軟件定義無線網(wǎng)絡(luò)中視頻業(yè)務(wù)QoS保證的新型架構(gòu)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，屬于網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化領(lǐng)域，特別是涉及利用虛擬 化技術(shù)搭建無線網(wǎng)絡(luò)，并在網(wǎng)絡(luò)控制器對全網(wǎng)拓撲的集中控制下，實施策略實現(xiàn)對視頻流 的QoS保障。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線局域網(wǎng)的便捷性以及靈活性使其能夠更廣泛的被部署在家庭里，企業(yè)內(nèi)部， 甚至校園網(wǎng)內(nèi)，相比有線寬帶，人們更愿意通過無線的方式上網(wǎng)?；ヂ?lián)網(wǎng)的高速發(fā)展產(chǎn)生了 各種各樣的服務(wù)，人們越來越習(xí)慣通過接入無線APUccess Point)的方式進行互聯(lián)網(wǎng)購 物，通信以及觀看視頻，特別是在通過無線網(wǎng)絡(luò)觀看在線視頻時，視頻質(zhì)量的提升加劇了用 戶對帶寬的需求，當(dāng)同一個無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的接入AP越來越多時，相鄰AP接入相同的 無線信道就會擁塞，還有，當(dāng)各種服務(wù)需求增加時，這些服務(wù)所產(chǎn)生的出口流量會占用無線 AP大量的帶寬，這些問題都會使得觀看視頻的用戶體驗較差。面對這些問題，傳統(tǒng)的無線局 域網(wǎng)架構(gòu)解決起來會顯得力不從心，主要原因是傳統(tǒng)的無線局網(wǎng)的組網(wǎng)方式所帶來的局限 性。
[0003] 傳統(tǒng)的無線局域網(wǎng)的組網(wǎng)方式分為胖AP和瘦AP+AC(Access Controller，無線控 制器）。其中，胖AP的方式是進行分布式地搭建無線AP，這些AP自身具有接入認(rèn)證，DHCP(動 態(tài)分配IP)，防火墻等功能，這種組網(wǎng)方式的缺點是，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)管理人員實施策略時，需要了解 每個AP的信息并逐一對每個AP進行配置，無法集中管理，工作量較大且易出錯;瘦AP+AC的 方式是通過AC對無線AP進行集中的管理，實施策略，比如接入認(rèn)證，QoS等，而AP只是為用戶 提供流量的轉(zhuǎn)發(fā)通道，這種方式的缺陷是在AC上制定的策略是靜態(tài)的，AC無法動態(tài)自適應(yīng) 網(wǎng)絡(luò)的變化而做出相應(yīng)的策略調(diào)整，而且AC設(shè)備造價較高，若網(wǎng)絡(luò)較大的話對設(shè)備的性能 要求也比較高。從傳統(tǒng)的WLAN組網(wǎng)方式來看，主要的的缺陷是集中管理困難，無法動態(tài)自適 應(yīng)網(wǎng)絡(luò)變化且設(shè)備造價以及性能要求較高。這時，有研究者提出利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)的技術(shù) 解決傳統(tǒng)無線局域網(wǎng)的諸多局限性問題。〇NF(Open Networking Foundation)在最近的SDN 官方白皮書（ONF.Wireless Transport SDN Proof of Concept White Paper[J/0L]// https: //www. opennetworking· org)中提出了將SDN技術(shù)運用到無線網(wǎng)絡(luò)中，通過SDN控制 器對每個無線接入點進行集中管理，可以有效實施提升無線傳輸帶寬和流量整形等策略。
[0004]軟件定義網(wǎng)絡(luò)是一種基于軟件的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及技術(shù)，它的主要思想是將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的 控制權(quán)分離出來，由專有的控制器進行管理。控制權(quán)的分離使得網(wǎng)絡(luò)管理者可以自定義底 層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)策略以及對設(shè)備進行集中管理。OpenFlow協(xié)議是SDN的核心技術(shù)之一，協(xié) 議中最關(guān)鍵的2個組成部分是：OpenFlow交換機和控制器。在一個OpenFlow網(wǎng)絡(luò)中， OpenFlow交換機主要負責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，主要的技術(shù)細節(jié)有三部分：流表，安全信道和 OpenFlow協(xié)議。將軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實施到無線局域網(wǎng)中，控制器掌握全網(wǎng)拓撲以及每個 AP的信息，統(tǒng)一管理網(wǎng)絡(luò)并根據(jù)策略制定AP的轉(zhuǎn)發(fā)行為。由于控制器具有編程可擴展的特 性，所以可以通過編程的方式對控制模塊進行擴展以實現(xiàn)不同需求的策略，這樣就可以解 決無線局域網(wǎng)中現(xiàn)有的問題，實現(xiàn)視頻流的QoS保障。
[0005] 目前，已有研究者基于SDN技術(shù)研究無線網(wǎng)絡(luò)中針對特定流量的QoS保障。Tomovic S在（參考文獻：Tomovic S，Yoshigoe K，Maljevic I，et al.SDN-based concept of QoS aware heteroge neous wireless network operation[C]//Telecommunications Forum Telfor(TELFOR)，201422nd. IEEE ,2014 :27-30)中提出，控制器利用DPI (Deep packet inspection，深度報文解析)技術(shù)分析第一次通過節(jié)點的數(shù)據(jù)包的服務(wù)類型，然后根據(jù)服務(wù) 類型分配帶寬大小并下發(fā)流表給節(jié)點。Bivas Bhattacharya在（參考文獻:Bhattacharya B，Das D. Software Defined Network controller embedded in mobile device for user's policy implementation[C]//Industrial Instrumentation and Control (ICIC), 2015 International Conference on .IEEE ,2015:1437-1441)中提出，根據(jù)用戶對 不同應(yīng)用的需求，為不同的應(yīng)用制定優(yōu)先級，在節(jié)點上設(shè)置好不同優(yōu)先級對應(yīng)的帶寬值，當(dāng) 用戶的應(yīng)用產(chǎn)生流量通過節(jié)點時，控制器就會根據(jù)該應(yīng)用的優(yōu)先級來為流量分配帶寬。 Jonathan Vestin在（參考文獻：Vestin J，Kassler A.QoS enabled WiFi MAC layer processing as an example of a NFV service[C]//Network Softwarization (NetSoft), 20151st IEEE Conference on. IEEE, 2015:1-9.)中提出，在接入點上配置不同 優(yōu)先級和帶寬的隊列，對流量進行分類和標(biāo)記，根據(jù)流量的標(biāo)記分配相應(yīng)的隊列。以上研究 在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)視頻流的QoS保障，但是他們大多忽略了無線網(wǎng)絡(luò)中AP之間的同頻 干擾，即使一個AP為視頻流分配了很大的帶寬，用戶在觀看視頻時依然會因為相鄰AP間的 同頻干擾造成不流暢甚至掉線。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對以下現(xiàn)有的不足，提出了一種保障視屏流的有效傳輸、達到無線信道的合理 分配的軟件定義無線網(wǎng)絡(luò)中視頻業(yè)務(wù)QoS保證的新型架構(gòu)及方法。。本發(fā)明的技術(shù)方案如 下：一種軟件定義無線網(wǎng)絡(luò)中視頻業(yè)務(wù)QoS保證的新型架構(gòu)，其主要包括:底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備， SDN控制器及頂層的業(yè)務(wù)應(yīng)用層，其中，底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備支持OpenFlow協(xié)議，所述無線網(wǎng)絡(luò)的 底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過匯聚交換機、核心路由與Internet連接，Internet與支持OpenFlow協(xié)議 的服務(wù)交換機相連接，所述底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備由每個無線訪問接入點AP都安裝了 OpenWrt+OVS 系統(tǒng)，所述SDN控制器對無線訪問接入組APs進行集中管理。
[0007] 進一步的，所述SDN控制器包括設(shè)備管理模塊、信道監(jiān)聽模塊、信道調(diào)整模塊、隊列 調(diào)整模塊、策略下發(fā)模塊;所述設(shè)備管理模塊，用于跟蹤主機在網(wǎng)絡(luò)中的位置，支持MAC地址 與交換機端口，MAC地址與IP地址的轉(zhuǎn)換，并將這些信息保存在數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)有設(shè)備掉線或 者卸載時，控制器會更新數(shù)據(jù)庫;信道監(jiān)聽模塊，用于監(jiān)聽AP并偵聽每個信道上的鄰居AP的 信息;信道調(diào)整模塊，用于對信道監(jiān)聽模塊獲取的每個AP的鄰居信息進行匯總，通過信道調(diào) 整策略得出每個AP最適合的無線信道，然后下發(fā)更新信道的消息給每個AP;隊列調(diào)整模塊， 首先會判斷數(shù)據(jù)包是否為視頻流，若是，則為該數(shù)據(jù)流分配更大帶寬的隊列和更高的優(yōu)先 級；若不是，則按默認(rèn)的方式對其進行處理;策略下發(fā)模塊，監(jiān)聽節(jié)點發(fā)送的Packet_in消 息，查看數(shù)據(jù)包中的匹配域，將隊列調(diào)整模塊的判斷結(jié)果寫入流表項中，最后根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑 將相應(yīng)流表下發(fā)給對應(yīng)的AP。
[0008] 一種所述架構(gòu)的軟件定義無線網(wǎng)絡(luò)中視頻業(yè)務(wù)QoS保證方法，其包括以下步驟：
[0009] 101、建立軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，包括底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，SDN控制器及頂層的業(yè)務(wù)應(yīng)用 層，其中，底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備支持OpenFlow協(xié)議；
[0010] 102、通過SDN控制器對無線網(wǎng)絡(luò)中的AP進行集中管理;AP在信道上廣播自己的信 息以及監(jiān)聽鄰居AP的信息并上傳 SDN控制器，SDN控制器將這些信息匯總?cè)缓筮M行全局的信 道分配；
[0011] 103、在無線訪問接入點AP上實施標(biāo)記和轉(zhuǎn)發(fā)策略，使視屏流能夠優(yōu)先發(fā)送和獲取 更大的帶寬。
[0012] 進