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在有线和无线SDN域之间的一种动态Qos协商机制
摘要：软件定义网络（SDN）中的流量可以通过各个域拥有的独立控制器，这里的域是受SND控制器控制的网络拓扑的一部分。为了满足流量的Qos要求，需要完成各个域之间的协商，这些协商或是静态或是动态，SDN域或是有线或是无线。虽然过去我们努力去为有线网络定义域间的Qos协商，但就我所知，当共同涉及到有线域和无线域时却没有什么进展。在本篇论文中，我们考虑到一种情况，即连接设备的流量通过有着独立SDN控制器的有线域和无线域，并提出一种在他们之间存在的新Qos协商机制。首先，我们定义了一种通用机制，用于将QoS参数从一个域映射到另一个域，然后，我们根据这两类域定义流量的QoS参数，并对我们提出的机制进行建模作为混合整数程序。我们观察到问题出在NP完全算法，于是提出一种基于分支和边界的算法来最大化无线域的效用，并评估相同的有线部分。结果表明，由于提供给在有线域的流量的资源是动态的，因此无线域会根据性的修改流量，以满足其在不同场景下的最小/最大QoS要求。相反，这也意味着当无线域根据无线信道情况改变流量参数时，有限域中的资源也会跟着调整。此外，结果显示较小粒度的递增/递减Qos参数幅度可以更有效地满足流量要求。
索引：SDN，域间，动态，Qos，协商，有线，无线
- 绪论
在软件定义网络（SDN）中，数据平面流可以通过有着独立控制器的各个域，域是受SND控制器控制的网络拓扑的一部分。在保持跨域流量的同时，必须遵守端到端的QoS要求。 这需要在涉及的域及其控制器之间进行QoS协商，同时可能引发服务水平协议（SLA）[1]等。支持应用的流量的QoS参数值可以随时间变化。因为SDN允许运行时控制流，所以动态SLA
被提议了[10]。随着SDN应用于有线和无线网络[3]-[6]，我们考虑终端用户拥有通过无线网络域（WD）和由其各自SDN控制的有线网络域（ND）的流的情况。除了物联网（IoT）范例的其他应用之外，典型的场景可以是来自闭路电视（CCTV）摄像机的视频流传输的用户设备（UE）。另一个例子可以是传感器使用符合SDN方法的未来有线和无线网络向云端发送数据[2]。在这种情况下的端到端流程必须根据有线和无线QoS参数来定义。例如，WD流参数可以是带宽，传输信道块大小，编码和调制等[7]，而对于ND，它们可以是带宽，延迟，抖动，分组丢失/错误率等。一些参数可以直接从WD映射到ND，例如误码率，而其他参数可能必须以多对一或一对多或多对多的关系映射。例如，ND中的带宽可以映射到WD中的传输块大小，调制方案等。更容易发生变化的无线信道可以在特定时间动态请求所需资源，并在不需要时释放多余的。如果WD需要更多资源，它可以请求相应的控制器与ND协商并满足当前要求。 ND可以使用例如从其他域购买它们的等手段来满足供应需求。当WD不需要资源时，它可以向其SDN控制器请求较少的资源（或释放额外的资源），即SDN控制器与ND协商以缩小流量。 ND反过来可以将剩余资源释放到它所连接的其他域。
应该注意的是，任何域中的资源需求必须在本地可用。假设每个域中有足够的可用资源来促进端到端流的QoS需求。 在我们研究的场景中，流的QoS参数的变化触发通过另一个域发生，这就引起它们之间的协商。 随着像IoT那样在QoS参数中的暂时变化的应用的增加，以及像这里提出的使用协商方案的虚拟化网络功能（VNF），可以产生很多好处。 这是因为可以在这样的VNF上构建增值服务。
在这项工作中，我们考虑了一个WD和一个ND。 然而，该机制可以扩展到多个域，例如，当设备与两个WD相关联时，这些机制又通过其间的多个ND连接。 每个域可以有自己的SDN控制器。
据我们所知，对WD和ND的SDN控制器之间的交互没有进行太多研究，更不用说针对这种情况的任何QoS协商机制了。我们的贡献如下。通过WD和ND的流的QoS参数通常在它们各自的域中定义。因为流的QoS参数是特定于每个域的，因此我们提出了一种使用传递函数将参数从WD映射到ND的机制，反之亦然。使用流参数为WD和ND定义实用程序。然后，我们制定混合整数程序（MIP）以最大化WD的效用，并满足流的QoS约束。我们观察到MIP问题是NP完全问题。为了解决这个问题，我们提出了一种基于分支界定法的算法来最大化WD的效用，并且还评估了ND的相应值。此外，我们研究了动态QoS协商的不同场景下对程式的影响并给出了这些结果。结果显示，由于ND提供的资源动态变化，WD流参数会相应地自我修改，以满足对应场景的最小/最大QoS要求。相反，结果也意味着，如果WD由于无线信道条件的变化而降低或升级其自身的流量参数，那么ND就可以将这些额外资源分别提供给其他域或从其他域获取资源，以匹配WD要求。此外，我们观察到较小粒度的递增/递减Qos参数幅度满足边缘的流量要求。为了验证算法，将其输出与well-cited工具[30]的输出进行比较。
本文的结构如下。 第二部分介绍了相关主题的文献调查。 在第三节中，开发了基于分析模型的MIP，并提出了一种算法的分支界定法来解决NP完全问题。 第四节讨论了各种场景下两个域之间资源分配的结果。 这项工作在第五节进行总结。
- 文献调查
在[8]中提出了一种链路状态合同路由协议，其中动态选择了指定为值流的路径。袁明等人[9]提出了一种域间SLA机制，其中终端用户是发起者。在[10]中作者们提出了使用动态SLA跨网络和域的基于QoS的路径选择。关于使用SDN的域间路由已经有几个提议。 Bennesby等人[11]提出了利用与SDN组件一样的概念与SDN进行域间路由，并发表了实验结果。陈等人[12]提出了跨域的边界网关协议（BGP）收敛时间的数学模型，并尝试使用贪心算法来最小化它以改进域间路由。Raza等人[13]提出了一种基于SDN域移动机制的代理MIPv6，并实现了路由增强。 [14]中提出了一种多维链路向量（MLV）网络视图交换机制，用于在SDN域之间传输路由信息，并在路由中实现可编程性。在[15]中描述了一种基于SDN的框架，其中可以跨域配置隧道，并最大限度地减少MobilityFirst等未来Internet架构的移动延迟。 [16]强调了一种基于SDN的跨域多层服务与交换能力的可能的创新的广阔前景。
在[17]中Diffserv提出了与带宽代理进行域间QoS协商的类似概念。 段等人在[18]中介绍了一种基于网络即服务抽象概念的端到端服务交付机制来用于SDN。 在[19]中人们已经开发出具有多个SDN域的有线网络架构，用于代理负载平衡和更好的网络性能。 Liu等[20]介绍了多个SDN域的现场试验结果，包括有线网、无线网和光网络。
此外，尽管缺乏SDN方法，但有一些人尝试在有线和无线网络之间进行QoS协商/管理。 Sidibe和Mehaoua [21]提出了有线和无线网络的集成端到端QoS管理框架，不包括SDN概念。 Sameh等人[22]描述了用于集成多协议标签交换（MPLS）和没有SDN的WLAN网络的QoS协商的特定用例.Guo等。在[23]中作者提出了一种基于差分排队服务（DQS）的有线和无线网络QoS适应，但不适用于SDN环境。 在[25]中作者提出了为随建即连网络动态提供服务和协议的上下文可编程框架。 为了在基于SDN的无线网络中抽象出实现细节，在[24]中作者描述了一种用于对关键参数进行编程的模型，例如资源的提供和网络的配置。
SDN的应用已经在不同领域进行了探索，包括异构网络上的数据中心通信[26]，基于SDN的密集无线网络架构[27]，无线传感器网络的智能管理[28]，以及基于SDN的光网络实验[29]。
从上述文献调查中可以明显看出，有几个主要集中在有线网络的跨域功能的改进建议。 此外，还有人提出了集成有线和无线网络的QoS协商/管理建议，但没有SDN支持。由各自的SDN控制器控制的有线和无线域的交互，通过分析模型支持用户之间的端到端流量 ，在很大程度上尚未开发。 这促使作者研究这种情况，并提出了一种新的机制来满足应用QoS，其中流量通过异构域，如有线和无线。
- 分析模型
设F是通过WD和ND的N个流的集合，由它们各自的SDN控制器控制。 由于流量通过两个不同的域，因此QoS参数不同。 如已经提到的，QoS参数从WD到ND的映射（反之亦然）可以是一对一，一对多，多对一或多对多。 因此，必须对此映射进行建模，如下所示。
令WD中的一部分流量具有pw参数beta;i，其中i = 1,2，...，pw，由集合定义，
Pw ={beta;1, beta;2,...,beta;pw} (1)
类似地，F中的流的ND部分具有对应的pn参数gamma;j，其中j = 1,2，...，pn，定义为，
Pn ={gamma;1, gamma;2,...,gamma;pn} (2)
但是，ND中的每个参数可能不会映射到每个参数WD的参数。 设p是在WD中定义一个流的参数的数量，q定义相同数量流中的参数数量ND，并可以映射。 然后，Pw的p元素（指定因为集合P(p) wm）可以映射到Pn的q个元素（指定为集合P(q) nm）。 然后，P（p） wmsube;Pw和P（q） nmsube;Pn，使得传递函数g（pq） w2n和g（qp） n2w定义为，
g(pq) w2n : P(p) wm → P(q) nm (3)
和g(qp) n2w : P(q) nm → P(p) wm (4)
令
和
其中alpha;i，i = 1,2，...，p是WD的p参数，映射到ND中的那些，即theta;j，j = 1,2，...，q。
应用函数g（pq） w2n在P（p） wm上我们有，
和
同样的，当g(qp) n2w应用到P(q) nm时我们有，
和
这些传递函数由接入层参数和功能（例如，无线电资源管理等）定义。跨域的参数的传递函数可以静态地定义。 但是，这些参数的值会动态变化。
在定义了一种机制来映射跨不同域的流的QoS参数之后，我们继续研究两种动态QoS协商的情况。 首先，分析ND为流提供额外资源并且WD尝试匹配其域中的资源的情况。 其次，我们研究了当ND提供给流量的资源较少且WD降低其QoS参数时的情况。
- 案例1：ND为流提供更多资源
在这种情况下，ND有更多的资源来支持流。因此，WD可以尝试增强其流参数。必然的，该情况也可以解释为WD由于无线信道条件恶化而降级其流参数，从而导致ND中的额外资源。
ith流的初始WD参数值如下。
其中a（i） jge;0是ith流量的alpha;j值，j = 1,2。。。 ，p，受约束条件，
其中Aprev j是ND提供的总资源（在将ND参数与g（qp） n2w映射到WD之后），用于属于N个流的alpha;j。
在这种情况下，ND有额外的资源来支持流量。因此，WD尝试匹配这些额外的资源以增加其自身的流量。 然后，ith流应该在WD中具有新的QoS参数值，
其中delta;（i） jge;0，j = 1,2，... ，p是第jth个QoS参数的增量值，这样，
其中Anew j是ND为属于N个流的alpha;j提供的资源的新值。 wiisin;{0,1}是一个决策变量，用于说明在可用资源范围内是否可以包含第ith个流。 此外，delta;（i） jisin;sj= {0，lambda;（j） 1，lambda;（j） 2，...， lambda;（j） nj}是离散增量值，nj 1是集合的基数，即| sj | = nj 1。 对于无法为流增强参数的情况，0包含在sj中。 delta;（i） j只能从集合sj中取一个值。
如果Na是可以容纳的流量集合（wi = 1）并且具有增强功能（包括delta;（i） j = 0），那么WD实用程序被定义为，
如果在与WD匹配后有额外资源，ND可以将其拍卖到其他域。 所以，ND实用程序定义为，
Pauction是每单位资源的拍卖价格。
- 优化问题公式：现在，我们说明优化问题如下，
受（16） - （18）约束。
或者，以MIP形式
受（16） - （18）约束。
此外，我们使用优化的UWD评估UND。
- 案例2：ND的资源少于WD请求的资源
在这种情况下，ND拥有较少的资源来支持流量。 因此，WD必须降低其流量参数。 作为推论，这种情况也可以解释为WD由于改善无线信道条件而试图增强其自身的流参数，从而导致在ND中请求额外资源。
所以，第ith个流应该有QoS参数值，
这样，
其中Bnew j是ND为alpha;j提供的总资源。 此外，流量必须满足其最
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