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软件定义网络中的自主QoS管理机制
摘要
随着网络复杂性的增加，网络控制和管理的灵活性成为一个不可忽视的问题。软件定义网络（SDN）和自主网络技术都是复杂的网络控制和管理技术。这两种技术可以结合在一起，为未来的网络构建一个软件定义的自我管理解决方案。提出了一种软件定义网络（AQSDN）中的自主QoS管理机制。在AQSDN中，通过扩展OpenFlow和配置协议，可以在OpenFlow交换机中自动配置各种QoS特性。在AQSDN的基础上，提出了一种新的分组上下文感知QoS模型（PCaQoS），用于提高网络的QoS。当包被标记并管理到转发队列中时，PCaQoS将包上下文考虑在内。为了验证该设计，给出了一个视频应用程序原型的实现，该原型评估了AQSDN的自配置特性和PCaQoS的增强能力；服务质量（QoS）。
一、导言
随着各种网络设备和服务器的增加，近年来，网络控制和管理的复杂性急剧上升。QoS管理是网络管理的重要组成部分。已有各种QoS模型和机制被提出，但还没有一种适合所有QoS的算法。分析了队列管理和调度在不同的上下文条件（不同的工作负载或传输介质）下的不同组合的优缺点[1]。目前，不同的服务或应用需要获得不同的网络资源来满足其需求。因此，基于文本感知的可自配置QoS模型和机制备受期待。
为了降低网络管理成本和网络故障概率，在网络控制和管理中引入了自主网络技术，定义了MAPE-K[2]或类似模型下的自属性。自我属性包括自我配置、自我保护、自我修复和自我优化/调整[3]。自主功能在许多关注未来网络架构的项目中也被认为是一个重要的组成部分[4-8]。
软件定义网络（SDN）将控制平面和数据平面分开，通过软件可以实现一些网络控制和管理功能，而不必更新大量的网络元素。OpenFlow协议由Open Networking Foundation（ONF）提出，是SDN中最流行的控制器与OpenFlow交换机之间通信的标准，为了支持QoS管理功能，OpenFlow协议的每一个版本都定义了队列动作，但不涉及队列配置。在版本1.3[9]中，定义了仪表表、仪表频带和两种可选频带类型（即drop和dscp备注）。根据这些定义，可以添加用于增强OpenFlow交换机的计量能力的其他频带类型。作为OpenFlow协议的辅助协议，可以利用Config[10]在较低的时间尺度上配置OpenFlow协议不支持的那些功能，例如。，OpenFlow交换机中队列的最小和最大传输速率。它还可以扩展以承载更多的QoS配置。
为了保证网络的服务质量，设计了一种SDN（AQSDN）中的自主服务质量管理机制。在这种机制中，控制者在自主控制回路中承担分析和决策的功能，而交换机则充当上下文的收集器和行为的执行器。该机制根据来自数据平面的上下文和来自操作者的策略自适应地控制QoS规则。此外，为了提高多媒体服务的质量，我们还提出了一种包上下文感知的QoS模型（PCaQoS），它根据包的语义优先级来处理包。
论文的其余部分安排如下。第二节介绍了软件定义网络的QoS控制和管理的相关工作。第三节概述了AQSDN的体系结构，第四节介绍了PCaQoS，第五节评价了AQSDN的自配置特性和PCaQoS的性能。
二、 相关工作
QoS保证的几种解决方案提出了在不扩展OpenFlow协议的情况下调整流路由的方法[11-13]。文[11]设计了一种新的优化模型，在选择服务路由时，将指定的QoS流量与正常的尽力而为流量区分开来，从而满足可伸缩视频流的QoS契约。[12]中的模型是[11]的扩展版本。它为服务提供者打开API以干扰路由计算。管理层是利用SDN控制器的北向接口设计的[13]。管理层对作为控制层路由决策基础之一的QoS策略进行验证和实施，但这些工作目前并不涉及将各种QoS策略配置到SDN交换机中。
文献[14]提出了一种自动可扩展的QoS控制体系结构。它将速率限制和队列映射API添加到开放流。速率限制器API用于将一个或多个流映射到特殊速率限制器，而队列映射API用于将流映射到特殊优先级队列。QoSFlow[15]扩展了OpenFlow协议1.0，以提高OpenFlow/SDN网络的QoS控制能力（即使用分层令牌桶进行整形、使用随机公平队列进行调度和使用随机早期检测进行拥塞避免）。PindSwitch[16]为队列调度的配置提供输出队列控制消息。然而，它们都没有考虑到包标记。[15，16]将队列的配置集成到OpenFlow协议中，而不是像我们这样探索配置来配置队列管理和调度规则。
三、 AQSDN体系结构
AQSDN体系结构如图1所示。位于SDN控制器中的QoS控制模块动态地决定或选择QoS规则。OpenFlow协议和OF-config协议被扩展以从SDN控制器将QoS规则设置为SDN交换机。在OpenFlow交换机中实现了多种功能和组件，实现了上下文感知和QoS规则的实例化。
图1 AQSDN体系结构
3.1 QoS控制模块
QoS控制模块是ONF控制器的一个应用，它有两个功能模块。一种是QoS方案决策模型，它确定合适的队列管理和调度方案及其参数。这个模型很少被激活，例如，当一个开关被初始化或者当操作员强迫它的时候。另一种是QoS动作决策模型，它自适应地确定分组标记并为每个流指定队列。这种模式可能经常被激活。QoS方案和操作统称为QoS规则。QoS控制模块包括上下文管理、分析、规则决策、需求数据库、规则数据库和策略数据库。这些模型的具体功能描述如下：需求数据库：存储网络提供的QoS需求在控制器上运行的操作员、最终用户或其他应用程序。
规则数据库：存储用于特殊需求或特定网络环境的历史QoS规则。Policy DB：存储OpenFlow交换机支持的QoS策略，网络运营商或其他应用可以提供这些策略。
上下文管理器：上下文管理器负责聚合、存储和管理从数据平面感知的上下文。一般来说，上下文可以包括描述实体情况的任何信息[17]。在AQSDN中，我们只关注网络的QoS管理。所以实体是网络和服务。网络上下文和流上下文定义为定义1和2。
定义1（网络上下文）：网络上下文是表征网络性能的信息集，它包括交换机或节点的状态信息（例如，节点上CPU和存储器的利用率以及分组队列的长度）和链路信息（例如，分组丢失率（PLR）延迟和抖动、可用带宽链接）
控制器通过访问管理信息库（MIB）获取节点状态信息，通过分析流的统计信息获取链路信息。众所周知，统计信息分为多个粒度：表级、流级、端口级、队列级和表级。
定义2（流上下文）：流上下文是描述服务流的信息集，它包括固有特性（例如，服务类型和QoS要求）和实时流特性（例如，突发速率）。
服务的固有特性可以在流的第一个包中携带，然后由具有深度包检测（DPI）技术的控制器实现。控制器通过对统计信息的切换实现实时性。
分析：分析模块的任务是分析QoS请求是否能够得到满足，以及它们之间是否存在冲突。如果发现冲突或无法满足QoS重新请求，则将这些重新结果发送给管理员。如果满足QoS请求，则将相关的上下文和需求转发给QoS规则决策模块，
规则决策： 规则决策组件可以在QoS规则数据库中选择合适的QoS规则。另外，该组件根据存储在QoS策略数据库中的上下文、QoS需求和QoS策略来规划新的QoS规则，并将新的QoS规则存储到QoS规则数据库中供以后使用。
为了清晰地描述控制过程，算法1给出了QoS控制模块的主要流程
3.2每个流中QoS操作的QoS规则的实施
包标记算法的选择由OpenFlow控制器通过OpenFlow协议配置。同时，通过config-point的配置协议对每个队列的QoS方案、队列管理方案和调度方案进行配置。
3.2.1实施QoS操作
现有的OpenFlow协议定义了关于流表、组表和表的配置的消息。en-queue/set queue操作指定连接到端口的队列应由flow输入。仪表台和仪表带提供流量仪表操作。然而，现有的重标记频带只降低了分组的丢弃优先级，不能满足各种QoS要求。因此有必要对OpenFlow协议进行扩展，使其能够支持多种包标记算法。根据仪表波段的定义，固定波段类型、速率和计数器字段，而其他参数随波段类型而变化。
算法1 QoS_控制
例如，有准确级别场在降带，没有评论带。另一方面，对于新的带来说，特定参数的数量是不可预测的。因此，我们探索类型长度值（TLV）格式来显示特定的参数（如图2所示），而不是为每个米波段预定义结构。在交换机中，需要创建和应用每个仪表波段的相应代码。我们添加了两种分组标记算法作为新的米带，单速率三色标记（srTCM）和分组上下文感知分组标记（PCaPM），如第4.1节所述。
3.2.2实施QoS规则
Of-config的传输使用NetConf 协议。通过选择合适的操作（例如lt;get-configgt;，lt;edit-configgt;），我们可以实现并设置开关中的电源。Config的存在为队列的最小和最大传输速率提供了支持。为了支持队列管理和队列调度方案的配置，我们在NetConf的内容层上丰富了Config的操作集。如图3所示，我们在OpenFlow队列的配置中补充了队列管理和队列调度方案。队列管理方案包括加权随机早期检测（WRED）和分组上下文感知队列管理（PCaQM），如第4.2节所述。队列调度方案包括优先级队列（PQ）和加权循环（WRR）。
图2可变参数仪表波段格式
在SDN交换机中增加了config信道。与OpenFlow通道类似，它是将每个OpenFlow开关连接到控制器的另一个接口。此接口负责从/到配置点的配置消息的解封装或封装，并指示/接收资源的配置。这样交换机就可以准确地config报文转换成交换机/路由器。此外，文中还提出了一种接口清晰的FPGA。它可以支持交换机/路由器中队列管理和调度的可配置功能。该方案为自动QoS管理带来了光明的前景。
四、包上下文感知QoS模型
与网络和流的上下文定义类似，包也有其上下文，被定义为定义3。以视频服务为例，在图片组（GoP）中，I帧的优先级最高，P帧的优先级高于B帧。
定义3（包上下文）：包上下文是描述包的信息集（例如，语义优先级别）。
数据包上下文可以由IPv6报头中的traffic class（TC）字段或IPv4报头中的（ToS）字段携带。在TC域中，语义优先级别的格式遵循DiffServ模型中类选择器（CS）编码点的定义。如果SDN考虑分组上下文，则可以提高QoS保证能力。然而，将包上下文传递给控制器是不现实的，因为这需要交换机和控制器之间的频繁通信。因此，我们设计了基于区分服务模型的分组上下文感知服务质量（PCaQoS）模型，使交换机能够感知分组上下文并本地响应。PCaQoS模型如图3所示。它不同于DiffServ模型。除了有关流的计数信息外，标记和队列管理器还考虑了数据包上下文。它们分别称为包上下文感知包标记（PCaPM）和包上下文感知队列管理（PCaQM）。
图3 OpenFlow队列的配置项结构
图4 PCaQoS模型
4.1包上下文感知包标记
文[18]提出了一种自主包标记（APM）算法。它试图取消令牌保留和令牌借用，以提高标记的可能性关键数据包为绿色。包大致分为两类：关键包和正常包。而APM仍然使用三种颜色来标记传输等级，无法提供准确的区分服务。
在这一部分中，提出了一种新的包标记机制PCaPM。它使用多色标记[19-21]通过扩展基于米的标记来区分不同的预分界水平。PCaPM通过基于分组上下文和基于计数的标记的标记结果来标记DSCP代码来启动多色分组标记。标记结果映射到池2（xxxx11）。图5示出了PCaPM的情况。在这种情况下，基于计量的标记是srTCM，一个服务的包呈现三种优先级（高、中、低）以及从计量结果到标记颜色的映射关系如表1所示。
表一：电表结果与标注颜色的映射关系
图5 PCaPM标记
图6实际队列与虚拟sup队列之间的映射关系
4.2包上下文感知队列管理
PCaQM与PCaPM密切协调。如果集成流被PCaPM标记为k列或优先级，则PCaQM从原始队列派生k个虚拟子队列。原始队列Q中具有相同优先级l（1le;lle;k）的所有分组组成子队列sq[l]。子队列sq[l]中的包序列与原始队列Q中的包序列相同。sq[l]是指向队列Q中的包的指针链接，而不是请求新的内存来存储包的副本。实际队列和虚拟子队列之间的映射关系如图6所示。
当分组p被追加到队列Q中时，其指向它的指针是添加子队列sq[p.PL]的尾部，其中p.PL表示分组p的优先级。相反，当分组p从队列Q移开时，其指针也从sq[p.PL]移开。PCaQM算法表示为算法2。
在许多队列管理方案中，队列长度是计算数据包丢失概率的唯一参数。当所有数据包处于相同的状态时，这种设计是合理的。然而，当数据包有不同的优先级。例如，在拥挤的路由中，如果在短时间内突然到达大量的低优先级数据包，则队列长度急剧增加，从而使稍后到达的高优先级数据包被丢弃。因此，PCaQM将包优先级作为处理传入包的另一个度量。
算法2 PCaQM
算法3 ReplaceDiscard
算法
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