型和区分服务(DifferentiatedService，DS)模型。IS使用资源预留协议，通过预留网络资源保障高优先级数据流的QoS需求，要求所有网络节点监控网络状态、存储数据流的信息，存在策略实现复杂、扩展性差的缺陷。DS以数据包ToS字段标记流类型，优先处理转发ToS等级高的数据包，需要在边界交换机部署ToS字段标记，但无法根据全局网络状态调整优先级标记的策略。QoS路由“段元新.基于OpenFlow的负载均衡路由策略的研究[D].南京邮电大学,2016.”是一种基于业务QoS需求和网络可用资源进行路由的机制，是网络服务控制的核心技术问题。文献“崔勇,吴建平,徐恪,等.本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种融合QoS及负载均衡需求的路由选择方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)终端网络将数据包发往SDN边界交换机；(2)SDN边界交换机对已知的类型业务流进行ToS字段标注，将未知的业务流发送给高性能云平台，待高性能云平台分析识别该业务流后，SDN边界交换机根据分析结果对业务流进行ToS字段标注；(3)SDN边界交换机把数据包转发给SDN控制器，以获得正确的转发策略；(4)SDN控制器周期性测量网络，获得链路性能信息，并按预定的不同性能指标权重组合，计算不同性能组合模式下的链路综合评价指标，根据SDN边界交换机发来的数据包源和目的地址，及ToS字段，计算出最优路径及生成流表；(5)SDN控制器把流表分发给特定路径上的交换节点；(6)SDN交换机按照流表转发数据包，直到数据包到达目的端。

【技术特征摘要】
1.一种融合QoS及负载均衡需求的路由选择方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)终端网络将数据包发往SDN边界交换机；(2)SDN边界交换机对已知的类型业务流进行ToS字段标注，将未知的业务流发送给高性能云平台，待高性能云平台分析识别该业务流后，SDN边界交换机根据分析结果对业务流进行ToS字段标注；(3)SDN边界交换机把数据包转发给SDN控制器，以获得正确的转发策略；(4)SDN控制器周期性测量网络，获得链路性能信息，并按预定的不同性能指标权重组合，计算不同性能组合模式下的链路综合评价指标，根据SDN边界交换机发来的数据包源和目的地址，及ToS字段，计算出最优路径及生成流表；(5)SDN控制器把流表分发给特定路径上的交换节点；(6)SDN交换机按照流表转发数据包，直到数据包到达目的端。2.根据权利要求1所述的一种融合QoS及负载均衡需求的路由选择方法，其特征在于，上述高性能云平台的工作过程为：(201)接收由SDN边界交换机发送的未知类型流，提取流的五元组信息；(202)通过流量识别技术分析流，得到其业务类型；其中流量识别技术具体为使用深度包检测的技术分析，记录能够识别包的类型，无法识别的包再使用深度流检测技术基于统计信息进行分类；(203)将分析结果发送至SDN边界交换机；其中分析结果指用于标识流的五元组和流类型的对应关系，流类型包括会话类、流类、交互类、背景类四种类型。3.根据权利要求2所述的一种融合QoS及负载均衡需求的路由选择方法，其特征在于，SDN边界交换机是将网络功能网元以虚拟化的方式部属在通用的硬件服务器上，以硬件资源池分配的方法提供网络功能网元所需的计算、存储、网络资源，提高网络部署的灵活性；上层建立有流标记存储虚拟模块、标记ToS虚拟模块及转发流量虚拟模块；SDN边界交换机的工作过程为：(301)流标记存储虚拟模块接收终端网络发送的流，然后向高性能云平台发送未知流量类型的数据包，接收由高性能云平台计算得到的分析结果，存储分析结果，存储方式为记录以流的五元组为键值、以流类型为数值的关联数组；(302)标记ToS虚拟模块根据流标记存储虚拟模块存储的信息，判断数据包所属流类型，分析其QoS需求，标记ToS字段；(303)转发流量虚拟模块将数据包送往SDN控制器用于寻路，SDN控制器根据ToS字段计算综合代价最低的路径，生成流表并将流表发送给交换机，交换机根据流表转发数据包。4.根据权利要求3所述的一种融合QoS及负载均衡需求的路由选择方法，其特征在于，SDN边界交换机与高性能云平台通过一条专用链路实现相连，它们的信息交互过程如下：(401)SDN边界交换机发送未知类型数据包至高性能云平台；SDN边界交换机将该数据包作为净荷，封装在以SDN边界交换机端口MAC地址为源物理地址、目的物理地址为广播地址的以太网数据帧中，然后从对应端口送出；(402)高性能云平台接收该数据帧后，提取其净荷部分中的数据包，使用流五元组标识数据包所属业务流，并且识别业务流类型，得到五元组与流类型对应关系的分析结果，会话类、流类、交互类、背景类的类别编码依次为二进制码字00、01、10、11；(403)分析结果由高性能云平台返回至SDN边界交换机；高性能云平台将五元组和流类型的数据以二进制表示，将此数据作为净荷，封装在以高性能云平台网卡MAC地址为源物理地址、目的地址为广播地址的以太网数据帧中，然后送回至SDN边界交换机。5.根据权利要求4所述的一种融合QoS及负载均衡需求的路由选择方法，其特征在于，所述SDN控制器包含用于收集网络拓扑信息的拓扑发现模块、用于测量和收集网络链路信息的网络测量模块和用于综合评价链路，计算路由的路由功能模块；SDN控制器周期性地与各个交换机交换信息，然后根据收集的信息为数据包生成流表，指导交换机转发数据包；SDN控制器的稳定性对整个网络的稳定性有决定性作用，合理的设置轮询周期时长能够保证稳定的网络性能，SDN控制器的轮询周期时长的设置方法如下：根据SDN控制器计算能力设置最小轮询周期粒度τ，在不同CPU使用率的情况下，阶梯式地设置轮询周期T，具体如下：6.根据权利要求5所述的一种融合QoS及负载均衡需求的路由选择方法，其特征在于，SDN控制器为业务流选择路由，需要掌握网络全局拓扑结构信息，采用所述拓扑发现模块拓扑信息收集网络拓扑信息，包括交换机间的连接关系、主机以及子网的位置信息；(601)收集交换机间的连接关系：控制器周期性发送LLDP数据包，得到链路两端交换机以及对应端口的信息，以此获得整个SDN网络的交换机间的连接关系；(2)收集主机及子网的位置信息：主机作为源端主动发起通信时，数据包到达交换机处，交换机没有能匹配该数据包的流表时，产生包含主机IP地址、MAC地址的PacketIn消息交由SDN控制器，此时SDN控制器记录主机IP地址、MAC地址、交换机编号、交换机端口号四元组的信息；若SDN控制器没有目的端的位置信息，由SDN控制器构造ARP请求数据包，通过PacketOut消息广播到全网交换机上非交换机互联的端口上，目的端收到此ARP请求后，发送ARP应答数据包，同样此应答包会被交换机发送至SDN控制器，据此SDN控制器能掌握网络中主机的位置信息；Openflow流表包头域中不仅能用IP地址作为匹配项，也能用子网号作为匹配项，因此通过将同一个子网下的主机聚集为子网号作为流表匹配项来减少流表项的数目。7.根据权利要求6所述的一种融合QoS及负载均衡需求的路由选择方法，其特征在于，网...

【专利技术属性】
技术研发人员：王臻，谢逸，马海寿，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44