一种基于软件定义和用户中心网络的应用感知装置及其方法

摘要

本发明公开了一种基于软件定义和用户中心网络的应用感知装置及其方法，包括接入层应用感知模块、VUC层应用感知模块和RC层应用感知模块；其中接入层应用感知模块部署在基站中，实现对应用类型的初步识别和应用流量的分类；其中VUC层应用感知模块通过软件定义的方式以用户为中心生成，且管理用户小区中的所有基站；其中RC层应用感知模块通过软件定义的形式管理VUC层应用感知模块，控制全局网络。基于用户中心，灵活性更高、并且RC层和VUC层开销小，接入层基于机器学习模块感知信息更丰富全面。

说明书

技术领域

本发明属于5G移动通信系统的网络架构，具体涉及一种基于软件定义和用户中心网络的应用感知装置及其方法。

背景技术

目前已经有大量国内外研究机构开始针对5G无线网络架构展开研究。为了高效的控制无线网络，相关5G无线网络架构研究都引入了软件定义的思想，实现对无线网络的统一控制。针对作为SDN关键技术之一的应用感知技术的研究也在如火如荼的进行中。

美国明尼苏达大学和贝尔实验室阿尔卡特-朗讯合作提出了基于SDN的应用感知数据平面。通过在Openflow交换机上部署数据平面的应用感知模块实现了应用感知的本地化，减少交换机与控制器之间的通信开销。

HP实验室和奥多明尼昂大学合作提出了MESDN(Mobile Extension of SDN)架构，通过将本地控制器部署在移动终端中的方式，减少终端与本地控制器之间的通信开销。其主要关键技术就是端到端的应用感知QOS保障技术。通过在移动终端进行预应用感知，感知应用产生的不同类型流，获得更好的应用感知能力。

现有无线异构网络是一种多种制式网络并存无线接入环境，并朝着越来越密集的趋势发展，而目前SDN中广泛使用的基于控制器的应用感知架构存在的问题归纳如下：

首先，现有应用感知架构缺乏协同感知多种制式网络的能力，其通过交换机在数据平面上进行感知，由控制器对感知到的应用信息进行汇总，并对交换机无法识别的应用进行分析识别。这一架构无法区别感知不同制式网络中传输的应用。

其次，现有应用感知架构将感知到的所有信息统一汇总至单一控制器进行分析处理，网络中信令开销与信息交互量会占用大量网络资源。

最后，用户的个性化服务难以实现。应用感知以流为单位，基于数据平面进行感知，难以区分每个用户所产生的应用，尤其是无法感知汇总同一用户通过不同制式网络进行传输的应用信息。目前，已有的应用感知研究的关注点大都集中在如何提高感知的准确度和降低开销上，而忽略了基于用户的应用感知研究，无法为满足用户的个性化需求提供有针对性的应用感知信息。

发明内容

本发明提供了一种基于软件定义和用户中心网络的应用感知装置及其方法，其基于用户中心，灵活性更高、并且RC层和VUC层开销小，接入层基于机器学习模块感知信息更丰富全面。

本发明的技术方案是：一种基于软件定义和用户中心网络的应用感知方法，包括接入层应用感知模块、VUC层应用感知模块和RC层应用感知模块，其中接入层应用感知模块部署在基站输入端，VUC层应用感知模块部署在以用户为中心的小区VUC中，RC层应用感知模块部署在根控制器中；该方法包括以下步骤：

步骤S1，接入层应用感知模块对不同用户所传输的应用进行检测，提取出其中的未知应用信息，并且对识别的应用信息基于流量统计进行分类，得到已知应用及其类别信息；

步骤S2，VUC层应用感知模块获取步骤S1中得到的已知应用及其类别信息，并且对步骤S1中得到的未知应用信息进行再次识别，获取到识别的应用信息并对其进行分类，同时提取出未知应用信息；VUC层应用感知模块对已知应用及其类别信息进行汇总，得到用户应用信息；

步骤S3，RC层应用感知模块识别步骤S2中的未知应用信息，获取得到识别的应用信息并对其进行分类，同时获取步骤S2中的用户应用信息，将用户应用信息及识别的应用信息基于用户中心进行汇总。

更进一步的，本发明的特点还在于：

其中步骤S2中VUC层应用感知模块将其识别的应用信息及其分类信息回传给接入层应用感知模块；接入层应用感知模块能够识别该应用。

其中步骤S3中RC层应用感知模块将识别的应用信息及其分类信息回传给接入层应用感知模块；接入层应用感知模块接入层应用感知模块能够识别该应用。

其中步骤3中RC层应用感知模块不能识别的应用，则将该应用信息发送给网络管理员。

本发明还提供了一种基于上述感知方法的应用感知装置，包括接入层应用感知模块、VUC层应用感知模块和RC层应用感知模块；其中接入层应用感知模块部署在基站中，实现对应用类型的初步识别和应用流量的分类；其中VUC层应用感知模块通过软件定义的方式以用户为中心生成，且管理用户小区中的所有基站；其中RC层应用感知模块通过软件定义的形式管理VUC层应用感知模块，控制全局网络；多个接入层应用感知模块接入一个VUC层应用感知模块；多个VUC层应用感知模块接入一个RC层应用感知模块。

更进一步的，本发明的特点还在于：

其中接入层应用感知模块包括未知应用检测模块、应用分类模块和应用信息上传模块；未知应用检测模块对接入的不同用户所传输的应用进行检测，提取其中的未知应用信息；应用分类模块对应用流量进行分类，获得详细的应用及其所占用流量信息；应用信息上传模块将检测到的未知应用上传至VUC层应用感知模块，应用信息上传模块将应用及其占用流量信息上传至VUC层应用感知模块。

其中VUC层应用感知模块包括VUC层未知应用识别模块、用户信息汇总模块和用户信息上传模块；VUC层未知应用识别模块对接入层应用感知模块上传的未知应用进行识别，将能够识别的未知应用回传至接入层应用感知模块，更新其未知应用检测模块和应用分类模块，不能够识别的未知应用则提交给用户应用信息上传模块；用户信息汇总模块将将多个接入层应用感知模块和VUC层未知应用识别模块所获得应用信息进行汇总，获得一个用户的应用使用和流量占用情况，并上传至VUC中；用户信息上传模块将用户信息汇总模块的得到的用户应用使用和流量占用信息和VUC层未知应用识别模块不能识别的未知应用上传至RC层应用感知模块。

其中RC层应用感知模块包括RC层未知应用识别模块和网络应用信息汇总模块；RC层未知应用识别模块识别VUC层应用感知模块上传的未知应用，将能够识别的未知应用回传至接入层应用感知模块和VUC层应用感知模块，使其能够识别该应用，并且将无法识别的未知应用上传至网络管理者进行识别；网络应用信息汇总模块获取RC层未知应用识别模块识别的应用信息，网络应用信息汇总模块将各个VUC层应用感知模块所获得应用信息进行汇总，获得全网络的应用使用和流量占用情况，提交给RC控制器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：该方法以用户为中心的小区以及虚拟化和软件定义网络的概念，针对未来5G无线网络的特点，提出了基于用户小区的新型应用感知架构，引入了接入层应用感知模块、VUC层应用感知模块和RC层应用感知模块三大模块，以用户为单位更细致的感知用户当前运行的应用和应用需求，为每一个用户提供个性化服务成为可能。同时，通过分层的应用感知架构，尽可能的减少基站与本地控制器之间，本地控制器与根控制器之间用于应用感知的通信，从而达到减少开销的目的。

更进一步的，使用基于机器学习的检测和分类算法，实现对未知应用的检测和对已知应用更好的分类，提高应用感知的灵活性和准确性。

本发明的有益效果还在于：本发明所述应用感知架构是以用户为单位，感知每个用户的应用信息，从而实现针对用户的应用感知，结合软件定义网络的集中统一管理特性，为VUC以及RC更好的管理网络提供依据，使为用户提供个性化服务成为可能；通过将传统软件定义网络中基于控制器的单一的应用感知架构变为由接入层应用感知模块、VUC层应用感知模块、RC层应用感知模块，这三大模块组成的层次化应用感知架构，逐层的感知识别应用类型，从而最大程度上减少了用于应用感知的通信开销，提高网络传输效率。

更进一步的，通过自下而上的未知应用识别过程和自上而下的新应用类型更新过程，在传统应用感知架构基础上大大提高了对新应用的处理能力，此应用感知架构能够更加灵活的应对成爆炸性增长的应用数量和应用类型，满足未来网络对应用感知技术的需求；并且使用基于机器学习的未知应用检测算法和应用分类算法，提高应用感知的准确性。基于应用流量统计信息的分类算法在拥有高准确性的同时，还能够很好地识别加密信息流，从而更好地感知应用信息，满足未来网络对应用感知高精确度的要求。

附图说明

图1为本发明的拓扑结构示意图；

图2为本发明的模块连接示意图；

图3为本发明的网络架构示意图；

图4为本发明的流程示意图。

图中：101为RC层应用感知模块；102为VUC层应用感知模块；103为接入层应用感知模块；RC为根控制器；VUC为虚拟用户控制器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步说明。

本发明提供了一种基于软件定义和用户中心网络的应用感知方法，如图4所示，首先该方法包括接入层应用感知模块103、VUC层应用感知模块102和RC层应用感知模块101，其中接入层应用感知模块103部署在基站输入端，VUC层应用感知模块102部署在以用户为中心的小区VUC中，RC层应用感知模块101部署在根控制器中；其具体过程为：

步骤S1，接入层应用感知模块103对不同用户所传输的应用进行检测，提取出其中的未知应用信息，同时将未知应用信息上传给VUC层应用感知模块102，并且对识别的应用信息基于流量统计进行分类，得到相应的已知应用及其类别信息，同时将该信息上传给VUC层应用感知模块102；具体的接入层应用感知模块103中采用基于机器学习的应用检测和分类方法。

步骤S2，VUC层应用感知模块102获取步骤S1中得到的已知应用及其类别信息，并且对步骤S1中的未知应用信息进行再次识别，获取得到识别的应用信息并且对其进行分类，同时提取出未知应用信息；VUC层应用感知模块102将未知应用信息上传至RC应用感知模块101；VUC层应用感知模块102以用户为中心对识别的应用信息进行分类，得到用户应用信息，其中识别的应用信息包括步骤S1中接入层应用感知模块103上传至VUC层应用感知模块102的应用信息，还包括VUC层应用感知模块102识别的应用信息。

其中VUC层应用感知模块102将未识别的应用和用户应用信息上传至RC层应用感知模块101，并且VUC层应用感知模块102将其识别的应用信息回传至接入层应用感知模块103，接入层应用感知模块103增加该应用信息和分类信息；这样在接入层应用感知模块103中也能够识别该应用信息。

步骤S3，RC层应用感知模块101获取步骤S2中VUC层应用感知模块102的用户应用信息以及VUC层应用感知模块102未识别的应用信息；RC层应用感知模块101对未知的应用进行识别，并且对识别到的应用进行分类；同时RC层应用感知模块101将VUC层应用感知模块102的用户应用信息和其识别的应用信息进行汇总；同时RC层应用感知模块101将其识别的应用信息回传至接入层应用感知模块103和VUC层应用感知模块102，接入层应用感知模块103中的应用检测模块和应用分类模块增加该应用信息和分类信息，VUC层应用感知模块102中的未知应用识别模块增加该应用信息和分类信息；这样在接入层应用感知模块103和VUC层应用感知模块102中也能够识别该应用信息。

RC层应用感知模块101将未识别的应用信息发送给网络管理员，网络管理员进行人工识别；同时网络管理员对该应用进行分类，若该分类不存在，则需要重新建立一个新的分类。

本发明还提供了一种基于软件定义和用户中心网络的应用感知装置，如图1所示，包括接入层应用感知模块103，VUC(虚拟用户控制器)层应用感知模块102和RC(根控制器)层应用感知模块101；其中VUC通过软件定义方式以用户为中心生成，管理该用户小区中的所有基站，其中用户小区由若干个可以向所述用户提供通信服务的无线接入点和小区VUC组成；所述RC通过软件定义的形式管理虚拟用户控制器，集中控制全局网络。

如图1-2所示，接入层应用感知模块103部署在各个基站中，其包括基于机器学习的未知应用检测模块、基于机器学习的应用分类模块和应用信息上传模块组成。其中未知应用检测模块对接入的不同用户所传输的应用进行检测，提取出其中的未知应用；应用分类模块对识别的应用的流量进行分类，获得详细的应用类型及其所占流量信息；应用信息上传模块将检测到的未知应用上传至VUC层应用感知模块102，同时将应用分类模块得到的详细的应用类型及其所占流量信息上传至VUC层应用感知模块102。

如图1-2所示，VUC层应用感知模块102部署在以用户为中心的小区VUC中，其包括VUC层未知应用识别模块、用户应用信息汇总模块和用户应用信息上传模块；VUC层应用感知模块102以用户为单位，采用集中式方法汇总，对用户接入的接入层应用感知模块所感知到的不同制式网络为用户传输应用信息，包括应用类型及其流量占用信息；VUC层未知应用识别模块识别接入层应用感知模块103上传的未知应用，若VUC层应用感知模块102不能识别该未知应用，则将其上传至RC层应用感知模块101，若VUC层应用感知模块102能够识别该未知应用，将该未知应用下传至接入层应用感知模块103，并且更新接入层应用感知模块103中的应用检测模块和应用分类模块，应用检测模块和应用识别模块从而能够识别该应用信息；用户应用信息汇总模块将多个接入层应用感知模块102和VUC层未知应用识别模块所获取的应用信息进行汇总，得到以用户为中心的用户应用信息，并通过用户应用信息上传模块将该信息上传至RC应用感知模块101。

如图1-2所示，RC层应用感知模块101部署在RC中，其包括RC层未知应用识别模块和网络应用信息汇总模块；RC层应用感知模块101集中汇总VUC层应用感知模块102所获得的信息，实现对全网络用户应用运行情况的感知，同时对VUC层应用感知模块102无法识别的未知应用进行识别；其中RC层未知应用感知模块识别各个VUC层应用感知模块102上传的未知应用，对于能够识别未知应用，将该未知应用下传至接入层应用感知模块103和VUC层应用感知模块102，并且更新接入层应用感知模块103中的应用检测模块和应用分类模块，VUC层应用感知模块102中的未知应用识别模块，使得接入层应用感知模块103和VUC层应用感知模块102能够识别该应用信息；对于仍然无法识别的未知应用，将其上传给网络管理员，进行人工识别；其中网络应用信息汇总模块将各个VUC层应用感知模块所获得的应用信息进行汇总，获得全网络的应用使用和流量占用情况，并提交给RC，为RC控制管理网络提供依据。

如图3所示，本发明以用户为中心的应用感知过程为：基于机器学习的未知应用检测模块对接入的不同用户所传输的应用进行检测，如图1或3所示，接入层应用感知模块103对在其范围内并接入该区域基站的应用信息进行采集，并且通过未知应用检测模块对其进行检测，以及通过未知应用分类模块对检测到的应用基于流量占用情况进行分类；如图1或3所示，部署在基站中的接入层应用感知模块103下能够检测与该基站连接的用户使用的应用信息，然后接入层应用感知模块103将检测识别到的应用信息以及分类信息和其未识别的应用信息发送给其上层VUC层应用感知模块102。

VUC层应用感知模块102获得与其连接的多个接入层感知模块103的信息，并且VUC层应用感知模块102首先对接入层感知模块103上传的未识别应用进行识别，识别之后进行分类，然后，VUC层应用感知模块102基于用户中心对所有识别的应用进行汇总，即创建以用户为单位使用应用信息的数据，同时将该汇总信息上传至RC层应用感知模块101，其中VUC层应用感知模块102还将其未识别的应用信息上传至RC层应用感知模块101，并且将其识别的应用信息下载至接入层应用感知模块103中，应用感知模块103基于机器学习的未知应用检测模块和未知应用分类模块对该应用信息进行学习。

RC层应用感知模块101获取所有的VUC层应用感知模块102上传的用户应用信息以及其未识别的应用信息；RC层应用感知模块101首先对未知应用进行识别，识别之后再将识别的应用信息与用户应用信息进行汇总，若未识别该应用，则通知网络管理员进行识别。