基于Mininet的LRMCQoS路由算法仿真研究.docx

? ? 基于Mininet的LRMCQoS路由算法仿真研究 ? ? 傅妍芳，宋新美，张赵晨子，苏一昶 (1. 西安工业大学计算机科学与工程学院，陕西西安710021；2. 中国工商银行，陕西西安710021) 1 引言 网络是一种将控制层与数据转发平面分离的网络架构，其提供的可直接编程等特性为网络控制管理技术带来了革命性的改进。目前，SDN技术正在被广大科研、生产工作者广泛研究，并应用在数据中心、广域网等场景。然而构建一个完整的SDN网络至少需要控制器、OpenFlow 交换机、终端结点等设备，超出了大部分研究工作者具备的实验条件。为此，OpenNet、NS3、Mininet等仿真软件便应运而生，其中以Mininet最为流行。 Mininet 是由虚拟主机(Host)、交换机(Switch)、控制器(Controller)、链路(Link)组成的开源系统，其采用轻量级的虚拟技术，搭建的虚拟网络可以移植到真实网络中。Mininet 可以简单创建支持SDN的网络，其主要特性包括：①支持多个用户在同一个拓扑上进行并发操作；②方便可重复和可封装的回归测试；③无需物理网络；④提供用于网络测试的 CLI；⑤提供python API；⑥支持所有拓扑。总之，Mininet因其高灵活性、高可用性、可扩展性、可共享等优点目前被广泛使用。 基于Mininet仿真网络，本文主要关注网络QoS保障技术。针对在线直播、视频会议等多类型业务的QoS 保障需求，传统网络在早期提供的BE(Best Effort，尽力而为)服务之上提出了区分服务(DiffServ)模型，但受限于紧耦合的网络架构，DiffServ模型在传统网络中的实现不能快速适应网络状态并做出实时决策，因此无法严格保障端到端QoS。网络地址转换(Network Address Translation，NAT)、边界网关协议(Border Gateway Protocol，BGP)[1]、开放式最短路径优先(Open Shortest Path First，OSPF)[2]等协议功能也是为提高网络传输QoS而实施的保障措施，但它们在传统网络中的配置不灵活，功能迭代速度受限，因此依然存在业务QoS不能得到有效保障的问题。鉴于此，软件定义网络(Software-Defined Networking，SDN)[3]以其中心化的控制模式解决了传统网络保障QoS时的诸多问题[4]。在SDN中，控制器软件及实现控制功能的软件构成了控制平面，SDN交换机只需按照控制层面的转发流表执行转发动作。这种松耦合架构有效解决了传统网络中配置不便、路由不灵活等问题，从而实现了动态的路由策略、便捷的网络配置并降低了网络升级构建成本[5]。 目前，基于SDN的QoS保障技术研究已有不少成果。针对目前SDN架构中控制器上时序优先的流量调度算法的不足，Airton Ishimori等人提出了一种QoSFlow框架，引入HTB、SFQ、RED等队列调度算法降低数据包转发处理时延，有效提高了视频等数据流的PNSR[6]。Seyhan Civanlar等人通过以时延和网络丢包率的加权平均作为QoS约束代价，计算QoS视频业务和BE业务的路径，进而搜索满足约束的最优路径，一定程度上保障了时延、丢包率QoS需求[7]-[8]。这些路由算法[11]虽然实现了较好的流量分布策略，一定程度上保障了高优先级业务QoS，但对全局网络业务特性考虑不全，以一种QoS性能作为优化目标，因此无法满足多类型业务QoS需求，更不能达到动态自适应保障业务QoS的目标。 为有效保障多类型业务的QoS，本文基于Mininet仿真系统设计实现了一种基于SDN的拉格朗日松弛多约束(LRMC)QoS路由算法。在支持OpenFlow协议的交换机中，根据流表项中的TOS包头域对业务数据划分优先级，进而针对不同优先级业务流建立了多约束数学模型，采用拉格朗日松弛法和梯度迭代法对约束关系进行松弛并迭代求解链路权重，进而利用Dijkstra算法探索出最优路径解。最后借助Mininet 及其CLI对LRMC QoS路由算法进行网络仿真，对比其相较单约束QoS算法在网络连通收敛性和网络性能上的表现。 2 路由算法设计 面对多约束条件下的QoS路由问题时，一般采用启发式算法或近似算法保证策略的实时可靠性[13]。启发式算法具有时间复杂度低的优势，但策略质量无法保证；近似算法虽然时间复杂度相对较高，但能更好地保证策略可靠。本文主要针对拓扑节点数相对较少的网络环境，所以选择近似算法-拉格朗日松弛多约束算法求解。 2.1 QoS多约束建模 根据RFC2574标准对QoS路由的定义，QoS是基于网络可用资源和业务流QoS要求来选择路径的路由机制或包含各种QoS参数的动态路由协议[14]。作为