软件定义网络空闲预留带宽的非实时数据传输系统及方法

1.本发明涉及通信技术领域，具体地说是一种软件定义网络空闲预留带宽的非实时数据传输系统及方法。


背景技术：

2.由于一些新兴技术，如工业互联网和云边缘合作，近年来需要可靠带宽保证的网络应用(如实时工业数据收集和分析)大幅增加。对于需要可靠带宽保证的应用程序，带宽预留是一项重要技术。根据预留带宽的可变性，现有的带宽预留方案可分为两大类，即固定带宽预留和动态带宽预留。前者预先为指定的应用程序分配固定带宽，而后者根据流量配置文件分配带宽资源。
3.在固定带宽预留中，为了提供可靠的带宽保证，必须在网络应用的整个生命周期内提供足够的带宽资源，研究表明了网络流量模式的不规则变化。流量模式的高度可变性意味着流量存在大量突发事件。在较长的时间跨度内，流量远远低于峰值水平。由于固定带宽预留根据流量峰值确定需要的带宽，上述情况导致固定带宽预留的资源利用率很低。由于网络资源的有限性和对带宽预留需求的不断增长，低资源利用率不利于提高整个网络的服务质量和容量。
4.动态带宽预留明显提高了具有时变流量的资源利用率。动态带宽预留中使用的流量情况可以通过流量建模和监控获得。使用基于流量模型的动态带宽预留，传输的性能有时会下降，这是因为难以准确地对流量进行建模。此外，性能下降的持续时间和程度也是不确定的。因此，基于流量模型的动态带宽预留不适用于需要可靠带宽保证的应用。实时流量监控可以解决流量模型的不精确性问题。然而，流量监控延迟成为提供可靠带宽保证的新瓶颈。此外，实时流量监控给网络和监控服务器带来的沉重负载也是一个不可避免的障碍。总体上，目前常用的带宽预留方式还是以固定带宽预留为主。
5.故如何提高网络资源利用率，从整体上优化网络服务性能是目前亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

6.本发明的技术任务是提供一种软件定义网络空闲预留带宽的非实时数据传输系统及方法，来解决如何提高网络资源利用率，从整体上优化网络服务性能的问题。
7.本发明的技术任务是按以下方式实现的，一种软件定义网络空闲预留带宽的非实时数据传输系统，该系统包括至少一个全局控制器、多个分布在软件定义网络中的本地控制器和多个分布在软件定义网络数据平面的交换机；
8.其中，全局控制器包括一个非实时流量调度器和一个本地控制管理器；
9.非实时流量调度器用于定期或不定期地为非实时数据流计算传输途径，并向交换机根据openflow规范发送相关指令；
10.本地控制管理器用于管理本地控制器，并向本地控制器发送流量检测和控制相关
的参数。
11.其中，软件定义网络环境中的两种类型的数据流：基于预留带宽的数据流和非实时数据流。
12.作为优选，交换机之间通过链路流量调度模型进行非实时数据流的转发，链路流量调度模型包括带宽预留逻辑端口、非实时流量逻辑端口和可限速队列；其中，非实时流量逻辑端口是指经过同一链路的非实时流量共用的逻辑端口；带宽预留逻辑端口是指所有经过同一链路且基于预留带宽的数据流都通过的逻辑端口；带宽预留逻辑端口传输速率大于所有预留带宽之和；非实时流量逻辑端口对应一个可限速队列；带宽预留逻辑端口与可限速队列是一一对应的关系。
13.更优地，非实时数据流的转发方式具体如下：
14.①
、直接经由非实时流量逻辑端口向下一跳交换机转发；
15.②
、经由可限速队列转发到带宽预留逻辑端口，再由带宽预留逻辑端口继续向下一跳交换机转发。
16.更优地，每个本地控制器实时监控通过本地管理域的基于预留带宽的数据流流量；其中，本地管理域指的是位于本地控制器附近的链路。
17.更优地，每个本地控制器实时监控通过本地管理域的基于预留带宽的数据流流量具体如下：
18.本地控制器向链路起点交换机发送openflow规范指定的端口状态查询命令，查询带宽预留逻辑端口的状态；
19.本地控制器根据交换机反馈的逻辑端口状态计算实时流量；
20.当本地控制器发现经过带宽预留逻辑端口的流量超过设定的阈值，则向交换机发送新的限速命令，降低可限速队列的传输速率，使得经过带宽预留逻辑端口的流量低于指设定的阈值；其中，设定的阈值小于所有预留带宽之和。
21.作为优选，所述本地控制器周期性地向全局控制器汇报带宽预留逻辑端口的流量情况，具体如下：
22.本地控制器通过非实时数据流状态查询命令实时监控非实时数据流的流量情况，并将监控到的非实时数据流量情况周期性地向全局控制器汇报；
23.全局控制器根据非实时数据流量情况及预留带宽逻辑端口对应的预留带宽空闲情况决定非实时数据流的转发方式。
24.一种软件定义网络空闲预留带宽的非实时数据传输方法，该方法具体如下：
25.非实时流量调度器定期或不定期地为非实时数据流计算传输途径，并向交换机根据openflow规范发送相关指令；
26.本地控制管理器周期性地向全局控制器汇报带宽预留逻辑端口的流量情况；
27.每个本地控制器实时监控通过本地管理域的基于预留带宽的数据流流量；其中，本地管理域指的是位于本地控制器附近的链路；
28.交换机之间通过链路流量调度模型进行非实时数据流的转发。
29.作为优选，链路流量调度模型包括带宽预留逻辑端口、非实时流量逻辑端口和可限速队列；其中，非实时流量逻辑端口是指经过同一链路的非实时流量共用的逻辑端口；带宽预留逻辑端口是指所有经过同一链路且基于预留带宽的数据流都通过的逻辑端口；带宽
预留逻辑端口传输速率大于所有预留带宽之和；非实时流量逻辑端口对应一个可限速队列；带宽预留逻辑端口与可限速队列是一一对应的关系。
30.更优地，本地控制管理器周期性地向全局控制器汇报带宽预留逻辑端口的流量情况具体如下：
31.本地控制器通过流状态查询命令实时监控非实时数据流的流量情况，并将监控到的非实时数据流量情况周期性地向全局控制器汇报；
32.全局控制器根据非实时数据流量情况及预留带宽逻辑端口对应的预留带宽空闲情况决定非实时数据流的转发方式；
33.其中，非实时数据流的转发方式具体如下：
34.①
、直接经由非实时流量逻辑端口向下一跳交换机转发；
35.②
、经由可限速队列转发到带宽预留逻辑端口，再由带宽预留逻辑端口继续向下一跳交换机转发。
36.更优地，每个本地控制器实时监控通过本地管理域的基于预留带宽的数据流流量具体如下：
37.本地控制器向链路起点交换机发送openflow规范指定的端口状态查询命令，查询带宽预留逻辑端口的状态；
38.本地控制器根据交换机反馈的逻辑端口状态计算实时流量；
39.当本地控制器发现经过带宽预留逻辑端口的流量超过设定的阈值，则向交换机发送新的限速命令，降低可限速队列的传输速率，使得经过带宽预留逻辑端口的流量低于指设定的阈值；其中，设定的阈值小于所有预留带宽之和。
40.本发明的软件定义网络空闲预留带宽的非实时数据传输系统及方法具有以下优点：
41.(一)本发明以软件定义网络为背景，实现了利用空闲预留带宽的非实时数据传输，提高了网络资源利用率，进而从整体上优化网络服务性能；
42.(二)本发明的目的是充分利用空闲的固定预留带宽资源，提高非实时数据流的传输速率；
43.(三)本发明的每个本地控制器实时监控通过本地管理域的基于预留带宽的数据流流量，保障基于预留带宽的数据流有足够的带宽可用；
44.(四)本发明的本地控制器数据可根据负载情况进行确定，从而解决了网络流量实时监控和控制的高负载问题。
附图说明
45.下面结合附图对本发明进一步说明。
46.附图1为软件定义网络空闲预留带宽的非实时数据传输系统的结构示意图；
47.附图2为链路流量调度模型的示意图。
具体实施方式
48.参照说明书附图和具体实施例对本发明的软件定义网络空闲预留带宽的非实时数据传输系统及方法作以下详细地说明。
49.实施例1：
50.如附图1所示，本实施例提供了一种软件定义网络空闲预留带宽的非实时数据传输系统,该系统包括一个全局控制器、多个分布在软件定义网络中的本地控制器和多个分布在软件定义网络数据平面的交换机；
51.其中，全局控制器包括一个非实时流量调度器和一个本地控制管理器；
52.非实时流量调度器用于定期或不定期地为非实时数据流计算传输途径，并向交换机根据openflow规范发送相关指令；
53.本地控制管理器用于管理本地控制器，并向本地控制器发送流量检测和控制相关的参数。
54.其中，软件定义网络环境中的两种类型的数据流：基于预留带宽的数据流和非实时数据流。
55.如附图2所示，本实施例中的交换机之间通过链路流量调度模型进行非实时数据流的转发，链路流量调度模型包括带宽预留逻辑端口、非实时流量逻辑端口和可限速队列；其中，非实时流量逻辑端口是指经过同一链路的非实时流量共用的逻辑端口；带宽预留逻辑端口是指所有经过同一链路且基于预留带宽的数据流都通过的逻辑端口；带宽预留逻辑端口传输速率大于所有预留带宽之和；非实时流量逻辑端口对应一个可限速队列；带宽预留逻辑端口与可限速队列是一一对应的关系。
56.本实施例中的非实时数据流的转发方式具体如下：
57.①
、直接经由非实时流量逻辑端口向下一跳交换机转发；
58.②
、经由可限速队列转发到带宽预留逻辑端口，再由带宽预留逻辑端口继续向下一跳交换机转发。
59.本实施例中，每个本地控制器实时监控通过本地管理域(地管理域指的是位于本地控制器附近的链路)的基于预留带宽的数据流流量；具体如下：
60.本地控制器向链路起点交换机发送openflow规范指定的端口状态查询命令，查询带宽预留逻辑端口的状态；
61.本地控制器根据交换机反馈的逻辑端口状态计算实时流量；
62.当本地控制器发现经过带宽预留逻辑端口的流量超过设定的阈值，则向交换机发送新的限速命令，降低可限速队列的传输速率，使得经过带宽预留逻辑端口的流量低于指设定的阈值；其中，设定的阈值小于所有预留带宽之和。
63.本实施例中的本地控制器周期性地向全局控制器汇报带宽预留逻辑端口的流量情况，具体如下：
64.本地控制器通过非实时数据流状态查询命令实时监控非实时数据流的流量情况，并将监控到的非实时数据流量情况周期性地向全局控制器汇报；
65.全局控制器根据非实时数据流量情况及预留带宽逻辑端口对应的预留带宽空闲情况决定非实时数据流的转发方式。
66.实施例2：
67.本实施例提供了一种软件定义网络空闲预留带宽的非实时数据传输方法，该方法具体如下：
68.非实时流量调度器定期或不定期地为非实时数据流计算传输途径，并向交换机根
据openflow规范发送相关指令；
69.本地控制管理器周期性地向全局控制器汇报带宽预留逻辑端口的流量情况；
70.每个本地控制器实时监控通过本地管理域的基于预留带宽的数据流流量；其中，本地管理域指的是位于本地控制器附近的链路；
71.交换机之间通过链路流量调度模型进行非实时数据流的转发。
72.如附图2所示，链路流量调度模型中，所有经过同一链路的、基于预留带宽的数据流都通过同一个逻辑端口，称为带宽预留逻辑端口。带宽预留逻辑端口传输速率稍大于所有预留带宽之和，以上处理能为利用空闲预留带宽提供良好的便利。经过同一链路的非实时流量共用一个逻辑端口，称为非实时流量逻辑端口。非实时流量逻辑端口对应一个可限速队列。非实时数据流利用以下转发方式：直接经由非实时流量逻辑端口向下一跳交换机转发；经由可限速队列转发到带宽预留的逻辑端口，有该端口继续向下一跳交换机转发。
73.每个本地控制器实时监控通过其附近链路(这些链路组成一个本地管理域)的基于预留带宽的数据流流量，具体监控方法为：本地控制器向链路起点交换机发送openflow规范指定的端口状态查询命令，查询带宽预留逻辑端口的状态；本地控制器根据交换机反馈的逻辑端口状态计算实时流量。当本地控制器发现经过带宽预留逻辑端口的流量超过指定的阈值(该值小于所有预留带宽之和)，则向交换机发送新的限速命令，降低可限速队列的传输速率，使得经过带宽预留逻辑端口的流量低于指定的阈值。通过上述处理，保障基于预留带宽的数据流有足够的带宽可用。本地控制器数据可根据负载情况进行确定，从而解决了网络流量实时监控和控制的高负载问题。
74.本地控制器周期性地向全局控制器汇报带宽预留逻辑端口的流量情况。此外，本地控制器也通过流状态查询命令，实时监控非实时数据流的流量情况，并将监控到的非实时数据流量情况周期性地向全局控制器汇报。全局控制器根据非实时数据流量情况、预留带宽逻辑端口对应的预留带宽空闲情况，决定非实时数据流的转发方式。
75.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。