基于SDN的物联网业务流路由策略模型.pdf
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1、104|电子制作2023 年 7 月科技论坛基于 SDN 的物联网业务流路由策略模型冯文超(兰州职业技术学院 电子信息工程系,甘肃兰州,730070)摘要:随着物联网技术广泛地应用在各个领域,物联网中业务种类及其流量也愈发丰富,业务流量的增加为物联网的管理和质量保证带来了巨大的挑战。针对物联网中流量大,特征属性多,业务繁杂等特点,提出了基于决策树的业务流分类模型,通过SDN控制平面将物联网中的业务流进行分类,然后根据不同业务流量对网络需求的不同设计了基于网络状态QoS的业务流调度策略,通过该策略为业务流量选择最优的传输路径,从而保障物联网中不同业务的数据服务质量,提高物联网的数据传输效率。关键
2、词:软件定义网络;决策树;业务流;QoS0 引言随着物联网技术的逐渐成熟,越来越多的设备接入到物联网中,开启了自动化智能化的生活方式1。随着物联网中设备的不断增加,物联网中的流量也越来越大,而在物联网中不同业务流量对网络的需求各不相同,如公共安全设备的数据必须具备高可靠性和实时性,网络视频数据对实时性不敏感,但是对带宽的要求较高,因此为了满足不同应用的需求,有必要为不同的网络流量分配合理的网络资源,从而保证物联网中各种流量的服务质量。由于传统网络在设计之初并没有考虑到网络流量的优先级,因此无法满足物联网根据流量类型实现动态路由控制从而保证用户服务质量的需求。软件定义网络(SoftwareDef
3、inedNetwork,SDN)2的出现,为物联网解决用户服务质量提供了新的思路。在 SDN 网络中,网络设备的控制面和数据面是相互独立的,控制面通过 Openflow 等协议3收集和管理分布式的网络状态信息,然后使用流表下发的方式控制数据流按照预定的路由策略进行转发,从而实现对网络资源的有效管控。基于上述背景,本文提出了基于决策树的业务流分类模型,该模型设计了流量感知节点,负责通过控制面和数据面的交互获取物联网中流量分布现状,并对不同类型的业务流进行分类,并根据不同业务流量对网络需求的不同设计了基于网络状态 QoS 的业务流调度策略,该策略添加了网络状态感知方法,通过控制流和数据流的交互计算
4、出不同业务流量的网络 QoS 参数,根据不同业务流量对网络资源的 QoS 参考值选择最优的传输路径,从而保障物联网中不同业务的数据服务质量,提高物联网的数据传输效率。1 物联网业务流分类模型物联网业务流分类是指定路由策略的前提,对不同业务流的分析,既可以为后续流量转发提供明确的目标,也是确定不同类型流量对 QoS 质量要求的主要方法。为了感知物联网中不同类型流量的变化,设计了处于控制层的流量感知节点,其结构如图 1 所示。图 1流量感知节点结构图流感感知节点主要包括两部分,获取数据流的数据截取模块以及分析数据流的数据分析模块。数据截取模块在数据层的数据转发模块中获取每个数据包的包头,包括数据包
5、的源 IP 和端口,目的 IP 和端口以及数据包的长度,数据流转发的时间,数据包的流速,平均大小等。数据截取模块获取到相应的数据之后转发给数据分析模块,数据模块根据上述信息分析,获得当前网络中存在的应用类型数量以及每个应用的数据流的数量,数据流的持续时长以及数据流发生的频率,首个数据包到最后数据包到达目的的时间差等,获取到上述信息之后就可以使用数据分类模块对数据流进行分类。在获取各种数据流的特征属性之后,可以根据特征属性值对数据流进行分类。由于在物联网中数据流量的大部分属性值是连续值,为了实现对连续值的分类,需要选择合适的分割特征值。CART 算法4就是利用基尼系数5来选择训练样本中的分割特征
6、值,然后在分割特征值将训练集分为两个子集来构建决策树。对于给定的样本 D,其基尼系数定义如下:()211nkkCGini DD=式(1)其中:k 是类别编号,kC 是 k 类样本的集合,D 表示样本集的数量,基尼系数越小表示样本之间的差别越小。基于基尼系数构建分类树的过程就是在样本中不断寻找满足将训练集合分成两部分的最小特征值的过程,也就是说当样wwwele169com|105科技论坛本集 D 分为特征值明显区分的两部分1D 和2D 时有:()()()1212,DDGini D AGini DGini DDD=+式(2)通过循环迭代上述方法,当出现分割点的基尼系数比当前样本集的基尼系数下降不够
7、时停止迭代。由于物联网流量的特征值都是连续的,因此特征变量的分割点数量会很多,后果就是决策树的枝干过多,划分的类别过细,在对数据流进行分类的时间太长,因此需要对决策树进行减枝,减枝的过程就可以利用设置物联网中流量的特征值的方式,如根据流量大小阈值设置传输的优先级。在构建决策树的过程中,当物联网中流量到达某个阈值时的特征值时作为停止迭代的最小特征值。2 基于 QoS 的业务流路由策略模型 2.1 基于 SDN 的网络状态感知对物联网中业务流进行分类之后,还需要获得网络中流量的状态信息,主要包括网络的时延,带宽以及数据的丢包率,从而为网络调度策略提供依据。网络时延主要包括数据处理时延,排队时延,发
8、送时延和传播时延,其中前两者取决于网络设备的处理能力,发送时延取决于数据包的长度和链路传输速率,其计算方法:sssLDV=式(3)其中:sL 指数据包的长度,sV 指的是数据包的发送速率。在 SDN 网络中,传播时延是由 SDN 控制器发送探测包的方式来计算传播时延,探测包在发送时的时间戳为1T,回复包的时间戳为2T,因此传播时延可以用:21sTTT=式(4)链路带宽是链路传输数据的最大数据量,合理的分配各应用的数据流量可有效提高网络的资源利用率,SDN 网络中链路带宽可以通过交换机的端口信息获取,发送数据包的数据结构中包括交换机端口发送和接收数据的字节数,分别用 tx1 和 rx1 表示1T
9、 时刻网口的计数,分别用 tx2 和 rx2 表示2T 时刻网口的计数,因此链路带宽就可以表示为:()()212211txrxtxrxBTT+=式(5)同理,网络丢包率也可以通过交换机的端口信息处获取,用1rd 和1td 表示在传输周期之前数据的发送量和接收量,用2rd 和2td 表示在传输周期之后数据的发送量和接收量,因此链路的丢包率可以表示为:()()212121(tdtdrdrddroptdtd=式(6)2.2 业务流调度策略模型传统网络数据转发采用 Dijkstra 算法,这种算法只考虑源和目的节点之间的跳数而没有考虑到业务数据的 QoS 需求。为了适应物联网中多业务流量对 QoS 的
10、需求,本文在对业务流进行分类,对网络的运行状态进行探测,然后针对不同应用提出的 QoS 需求对物联网业务流量生成动态路由策略,业务流调度策略模型如图 2 所示。图 2业务流动态调度策略业务流动态调度策略的步骤如下:(1)当业务流进入到物联网中,处于物联网控制层之中的流量感知节点收集该网络中业务流量的基本信息,同时对业务流量进行分类,然后将分类结果交给 QoS 需求分析模块;(2)QoS 需求分析模块收到业务流分类结果之后,会根据不同业务对 QoS 需求的不同给出相应的 QoS 参数的参考值,然后将参考值提交给业务流动态调度模块;(3)网络状态感知模块会计算出各链路实时的时延,带宽和丢包率等参数
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