软件定义无线网络中视频业务QoS保证的新型架构及方法

摘要

本发明基于软件定义网络技术，提出了一个新型的无线网络搭建方案，以此来实现在无线网络中视频流的QoS保障。利用控制器对全网所有AP的集中管理能力，下发消息给每个AP，使AP在工作信道上广播自身信息并监听每个信道上的邻居AP的信息，最后将这些信息上传给控制器，控制器将这些信息汇总得出全局AP的邻居信息表，从而合理分配无线信道，避免无线信道资源浪费；在此基础上，在服务出口处对视频流进行标记，然后在每个AP上设置带宽不同的队列，控制器通过识别数据包上的标记判断是否为视频流，最后以下发流表的方式对视频流设置更高优先级和更大带宽的队列，做到以上两点，就能保证视频流的有效传输，提升用户的体验。

说明书

技术领域

本发明基于软件定义网络架构，属于网络功能虚拟化领域，特别是涉及利 用虚拟化技术搭建无线网络，并在网络控制器对全网拓扑的集中控制下，实施 策略实现对视频流的QoS保障。

背景技术

无线局域网的便捷性以及灵活性使其能够更广泛的被部署在家庭里，企业 内部，甚至校园网内，相比有线宽带，人们更愿意通过无线的方式上网。互联 网的高速发展产生了各种各样的服务，人们越来越习惯通过接入无线AP(Access Point)的方式进行互联网购物，通信以及观看视频，特别是在通过无线网络观看 在线视频时，视频质量的提升加剧了用户对带宽的需求，当同一个无线网络覆 盖范围内的接入AP越来越多时，相邻AP接入相同的无线信道就会拥塞，还有， 当各种服务需求增加时，这些服务所产生的出口流量会占用无线AP大量的带 宽，这些问题都会使得观看视频的用户体验较差。面对这些问题，传统的无线 局域网架构解决起来会显得力不从心，主要原因是传统的无线局网的组网方式 所带来的局限性。

传统的无线局域网的组网方式分为胖AP和瘦AP+AC(AccessController,无 线控制器)。其中，胖AP的方式是进行分布式地搭建无线AP，这些AP自身具 有接入认证，DHCP(动态分配IP)，防火墙等功能，这种组网方式的缺点是， 当网络管理人员实施策略时，需要了解每个AP的信息并逐一对每个AP进行配 置，无法集中管理，工作量较大且易出错；瘦AP+AC的方式是通过AC对无线 AP进行集中的管理，实施策略，比如接入认证，QoS等，而AP只是为用户提 供流量的转发通道，这种方式的缺陷是在AC上制定的策略是静态的，AC无法 动态自适应网络的变化而做出相应的策略调整，而且AC设备造价较高，若网络 较大的话对设备的性能要求也比较高。从传统的WLAN组网方式来看，主要的 的缺陷是集中管理困难，无法动态自适应网络变化且设备造价以及性能要求较 高。这时，有研究者提出利用软件定义网络的技术解决传统无线局域网的诸多 局限性问题。ONF(OpenNetworkingFoundation)在最近的SDN官方白皮书 (ONF.WirelessTransportSDNProofofConceptWhitePaper[J/OL]// https://www.opennetworking.org)中提出了将SDN技术运用到无线网络中，通过 SDN控制器对每个无线接入点进行集中管理，可以有效实施提升无线传输带宽 和流量整形等策略。

软件定义网络是一种基于软件的网络架构及技术，它的主要思想是将网络 设备的控制权分离出来，由专有的控制器进行管理。控制权的分离使得网络管 理者可以自定义底层网络设备的转发策略以及对设备进行集中管理。OpenFlow 协议是SDN的核心技术之一，协议中最关键的2个组成部分是：OpenFlow交 换机和控制器。在一个OpenFlow网络中，OpenFlow交换机主要负责数据的转 发，主要的技术细节有三部分：流表，安全信道和OpenFlow协议。将软件定义 网络技术实施到无线局域网中，控制器掌握全网拓扑以及每个AP的信息，统一 管理网络并根据策略制定AP的转发行为。由于控制器具有编程可扩展的特性， 所以可以通过编程的方式对控制模块进行扩展以实现不同需求的策略，这样就 可以解决无线局域网中现有的问题，实现视频流的QoS保障。

目前，已有研究者基于SDN技术研究无线网络中针对特定流量的QoS保障。 TomovicS在(参考文献： TomovicS,YoshigoeK,MaljevicI,etal.SDN-basedconceptofQoSawareheteroge neouswirelessnetworkoperation[C]//TelecommunicationsForumTelfor(TELFOR), 201422nd.IEEE,2014:27-30)中提出，控制器利用DPI(Deeppacketinspection, 深度报文解析)技术分析第一次通过节点的数据包的服务类型，然后根据服务 类型分配带宽大小并下发流表给节点。BivasBhattacharya在(参考文献： BhattacharyaB,DasD.SoftwareDefinedNetworkcontrollerembeddedinmobilede viceforuser'spolicyimplementation[C]//IndustrialInstrumentationandControl(ICI C),2015InternationalConferenceon.IEEE,2015:1437-1441)中提出，根据用户 对不同应用的需求，为不同的应用制定优先级，在节点上设置好不同优先级对 应的带宽值，当用户的应用产生流量通过节点时，控制器就会根据该应用的优 先级来为流量分配带宽。JonathanVestin在(参考文献： VestinJ,KasslerA.QoSenabledWiFiMAClayerprocessingasanexampleofaNF Vservice[C]//NetworkSoftwarization(NetSoft),20151stIEEEConferenceon.IEE E,2015:1-9.)中提出，在接入点上配置不同优先级和带宽的队列，对流量进行 分类和标记，根据流量的标记分配相应的队列。以上研究在一定程度上能够实 现视频流的QoS保障，但是他们大多忽略了无线网络中AP之间的同频干扰， 即使一个AP为视频流分配了很大的带宽，用户在观看视频时依然会因为相邻 AP间的同频干扰造成不流畅甚至掉线。

发明内容

针对以下现有的不足，提出了一种保障视屏流的有效传输、达到无线信道 的合理分配的软件定义无线网络中视频业务QoS保证的新型架构及方法。。本发 明的技术方案如下：一种软件定义无线网络中视频业务QoS保证的新型架构， 其主要包括：底层网络设备，SDN控制器及顶层的业务应用层，其中，底层网络 设备支持OpenFlow协议，所述无线网络的底层网络设备通过汇聚交换机、核心 路由与Internet连接，Internet与支持OpenFlow协议的服务交换机相连接， 所述底层网络设备由每个无线访问接入点AP都安装了OpenWrt+OVS系统，所述 SDN控制器对无线访问接入组APs进行集中管理。

进一步的，所述SDN控制器包括设备管理模块、信道监听模块、信道调整 模块、队列调整模块、策略下发模块；所述设备管理模块，用于跟踪主机在网 络中的位置，支持MAC地址与交换机端口，MAC地址与IP地址的转换,并将这些 信息保存在数据库中，当有设备掉线或者卸载时，控制器会更新数据库；信道 监听模块，用于监听AP并侦听每个信道上的邻居AP的信息；信道调整模块， 用于对信道监听模块获取的每个AP的邻居信息进行汇总，通过信道调整策略得 出每个AP最适合的无线信道，然后下发更新信道的消息给每个AP；队列调整 模块，首先会判断数据包是否为视频流，若是，则为该数据流分配更大带宽的 队列和更高的优先级；若不是，则按默认的方式对其进行处理；策略下发模块， 监听节点发送的Packet_in消息，查看数据包中的匹配域，将队列调整模块的 判断结果写入流表项中，最后根据转发路径将相应流表下发给对应的AP。

一种所述架构的软件定义无线网络中视频业务QoS保证方法，其包括以下 步骤：

101、建立软件定义网络架构，包括底层网络设备，SDN控制器及顶层的业 务应用层，其中，底层网络设备支持OpenFlow协议；

102、通过SDN控制器对无线网络中的AP进行集中管理；AP在信道上广播 自己的信息以及监听邻居AP的信息并上传SDN控制器，SDN控制器将这些信息 汇总然后进行全局的信道分配；

103、在无线访问接入点AP上实施标记和转发策略，使视屏流能够优先发 送和获取更大的带宽。

进一步的，步骤102中进行全局的信道分配具体为：AP在工作信道上广播 自身信息以及侦听每个信道上的邻居AP信息并上传给控制器，控制器将这些信 息汇总，通过函数其中，k≠i以及 其中k≠i，P_kj表示AP_k在信道j的信号功率统计AP_i在信道j上的邻居 数和邻居信号功率总和，然后对每个AP在工作信道上的邻居数从大到小排序， 依序对每个AP进行信道调整。

进一步的，依序对每个AP进行信道调整的方式是：首先满足其中 表示所有AP的受到干扰的平均值，然后对该AP在每个信道的干扰进行排序， 选出干扰最小的信道；若得出最小干扰信道不唯一，则选出其中一个信号功率 总和最小的信道。

进一步的，步骤103在无线访问接入点AP上实施标记具体为：首先在服务 提供的节点处对视频流进行DSCP标记，然后在每个AP上分别设置队列q1和 q2，q1的带宽大于q2的带宽，当新的数据包经过AP时，SDN控制器根据数据 包中的DSCP值判断是否为视频流，若是，则在下发的流表中设定出队列为q1 并置高优先级；若不是，则设定出队列为q2并置低优先级。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明基于软件定义的网络架构搭建新型的无线局域网络，网络控制器可 以对每个无线AP进行集中控制以及具有编程可扩展的特性，能够有效实施QoS 策略。首先本发明在无线信道的分配上，通过实时获取AP在每个信道的邻居信 息，然后对所有AP的邻居信息汇总并得出每个AP最适合的无线信道，能够避 免相邻AP的在相同无线信道上相互干扰。在此基础上，本发明在节点上实施的 标记和转发策略使得视屏流能够优先发送和获取更大的带宽从而保障视频流的 有效传输，极大提升了用户观看视频的体验。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例的系统架构图；

图2为本发明中信道调整的流程图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明作进一步说明：

本发明“软件定义无线网络中视频业务QoS保证新型架构和方法”具体包括 以下步骤：

步骤1)：首先搭建基于软件定义网络的新型无线局域网架构。这样我们才 能基于软件定义网络对底层无线设备进行集中控制和施舍QoS策略。

步骤2)：在周期时间内，每个AP依次向其工作信道发送自身信息的信标 帧，并获取每个信道上邻居AP的存在以及邻居AP的发送功率，最后将这些信 息通过OpenFlow协议发送给控制器。

步骤3)：控制器对从步骤2获取的每个AP的邻居信息进行汇总并进行排 序分析进而得出最适合AP的无线信道，然后下发更新信道的消息给AP。

步骤4)：以上步骤完成后能避免相邻AP的信道干扰，在此基础上，还要 在节点处对视频流业务和其他业务进行区别处理。首选通过控制器实施策略在 视频服务提供商的出口节点处对视频流进行标记，在各个接入AP的出口对该标 记的流量进行优先发送并分配更多的带宽，其他的流量按默认的形式只进行 FIFO(先入先出)和尽力而为的转发。

如图1所示为本发明的系统架构图。本架构是软件定义网络架构的具体实 现。主要由三部分组成：底层网络设备，SDN控制器，顶层的业务应用。其中， 底层网络设备需要支持OpenFlow协议，无线网络的汇聚交换机以及服务提供商 的服务交换机均为支持OpenFlow协议的交换机，每个无线AP都安装了 OpenWrt+OVS系统，该系统是一款基于Linux内核的虚拟化路由系统，支持 OpenFlow协议。当有用户通过AP请求数据时AP会首先查询自身流表是否能匹 配该数据包，如果能匹配则执行流表项的操作；如果不能匹配，则将该数据包 以Packet_in消息的方式发送给SDN控制器，交由SDN控制器处理。SDN控制器 作为本架构的核心部分，它取代了传统无线局域网中的AC，由它对APs进行集 中管理，SDN控制器通过下发Status_Request消息给AP查询AP的信息，AP以 Status_Reply消息的方式回复控制器。相比传统的AC，SDN控制器具有可编程 扩展以及开放API的特性，它向下提供南向接口即OpenFlow协议与底层设备进 行通信，下发策略给底层设备；向上提供北向接口即API(应用程序接口)供上 层业务应用开发调用，对SDN控制器的开发也是本发明的核心工作所在，采用 的是SDN控制器是开源的Floodlight控制器。接下来是对各个模块的主要功能 进行阐述：

1)设备管理：设备与控制器通过TCP握手协议建立连接，该模块跟踪主机 在网络中的位置，支持MAC地址与交换机端口，MAC地址与IP地址的转换,并将 这些信息保存在数据库中，当有设备掉线或者卸载时，控制器会更新数据库。

2)信道监听：该模块在周期时间内下发消息给每个AP，使AP向其工作信 道发送携带有自身信息(MAC/IP地址，信号功率)的信标帧并侦听每个信道上的 邻居AP的信息，最后将这些信息上传给信道监听模块。

3)信道调整：本模块对信道监听模块获取的每个AP的邻居信息进行汇总， 通过信道调整策略得出每个AP最适合的无线信道，然后下发更新信道的消息给 每个AP。

4)队列调整：该模块首先会根据Packet_in消息中的数据包的DSCP值判 断是否为视频流，若是，则为该数据流分配更大带宽的队列和更高的优先级； 若不是，则按默认的方式对其进行处理。

5)策略下发：监听节点发送的Packet_in消息，查看数据包中的匹配域， 将队列调整模块的判断结果写入流表项中，最后根据转发路径将相应流表下发 给对应的AP。

2.信道调整策略

根据IEEE802.11协议的规定，无线局域网工作在2.4GHz和5GHz的频段上， 在2.4GHz的频段上有13个无线信道可用，但是信道之间有相互重叠的，其中 只有三个信道1,6,11是相互独立不重叠的。本策略为AP分配的无线信道就是在 这三个信道之间进行选择，假设共有M个AP，其中第i个AP为AP_i。本策略 的实施步骤：

1)控制器通过信道监听模块下发消息给每个AP，使AP向自己的工作信道 广播自身信息的信标帧，这些信息包括自己的MAC/IP地址以及信号功率P_ij， 然后侦听每个信道(信道1,6,11)的邻居AP的信息，并将这些信息上传给控制 器。控制器就会得出一个全局的AP邻居信息表。

2)假设AP_i在信道j(j＝1,6,11)上侦听到的邻居数为X_ij，邻居信号功率总 和为Y_ij，其中邻居数表示AP_i在该信道受多少AP的干扰，邻居信号功率总和表 示AP_i受到所有邻居AP干扰程度的大小。

$X_{ij}=\underset{k=1}{\overset{M}{\Sigma }}{w}_{kj}$其中，

$Y_{ij}=\underset{k=1}{\overset{M}{\Sigma }}{P}_{kj}$其中k≠i(2)

上面两个式子分别统计了AP_i的邻居数和邻居信号功率和，其中w_kj表示AP_i是否在信道j上侦听到AP_k。

3)对每个AP_i在工作信道j上的邻居数X_ij进行从大到小排序，按照这个顺 序依次进行信道调整，对信道调整的AP需满足以下条件：

$X_{ij}>=\bar{X}$其中，$\bar{X}=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{X}_{ij}}{M}---\left(3\right)$

(3)中的表示所有AP受到干扰的平均值，当AP_i在工作信道j上受到干 扰X_ij大于平均值时，说明其受到干扰较大，需要进行信道调整，否则，不对其 进行信道调整。

信道调整的方式是：首先对AP_i在每个信道j(j＝1,6,11)的干扰X_ij进行排序， 选出其中干扰最少的信道；若得出最小干扰不唯一，则对信道的邻居信号功率 和Y_ij进行比较，选取Y值最小的信道。对AP_i的调整完成后，信道调整模块就会 更新全局的AP邻居信息表，继续对下一个AP进行调整。

3.队列调整策略

以上的策略实现了无线信道的合理分配，避免了视频流在信道上传输时拥 塞。如图1所示，是一个典型的视频服务提供与用户接入的网络拓扑图。为了 提升视频服务的用户体验，除了解决传信道拥塞的问题，还要在关键节点处解 决视频服务与其他服务拥塞的问题。

本发明的QoS策略是基于类的方式进行实现，按照分类-标记-策略-输出队 列的流程。分类标记按照标记DSCP(差分服务代码点)的方式进行实现，DSCP 是IETF发布的差分服务(DifferentiatedService)的QoS分类标准。DSCP为 每个数据包IP头部的服务类别TOS标识字节中，通过标记DSCP值可以区分不 同服务的优先级。DSCP值有两种表达方式，数字形式和关键字形式。DSCP使用 6比特，十进制区间是0～63，可以定义64个等级(优先级。)如二进制DSCP值 000000＝十进制DSCP值0，二进制DSCP值010010＝十进制DSCP值18。另一种关 键字形式的DSCP值称为逐跳行为(PHB)，目前有三类已定义的PHB，分别是尽 力而为服务(BE或DSCP0)、确保转发(AF)和加速转发(EF)。在差分服务标 准中，视频流的推荐DSCP值为二进制100000,关键字形式的值为CS4。OpenFlow 协议是支持DSCP标记方式的，且在匹配域增加了DSCP字段。默认情况下，数 据包的DSCP值为0，也就是当数据到达AP时都是按照尽力而为的方式进行转发， 本策略的实现步骤：

1)标记分类：如图1所示，视频服务器(IP:10.0.0.1)连接节点S1。在该 节点处，对视频流进行标记，调用控制器的RestAPI发送Flow_Mod消息添加 流表项给节点S1:将IP地址为10.0.0.1的数据包的DSCP值设定为CS4；然后 还要在每个AP处添加出口队列，由于控制器无法直接对底层设备进行配置，这 也是当前OpenFlow协议的局限之一，所以通过控制台或者OF-Config的方式在 每个AP上添加队列q1和q2，控制器通过发送Flow_Mod消息的方式为数据包选 择队列。添加队列时，应设置每个队列的最大带宽和最小带宽，这要根据每个 AP的最大带宽来设定，在这里，q1和q2的最大带宽相加为链路的最大带宽， 它们所占带宽比分别为80％和20％。

2)输出队列：当有新的数据包通过AP时，AP首先会查看流表中的流表项， 若没有能够匹配的流表项，将该数据包以Packet_in消息的方式发送给控制器 处理，这时控制器会调用队列调整模块查看数据包的DSCP值，若为CS4，则在 下发的流表项中设置其出队列为q1,并为该流表项设置高优先级；若其DSCP值 不是CS4，则设置队列为q2并且为低优先级。AP在转发数据包时，会根据流表 项的优先级高低顺序依次进行匹配，优先级越高的流表项越先匹配。这样就可 以避免视频流到达AP时与其他业务产生拥塞的问题。

本发明基于软件定义网络架构，提出了一个在无线局域网中针对视频流QoS 保障的解决方案，通过对AP在每个信道上的的邻居信息的侦听得出一个全局的 AP邻居信息表，判断当前AP是否需要进行信道调整，若需要调整则根据各信道 的繁忙程度为其选择相对空闲的信道，保障信道的合理分配，以满足视频流的 QoS的有效实施；在节点处，提出了处针对视频和其他服务进行标记和优先级划 分的队列机制，可以有效避免视频与其他服务产生拥塞，并获得更大的带宽保 障。综合而言，有效提高了用户的服务质量。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范 围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或 修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。