本發(fā)明屬于數(shù)據(jù)通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種面向工業(yè)sdn的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)資源預(yù)留qos保障方法。

背景技術(shù)：

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，軟件定義網(wǎng)絡(luò)(sdn)的應(yīng)用越來越廣泛。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同，軟件定義網(wǎng)絡(luò)采用控制和轉(zhuǎn)發(fā)分離的結(jié)構(gòu)，可以在不變動硬件設(shè)備的前提下，以中心控制的方式，用程序重新規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)。從而降低了網(wǎng)絡(luò)部署成本，減輕了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營和維護(hù)負(fù)擔(dān)。

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)在傳輸過程中，對帶寬、時延等往往有一定義要求，特別是一些周期性業(yè)務(wù)，通常對帶寬、時延的要求相對固定。突發(fā)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)往往會對網(wǎng)絡(luò)造成沖擊，使網(wǎng)絡(luò)短時間內(nèi)處于阻塞狀態(tài)，影響了部分重要數(shù)據(jù)的傳輸。

針對以上問題，現(xiàn)有的解決辦法就是采用資源預(yù)留策略，為固定的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)預(yù)留一定帶寬，保障該業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的通信。但是由于缺乏對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量變化的適應(yīng)能力，其技術(shù)手段在sdn網(wǎng)絡(luò)中也并不適用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明目的在于提供一種面向工業(yè)sdn的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)資源預(yù)留qos保障方法，采用網(wǎng)絡(luò)與終端協(xié)商的方式，動態(tài)分配網(wǎng)絡(luò)資源，滿足業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)對帶寬、時延要求。

本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：一種面向工業(yè)sdn的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)資源預(yù)留qos保障方法，包括預(yù)留資源申請過程、預(yù)留資源轉(zhuǎn)發(fā)過程和預(yù)留資源釋放過程；

所述預(yù)留資源申請過程，終端節(jié)點根據(jù)業(yè)務(wù)需要，發(fā)送預(yù)留資源協(xié)商以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包至所連接的交換機(jī)；交換機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)控制通道將所述資源協(xié)商數(shù)據(jù)包發(fā)送至sdn網(wǎng)絡(luò)控制器；sdn網(wǎng)絡(luò)控制器根據(jù)鏈路的負(fù)載信息，對業(yè)務(wù)路徑上的預(yù)留資源進(jìn)行計算，并將規(guī)劃結(jié)果以流表項的形式反饋至路徑上的各個交換 機(jī)；交換機(jī)按照執(zhí)行控制器流表操作，向發(fā)起請求的終端節(jié)點反饋申請結(jié)果；

所述預(yù)留資源轉(zhuǎn)發(fā)過程，由路徑上的各個交換機(jī)根據(jù)流表進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和隊列控制；

所述預(yù)留資源釋放過程，當(dāng)終端節(jié)點向sdn網(wǎng)絡(luò)控制器發(fā)送釋放帶寬資源的請求時，sdn網(wǎng)絡(luò)控制器刪除交換機(jī)中資源預(yù)留的流表項，釋放帶寬資源；當(dāng)流表項未被匹配達(dá)設(shè)定時間時，由交換機(jī)通知sdn網(wǎng)絡(luò)控制器，由sdn網(wǎng)絡(luò)控制器決定釋放帶寬資源。

所述預(yù)留資源協(xié)商以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，包括以下信息：

數(shù)據(jù)流使用到的軟件定義網(wǎng)絡(luò)匹配元組；

帶寬要求bp，時延要求τp；

數(shù)據(jù)流最大數(shù)據(jù)包長度l。

所述sdn網(wǎng)絡(luò)控制器根據(jù)鏈路的負(fù)載信息，對業(yè)務(wù)路徑上的預(yù)留資源進(jìn)行計算，包括以下步驟：

若預(yù)留資源協(xié)商以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包中申請的數(shù)據(jù)流最大數(shù)據(jù)包長度l大于網(wǎng)絡(luò)容納最大長度lmax，則將資源申請狀態(tài)設(shè)置為失敗，否則將資源申請狀態(tài)設(shè)置為成功；

sdn網(wǎng)絡(luò)控制器使用預(yù)留資源協(xié)商以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)流使用到的軟件定義網(wǎng)絡(luò)匹配元組信息計算數(shù)據(jù)流路徑，并計算路徑上每條鏈路的可分配帶寬：

bkr＝αbk0-∑bki

其中，bkr為鏈路k上可分配帶寬；bk0表示鏈路k總帶寬；α為帶寬系數(shù)，表示預(yù)留帶寬總量占全部帶寬的百分比；bki表示鏈路k上為第i個數(shù)據(jù)流分配的帶寬，∑bki表示已分配給其他數(shù)據(jù)流帶寬總和；

若申請占用資源中帶寬要求bp小于路徑上所有鏈路可分配帶寬bkr的最小值bmr，則帶寬資源可以滿足帶寬要求；否則表示帶寬資源無法滿足帶寬要求，將資源申請狀態(tài)由成功設(shè)置為失敗，結(jié)束預(yù)留資源的計算；

根據(jù)數(shù)據(jù)流時延要求τp求數(shù)據(jù)流在鏈路k上的分段時延：

根據(jù)數(shù)據(jù)流在鏈路k上的分段時延τkp計算所需時延保障預(yù)留帶寬：

取bkp'和bp中較大的作為鏈路k上為該數(shù)據(jù)流預(yù)留帶寬bkp；比較所有鏈路k上的預(yù)留帶寬bkp和鏈路剩余帶寬bkr，若鏈路k上的預(yù)留帶寬bkp小于鏈路剩余帶寬bkr，則表示可以滿足時延要求；否則將資源申請狀態(tài)由成功設(shè)置為失敗。

所述資源申請狀態(tài)設(shè)置為成功后，sdn網(wǎng)絡(luò)控制器進(jìn)行如下操作：

將申請信息存入數(shù)據(jù)庫；

向提交請求的交換機(jī)下發(fā)流表，指定交換機(jī)將收到的申請信息保持原樣返還至申請的終端節(jié)點，并指定該交換機(jī)在執(zhí)行一次后將流表刪除；

向路徑上所有交換機(jī)發(fā)送流表，為預(yù)留資源協(xié)商以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包中匹配元組的數(shù)據(jù)流建立帶寬隊列并規(guī)定轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則。

所述資源申請狀態(tài)設(shè)置為失敗后，sdn網(wǎng)絡(luò)控制器進(jìn)行如下操作：

若申請的數(shù)據(jù)流最大數(shù)據(jù)包長度l大于網(wǎng)絡(luò)容納最大長度lmax，則向提交請求的交換機(jī)下發(fā)流表，指定交換機(jī)用lmax替換l填入預(yù)留資源協(xié)商以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的最大長度字段后將數(shù)據(jù)包返還至終端節(jié)點，并指定該交換機(jī)在執(zhí)行一次后將該流表項刪除；

若申請的帶寬要求bp大于可分配帶寬bmr，則向提交請求的交換機(jī)下發(fā)流表，指定交換機(jī)用bmr替換bp填入預(yù)留資源協(xié)商以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的帶寬要求字bp后將數(shù)據(jù)包返還至終端節(jié)點，并指定該交換機(jī)在執(zhí)行一次后將該流表項刪除；

若申請時延要求τp無法滿足，則向提交請求的交換機(jī)下發(fā)流表，指定交換機(jī)將預(yù)留資源協(xié)商以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的時延要求字段置零后將數(shù)據(jù)包返還至終端節(jié)點，并指定該交換機(jī)在執(zhí)行一次后將該流表項刪除。

所述終端節(jié)點的申請失敗，終端節(jié)點根據(jù)反饋結(jié)果重新發(fā)起預(yù)留資源申請過程。

所述當(dāng)終端節(jié)點向sdn網(wǎng)絡(luò)控制器發(fā)送釋放帶寬資源的請求時，sdn網(wǎng)絡(luò)控制器刪除交換機(jī)中資源預(yù)留的流表項，釋放帶寬資源，包括以下步驟：

終端節(jié)點通過資源協(xié)商以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包發(fā)送釋放資源申請至所連接的交換機(jī)；

所述交換機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)控制通道將資源協(xié)商以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包發(fā)送至sdn網(wǎng)絡(luò)控制器；

sdn網(wǎng)絡(luò)控制器根據(jù)請求發(fā)送者和匹配元組查找數(shù)據(jù)庫，若未找到相應(yīng)的資源預(yù)留項，則結(jié)束且不進(jìn)行任何操作；否則，將匹配內(nèi)容從數(shù)據(jù)庫中刪除，向所述交換機(jī)下發(fā)流表，指定交換機(jī)回復(fù)申請成功信息并刪除路徑上的交換機(jī)中的相關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)流表項。

所述當(dāng)流表項未被匹配達(dá)設(shè)定時間時，由交換機(jī)通知sdn網(wǎng)絡(luò)控制器，由sdn網(wǎng)絡(luò)控制器決定釋放帶寬資源，包括以下步驟：

交換機(jī)經(jīng)過周期t檢查流表使用情況，當(dāng)流表在一個周期內(nèi)未使用時，則通知sdn網(wǎng)絡(luò)控制器；

sdn網(wǎng)絡(luò)控制器接收到一個預(yù)留資源路徑上所有交換機(jī)的通知時，則從數(shù)據(jù)庫中找到匹配項，并刪除路徑上的交換機(jī)中的轉(zhuǎn)發(fā)流表項。

所述終端設(shè)備采用指定以太網(wǎng)類型字段的數(shù)據(jù)包，申請預(yù)留/釋放帶寬資源，當(dāng)交換機(jī)收到這個數(shù)據(jù)包時，不識別該數(shù)據(jù)包，然后發(fā)送給控制器。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點及有益效果：

(1)本發(fā)明很好的將資源預(yù)留融入sdn架構(gòu)，使sdn網(wǎng)絡(luò)可以滿足終端設(shè)備的帶寬、時延要求。

(2)本發(fā)明采用協(xié)商的方式實現(xiàn)預(yù)留/釋放網(wǎng)絡(luò)資源，可以滿足終端設(shè)備變化的帶寬、時延要求。

(3)本發(fā)明利用sdn網(wǎng)絡(luò)的控制通道和下發(fā)流表功能實現(xiàn)終端設(shè)備和控制器信息交互的同時，對終端設(shè)備隱藏了控制器的存在，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的安全性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D；

圖2是本發(fā)明設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)和通信示意圖；

圖3是本發(fā)明申請預(yù)留/釋放資源數(shù)據(jù)格式示意圖；

圖4是本發(fā)明預(yù)留資源過程中控制器執(zhí)行流程圖；

圖5是本發(fā)明終端主動釋放預(yù)留資源流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

參照圖1，本發(fā)明的一種面向工業(yè)sdn的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)資源預(yù)留qos保障方法，包括預(yù)留資源申請過程、預(yù)留資源轉(zhuǎn)發(fā)過程和預(yù)留資源釋放過程。預(yù)留/釋放資源由終端設(shè)備發(fā)起，申請信息通過與終端連接的交換機(jī)由sdn網(wǎng)絡(luò)控制通道進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)控制器，并在控制器中進(jìn)行資源調(diào)度規(guī)劃，通過流表將反饋結(jié)果返還到終端設(shè)備。圖中粗線表示預(yù)留/釋放資源協(xié)商數(shù)據(jù)走向，虛線表示控制通道數(shù)據(jù)。

參照圖3，一種面向工業(yè)sdn的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)資源預(yù)留qos保障方法，終端設(shè)備采用指定以太網(wǎng)類型字段的數(shù)據(jù)包申請預(yù)留/釋放網(wǎng)絡(luò)資源，sdn網(wǎng)絡(luò)控制器和交換機(jī)嚴(yán)格區(qū)分以太網(wǎng)類型字段。數(shù)據(jù)發(fā)送端或者接收端向交換機(jī)發(fā)送資源申請采用的預(yù)留資源協(xié)商以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包包括以下信息：

(1)數(shù)據(jù)流使用到的軟件定義網(wǎng)絡(luò)匹配元組；

(2)帶寬要求bp，時延要求τp；

(3)數(shù)據(jù)流最大數(shù)據(jù)包長度l；

參照圖2，所述預(yù)留資源申請過程包括以下步驟：

步驟1:數(shù)據(jù)發(fā)送端采用預(yù)留資源協(xié)商以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包發(fā)送資源申請至所連接的交換機(jī)。

步驟2:交換機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)控制通道將資源協(xié)商數(shù)據(jù)包發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)控制器。

步驟3:參照圖4，控制器進(jìn)行預(yù)留資源計算：

步驟3-1：若申請最大數(shù)據(jù)包長度l大于網(wǎng)絡(luò)容納最大長度lmax，將資源申 請狀態(tài)設(shè)置為失敗，否則將資源申請狀態(tài)設(shè)置為成功。

步驟3-2：控制器使用申請預(yù)留資源數(shù)據(jù)包中的匹配元組信息計算數(shù)據(jù)流路徑，并計算路徑上每條鏈路的可分配帶寬：

bkr＝αbk0-∑bki

其中bkr為鏈路k上可分配帶寬；bk0表示鏈路k總帶寬；α為帶寬系數(shù)，表示預(yù)留帶寬總量占全部帶寬的百分比；bki表示鏈路k上為第i個數(shù)據(jù)流分配的帶寬，∑bki表示已分配給其他數(shù)據(jù)流帶寬總和。

步驟3-3：若申請占用資源中帶寬要求bp小于路徑上所有鏈路可分配帶寬bkr的最小值bmr，則帶寬資源可以滿足帶寬要求；否則表示帶寬資源無法滿足帶寬要求，將資源申請狀態(tài)設(shè)置為失敗，將資源申請狀態(tài)設(shè)置為失?。?/p>

步驟3-4：根據(jù)數(shù)據(jù)流時延τp求數(shù)據(jù)流在鏈路k上的分段時延：

步驟3-5：根據(jù)鏈路分段時延τp計算所需時延保障預(yù)留帶寬：

其中l(wèi)為數(shù)據(jù)流最大數(shù)據(jù)包長度；

步驟3-6：取bkp'和bp中較大的作為鏈路k上為該數(shù)據(jù)流預(yù)留帶寬bkp；比較所有鏈路k上的預(yù)留帶寬bkp和鏈路剩余帶寬bkr，若鏈路k上的預(yù)留帶寬bkp小于鏈路剩余帶寬bkr，則表示可以滿足時延要求；否則將資源申請狀態(tài)設(shè)置為失敗。

步驟4:參照圖4，資源申請狀態(tài)設(shè)置為成功后，控制器進(jìn)行如下操作：

步驟4-1：將申請信息存入數(shù)據(jù)庫；

步驟4-2：向提交請求的交換機(jī)下發(fā)流表，指定交換機(jī)將收到的申請信息保持原樣返還至申請的終端節(jié)點，并指定該交換機(jī)在執(zhí)行一次后將該流表項刪除；

步驟4-3：向路徑上所有交換機(jī)發(fā)送流表，為申請預(yù)留資源數(shù)據(jù)包中匹配元組的數(shù)據(jù)流建立帶寬隊列并規(guī)定轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則；

步驟5:參照圖4，資源申請狀態(tài)設(shè)置為失敗后，控制器進(jìn)行如下操作：

步驟5-1：若申請最大數(shù)據(jù)包長度l大于網(wǎng)絡(luò)容納最大長度lmax，則向提交請求的交換機(jī)下發(fā)流表：指定交換機(jī)用lmax替換l填入申請數(shù)據(jù)包的最大長度字段后將數(shù)據(jù)包返還至終端節(jié)點，并指定該交換機(jī)在執(zhí)行一次后將該流表項刪除；

步驟5-2：若申請帶寬bp大于可分配帶寬bmr，則向提交請求的交換機(jī)下發(fā)流表：指定交換機(jī)用bmr替換bp填入申請數(shù)據(jù)包的帶寬要求字段后將數(shù)據(jù)包返還至終端節(jié)點，并指定該交換機(jī)在執(zhí)行一次后將該流表項刪除；

步驟5-3：若申請時延要求無法滿足，則向提交請求的交換機(jī)下發(fā)流表：指定交換機(jī)將申請數(shù)據(jù)包的時延要求字段置零后將數(shù)據(jù)包返還至終端節(jié)點，并指定該交換機(jī)在執(zhí)行一次后將該流表項刪除。

步驟6:交換機(jī)按照執(zhí)行控制器流表操作，向請求終端反饋申請結(jié)果。

步驟7:若申請預(yù)留資源失敗，終端可以根據(jù)回饋結(jié)果重新申請預(yù)留資源。

參照圖2，所述的預(yù)留資源轉(zhuǎn)發(fā)過程，由路徑上的各個交換機(jī)根據(jù)流表進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和隊列控制,。

所述的面向工業(yè)sdn的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)資源預(yù)留qos保障方法，其特征在于所述預(yù)留資源釋放過程包括以下方式：

方式1：參照圖5，終端設(shè)備不再需要預(yù)留資源或者預(yù)留資源有變化時時，通過以下步驟釋放現(xiàn)有預(yù)留資源：

步驟1：終端設(shè)備采用資源協(xié)商以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包發(fā)送釋放資源申請至所連接的交換機(jī)。

步驟2：交換機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)控制通道將資源協(xié)商信息發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)控制器。

步驟3：控制器根據(jù)請求發(fā)送者和匹配元組查找數(shù)據(jù)庫，若未找到相應(yīng)的資源預(yù)留項則結(jié)束不進(jìn)行任何操作；否則，將匹配內(nèi)容從數(shù)據(jù)庫中刪除，向與終端相連的交換機(jī)發(fā)送一次性執(zhí)行流表，回復(fù)申請成功信息并刪除路徑上的交換機(jī)中的相關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)流表項。

方式2：終端設(shè)備不使用預(yù)留資源并且沒有主動釋放時，網(wǎng)絡(luò)通過以下步驟 釋放預(yù)留資源：

步驟1：交換機(jī)經(jīng)過周期t檢查流表使用情況，當(dāng)流表在一個周期內(nèi)未使用時，則通知控制器。

步驟2：控制器接收到一個預(yù)留資源路徑上所有交換機(jī)的通知時，則從數(shù)據(jù)庫中找到匹配項，并刪除路徑上的交換機(jī)中的轉(zhuǎn)發(fā)流表項。