基于SDN的QoS保障機(jī)制研究與分析

張俊

中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司

0 研究背景

隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的不斷創(chuàng)新與增量部署，運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)需要承載的數(shù)據(jù)流量及業(yè)務(wù)信息呈“爆炸式”增長(zhǎng)。同時(shí)，醫(yī)療、公安及無(wú)人駕駛等垂直行業(yè)也對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能不斷提出新的需求，這將給傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)巨大的壓力，如果仍采用“盡力而為”的傳輸方式，將難以滿足復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性的需求。為此，運(yùn)營(yíng)商通常采用“過(guò)度配置”的方式來(lái)確保他們所期望的服務(wù)質(zhì)量，這將導(dǎo)致大量網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)。并且，傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)由交換機(jī)、路由器、防火墻以及各種類型的中間件組成，為了能夠在現(xiàn)網(wǎng)中提供相關(guān)QoS保障，需要在這些設(shè)備中添加繁多的協(xié)議支持，這將使得網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度越來(lái)越高，管理難度不斷上升，最終到達(dá)網(wǎng)絡(luò)性能瓶頸狀態(tài)。SDN通過(guò)解耦轉(zhuǎn)發(fā)平面與控制平面，為上層應(yīng)用及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商抽象底層網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，提供開(kāi)放的接口，使得網(wǎng)絡(luò)可編程，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)的配置與管理，為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的QoS保障機(jī)制提供了更多的可能性，SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。通過(guò)邏輯集中的控制平面，能夠獲取全網(wǎng)的拓?fù)浜拖嚓P(guān)QoS參數(shù)信息，包括鏈路、主機(jī)以及交換機(jī)等狀態(tài)信息，網(wǎng)絡(luò)管理員通過(guò)REST API北向接口來(lái)制定路由策略，采用OpenFlow南向協(xié)議以更加細(xì)粒度的方式處理網(wǎng)絡(luò)流量，為應(yīng)用流選擇最佳的路由路徑，以滿足應(yīng)用在傳輸過(guò)程中的QoS約束需求。

1 傳統(tǒng)QoS保障機(jī)制

圖1 SDN架構(gòu)

為了保障應(yīng)用服務(wù)質(zhì)量并且提升端到端網(wǎng)絡(luò)性能，在傳輸數(shù)據(jù)流量前，需要在發(fā)送端和接收端之間為每種應(yīng)用選擇一條最佳路由，這對(duì)于緊耦合的IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)而言，實(shí)現(xiàn)起來(lái)困難。

針對(duì)端到端網(wǎng)絡(luò)性能的差異化需求，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界均探索出相關(guān)解決方案，以下將分析3種經(jīng)典方案：IntServ（Integrated Services，綜合服務(wù)）、DiffServ（Differentiated Service，區(qū)分服務(wù)）以及MPLS （Multi-Protocol Label Switching， 多協(xié)議標(biāo)簽交換）。

IntServ由 IETF（The Internet Engineering Task Force， 互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組）提出，用于在端到端流量傳輸過(guò)程中，基于每條流提供QoS保障。在發(fā)送數(shù)據(jù)流量前，應(yīng)用提出特定QoS約束請(qǐng)求，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過(guò)RSVP（Resource Reservation Protocol，資源預(yù)留協(xié)議）信令協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)中申請(qǐng)?zhí)囟ňW(wǎng)絡(luò)資源，如帶寬、時(shí)延等，只有在獲取到確認(rèn)信息后，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備才開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)流量。雖然該機(jī)制能夠有效地滿足應(yīng)用QoS約束需求，但是在傳輸鏈路中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備均需支持RSVP信令協(xié)議，存儲(chǔ)與服務(wù)相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過(guò)高，難以管理，可擴(kuò)展性較差，并且該機(jī)制不適用于較短生命周期的應(yīng)用流。

為了應(yīng)對(duì)IntServ擴(kuò)展性差的問(wèn)題，IETF又提出了DiffServ，該機(jī)制基于隊(duì)列優(yōu)先級(jí)和帶寬分配創(chuàng)建一組不同的服務(wù)類型，如帶寬、時(shí)延和丟包率等。發(fā)送數(shù)據(jù)流量前，在網(wǎng)絡(luò)入口或邊界，檢查數(shù)據(jù)報(bào)內(nèi)容，使用預(yù)先配置的應(yīng)用類型進(jìn)行分類，差分服務(wù)類由IP數(shù)據(jù)報(bào)報(bào)頭的DSCP（Differentiated Services Code Point，差分服務(wù)標(biāo)記字段）來(lái)表示，通過(guò)這些字段選擇網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)，路由器根據(jù)DSCP字段執(zhí)行PHB（Per Hop Behavior，逐跳行為），PHB即轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備對(duì)報(bào)文的處理行為，每個(gè)PHB與一種轉(zhuǎn)發(fā)方式或QoS要求相對(duì)應(yīng)，能夠劃分為類選擇器、加速轉(zhuǎn)發(fā)、確保轉(zhuǎn)發(fā)和盡力而為轉(zhuǎn)發(fā)四大類，從而提供一定程度上的QoS保障。然而，由于該機(jī)制以相同的方式處理相同類別的數(shù)據(jù)報(bào)，且采用逐跳的機(jī)制，導(dǎo)致無(wú)法適用于基于流的端到端QoS保障。

同樣的，MPLS也由IETF提出，該機(jī)制通過(guò)標(biāo)簽技術(shù)減少?gòu)?fù)雜的路由表查找過(guò)程。邊界路由器基于FEC（Forwarding Equivalence Class，轉(zhuǎn)發(fā)等價(jià)類）在每個(gè)報(bào)頭添加一個(gè)標(biāo)簽，數(shù)據(jù)報(bào)根據(jù)該標(biāo)簽進(jìn)行高速的轉(zhuǎn)發(fā)與路由，并且它能夠與IntServ和DiffServ結(jié)合使用。但是該機(jī)制部署比較復(fù)雜，管理困難，并且屬于靜態(tài)的，用于動(dòng)態(tài)QoS保障的代價(jià)較大。

綜上所述，現(xiàn)有QoS保障機(jī)制由于建立在當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)分布式架構(gòu)之上，缺乏全網(wǎng)資源的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，并且逐跳路由的方式無(wú)法動(dòng)態(tài)地適應(yīng)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)飛速發(fā)展的需求，因此并不能夠真正意義上便捷有效地為服務(wù)提供商、企業(yè)或終端用戶提供端到端QoS保障。

2 基于SDN的QoS保障機(jī)制

SDN轉(zhuǎn)控分離、網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放可編程等特性，使得網(wǎng)絡(luò)管理員能夠簡(jiǎn)單高效地在所部署的SDN架構(gòu)中編寫動(dòng)態(tài)的、定制化的程序，用于管理、配置并優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源。比如通過(guò)OpenFlow協(xié)議采集網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于遺傳算法的QoS路由算法，能夠快速地找到滿足應(yīng)用需求的可行路徑。OXP（Open eXchange，開(kāi)放性可變長(zhǎng)協(xié)議）協(xié)議針對(duì)多管理域場(chǎng)景，設(shè)計(jì)了一種高效且支持多模式的東西向接口協(xié)議。同樣的，WE-Bridge采用了完全分布式控制平面，解決了SDN 網(wǎng)絡(luò)中單一控制平面所面臨的瓶頸問(wèn)題，為互聯(lián)網(wǎng)的QoS保障機(jī)制提供了一種新的解決思路。以下將分別從SDN架構(gòu)對(duì)QoS的支持和OpenFlow協(xié)議對(duì)QoS的支持兩個(gè)方面進(jìn)行闡述。

2.1 SDN架構(gòu)對(duì)QoS的支持

通過(guò)對(duì)SDN“3個(gè)平面、3個(gè)接口”架構(gòu)的研究與分析，可以發(fā)現(xiàn)該架構(gòu)在QoS保障中展現(xiàn)出以下幾項(xiàng)突出優(yōu)勢(shì)：

（1）應(yīng)用感知的流量工程：邏輯集中的控制平面，使得應(yīng)用層能夠通過(guò)控制平面獲取數(shù)據(jù)平面實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)資源信息，并且結(jié)合DPI（Deep Packet Inspection，深度包檢測(cè)）技術(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用分類，網(wǎng)絡(luò)管理員能夠定義應(yīng)用與QoS優(yōu)先級(jí)隊(duì)列間的映射表，更好地適應(yīng)動(dòng)態(tài)的應(yīng)用需求。

（2）網(wǎng)絡(luò)資源監(jiān)控與端到端QoS支持：控制平面通過(guò)OpenFlow南向協(xié)議與數(shù)據(jù)平面進(jìn)行交互，對(duì)域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，如鏈路帶寬、鏈路傳輸時(shí)延等。

（3）網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化：在SDN架構(gòu)中，通過(guò)OpenFlow南向協(xié)議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片，用以創(chuàng)建特殊的專用網(wǎng)絡(luò)，適應(yīng)垂直行業(yè)的差異化需求。

（4）區(qū)分服務(wù)：在會(huì)話、用戶、設(shè)備、應(yīng)用程序級(jí)別上，通過(guò)OpenFlow多域匹配的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)更加細(xì)粒度的網(wǎng)絡(luò)控制，并且允許網(wǎng)絡(luò)提供商提供不同代價(jià)的策略。

（5）多路徑路由：當(dāng)發(fā)送/接收端之間存在多條物理鏈路時(shí)，根據(jù)OpenFlow多匹配域的特性，能夠?qū)崿F(xiàn)多路徑路由，充分合理有效地使用網(wǎng)絡(luò)資源。

2.2 OpenFlow協(xié)議對(duì)QoS的支持

OpenFlow作為SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中南向接口的一種實(shí)現(xiàn)方式，由斯坦福大學(xué)提出，規(guī)范由ONF（Open Networking Foundation，開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)基金會(huì)）制定與維護(hù)。目前，OpenFlow已經(jīng)從最初的1.0版本發(fā)展到了1.5版本，其中，OpenFlow1.3版本最為穩(wěn)定，被廣泛采用。

1.0版本中包含一個(gè)可選項(xiàng)“enqueue”，數(shù)據(jù)流通過(guò)依附在端口上的隊(duì)列進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，一個(gè)OF交換機(jī)根據(jù)端口情況，通過(guò)OF-CONFIG協(xié)議配置一個(gè)或多個(gè)隊(duì)列，包括Minrate、Maxrate和Experiment 三種參數(shù)，控制器通過(guò)南向協(xié)議查詢交換機(jī)的隊(duì)列信息。但是，該版本只允許單張流表，無(wú)法滿足應(yīng)用的多樣化需求。為此，1.1版本采用多級(jí)流表的方式，增加對(duì)VLAN和MPLS標(biāo)簽的匹配以及流量類型的支持。1.2版本中添加了最高速率隊(duì)列屬性。

1.3版本通過(guò)采用Meter表實(shí)現(xiàn)限速功能，結(jié)構(gòu)如圖2所示。每條流表項(xiàng)都能夠在相關(guān)指令集中定義一個(gè)Meter表，用于限速的實(shí)現(xiàn)。一條流表只能綁定一條Meter項(xiàng)，一條Meter項(xiàng)能被多條流表綁定，每個(gè)Meter表可以包含一個(gè)或多個(gè)Meter Bands，用于定義Band類型與速率。

并且，Meter表能夠與“set_queue”隊(duì)列設(shè)置操作結(jié)合使用，以提供復(fù)雜的QoS支持，如DiffServ等。

圖2 Meter表

3 應(yīng)用場(chǎng)景分析

以下將分別從“多媒體流QoS約束路由”和“域間QoS路由”兩種應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析，驗(yàn)證基于SDN的QoS解決方案的可行性與有效性。

3.1 多媒體流QoS約束路由

近年來(lái)，多媒體應(yīng)用發(fā)展迅猛，如視頻會(huì)議、互動(dòng)游戲和VoIP（Voice over Internet Protocol，網(wǎng)絡(luò)電話）等，并且這些應(yīng)用對(duì)端到端網(wǎng)絡(luò)帶寬、時(shí)延等都有著嚴(yán)格的要求，因此需要采用更加復(fù)雜且高效的路由協(xié)議來(lái)滿足QoS需求。然而，由于現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)路由協(xié)議無(wú)法獲取全局網(wǎng)絡(luò)視圖，以及現(xiàn)有QoS保障機(jī)制匱乏等局限性，在現(xiàn)網(wǎng)中高效地傳輸多媒體流將面臨各種挑戰(zhàn)。SDN憑借諸多優(yōu)勢(shì)為“多媒體流QoS約束路由”提供了一種新的解決方案，采用SDN架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)部署方式如圖3所示。首先，通過(guò)分流設(shè)備，數(shù)據(jù)流量能夠大致被分為兩種隊(duì)列，一種是帶有QoS約束的高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列（如視頻會(huì)議等），一種是采用“盡力而為”的低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列。

圖3 SDN部署方式

具體流程如下：

（1）SDN控制器采用OpenFlow協(xié)議獲取網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼版溌?、?jié)點(diǎn)信息，并且采集相關(guān)QoS參數(shù)信息。

（2）新的應(yīng)用流到達(dá)交換機(jī)，由于沒(méi)有匹配的流表項(xiàng)，則將報(bào)頭通過(guò)packet-in消息上送至控制器。

（3）控制器查看報(bào)頭信息，區(qū)分應(yīng)用類型。

（4）如果該應(yīng)用流不帶有QoS約束需求，則考慮低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，根據(jù)控制器中的默認(rèn)路由算法（如迪杰斯特拉算法）進(jìn)行路由計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為＜發(fā)送端-S2-S3-S5-接收端＞，并采用OpenFlow協(xié)議下發(fā)流表。

（5）如果該應(yīng)用流帶有QoS約束需求，仍采用迪杰斯特拉算法計(jì)算最短路徑，即＜發(fā)送端-S2-S3-S5-接收端＞，當(dāng)遇到鏈路擁塞、處理時(shí)延過(guò)大等問(wèn)題時(shí)，難以提供QoS保障。因此，對(duì)于帶有QoS約束需求的應(yīng)用流，需考慮高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，SDN控制器根據(jù)全網(wǎng)拓?fù)浼版溌窢顟B(tài)信息，通過(guò)路由模塊計(jì)算滿足需求的K條備選鏈路，最終選擇代價(jià)最小的鏈路，這類“約束最小代價(jià)路徑”問(wèn)題是NP難度的，可采用LARAC算法進(jìn)行求解，計(jì)算結(jié)果為＜發(fā)送端-S2-S1-S4-S5-接收端＞，并采用OpenFlow協(xié)議下發(fā)流表，該轉(zhuǎn)發(fā)鏈路雖然跳數(shù)更多，但是由于鏈路狀態(tài)更好，所以更加符合QoS的約束需求。

上述分析結(jié)果表明，SDN邏輯集中控制的方式能夠快速響應(yīng)特定應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的定制化需求，并且通過(guò)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的方式能夠有效地實(shí)現(xiàn)多媒體流的QoS約束路由。

3.2 域間QoS路由

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)針對(duì)跨域路由所提供的解決方案，大多是采用BGP（Border Gateway Protocol，邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議）。通過(guò)分布式部署模型雖然能在一定程度上滿足網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性要求，但是“hop-by-hop”的路由決策機(jī)制以及基于目的地址前綴的單路徑通告方式，由于路由過(guò)程中缺乏協(xié)商，各域內(nèi)的局部最優(yōu)路由無(wú)法保證全局最優(yōu)，從而造成用戶的體驗(yàn)質(zhì)量（Quality of Experience，QoE）下降。SDN網(wǎng)絡(luò)具有集中控制、多匹配域等優(yōu)勢(shì)，能夠細(xì)粒度地實(shí)現(xiàn)路由策略的表達(dá)，并且，各管理域控制平面都能夠獲取到各自域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息及相關(guān)服務(wù)質(zhì)量參數(shù)信息，這將為域間交互與協(xié)商帶來(lái)諸多便利。多管理域拓?fù)淙鐖D4所示。

圖4 多管理域拓?fù)鋱D

該部署方案采用完全分布式的控制平面，能夠有效地應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)不斷擴(kuò)展的趨勢(shì)。其中，轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備間不再互相共享網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，而是通過(guò)OpenFlow南向協(xié)議將本地狀態(tài)信息直接發(fā)送給控制平面，各域的控制平面通過(guò)與鄰域控制平面間信息的交互，并觸發(fā)協(xié)商，決策域內(nèi)路由以及到下一管理域的域間路由，根據(jù)協(xié)商的結(jié)果，再通過(guò)南向接口對(duì)數(shù)據(jù)平面進(jìn)行相應(yīng)的配置。

路由信息傳遞與更新的具體流程如下：

（1）控制器C1、C2和C3均運(yùn)行Speaker實(shí)例，并且發(fā)生HELLO報(bào)文，與相鄰Speaker實(shí)例間建立TCP連接。

（2）Speaker間交互OPEN報(bào)文，建立鄰居關(guān)系后，進(jìn)入ESTABLISHED模式。

相鄰兩方在ESTABLISHED模式下交互UPDATE報(bào)文，完成路由信息的傳遞與更新。C1解析IP報(bào)頭信息。若目的IP地址在當(dāng)前域，則根據(jù)域內(nèi)拓?fù)浼跋嚓P(guān)QoS參數(shù)信息，根據(jù)本文3.1中所述方案完成域內(nèi)QoS約束路由。若目的IP地址非本域，則根據(jù)NLRI，結(jié)合應(yīng)用需求及域內(nèi)路由策略，選擇最佳下一管理域C2，觸發(fā)域間協(xié)商。域間協(xié)商與路由的具體流程如下：

（1）C2接收到C1的協(xié)商請(qǐng)求報(bào)文后，檢查是否與本域策略沖突，若沖突則直接拒絕；否則根據(jù)協(xié)商請(qǐng)求報(bào)文中的應(yīng)用QoS需求，計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)路徑。倘若存在滿足需求的網(wǎng)絡(luò)資源，則回復(fù)ACCEPT報(bào)文及對(duì)應(yīng)的代價(jià)信息，否則回復(fù)REJECT報(bào)文。

（2）倘若目的IP不在C2所管轄的域中，則C1重復(fù)以上步驟，與C3進(jìn)行協(xié)商。

（3）最終，C1如果收到的報(bào)文為ACCEPT，代表協(xié)商成功，各控制器根據(jù)協(xié)商結(jié)果配置域內(nèi)交換機(jī)。

（4）當(dāng)控制器發(fā)現(xiàn)域內(nèi)資源無(wú)法滿足之前協(xié)商的SLA（Service-Level Agreement，服務(wù)等級(jí)協(xié)議）約定或域內(nèi)/間鏈路發(fā)送故障時(shí)，觸發(fā)協(xié)商通知，及時(shí)響應(yīng)并重路由。

上述分析結(jié)果表明，將SDN架構(gòu)運(yùn)用于多管理域間的路由，首先能夠降低頻繁路由信息交互帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載；其次，能夠方便地實(shí)現(xiàn)管理域間關(guān)于應(yīng)用QoS約束的請(qǐng)求與協(xié)商，以及靈活的SLA約定，為關(guān)鍵應(yīng)用提供端到端服務(wù)質(zhì)量保障。

4 結(jié)束語(yǔ)

垂直行業(yè)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)性能的迫切需求，以及傳統(tǒng)QoS保障機(jī)制在實(shí)施與部署過(guò)程中所存在的諸多缺陷與弊端，使得傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)面臨艱巨的挑戰(zhàn)。SDN的興起，打破了現(xiàn)網(wǎng)封閉式的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)配置與管理，提高了網(wǎng)絡(luò)的靈活性，為QoS保障帶來(lái)了新的機(jī)遇。本文結(jié)合SDN架構(gòu)思想以及南向協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)OpenFlow，研究了基于SDN的QoS保障機(jī)制。對(duì)于“輕負(fù)載”的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，直接選擇滿足QoS約束的端到端路由路徑；對(duì)于“重負(fù)載”的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，通過(guò)隊(duì)列優(yōu)先級(jí)機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。并在此基礎(chǔ)上，對(duì)兩種應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了假設(shè)，分別從域內(nèi)和域間兩個(gè)角度展開(kāi)理論論證與分析，表明SDN在現(xiàn)網(wǎng)QoS機(jī)制的改進(jìn)工作方面具備很好的應(yīng)用價(jià)值。