NSAF:一种方法确保感知应用程序在SDN QoS路由基于网络的应用程序

文摘

软件定义网络的出现(SDN)导致了可编程网络环境的范式。从概念上讲,SDN的结构分为三层:应用程序,控制,和基础设施。SDN控制器在控制层的路由可以配置和执行应用程序基础架构层组成的网络设备,包括主机和交换机。当前研究SDN主要专注于控制层方面,例如控制器开发,控制器的性能方面,不同的控制器,控制器和网络设备之间的交互。然而,提供无缝的网络服务和有效地管理网络环境中,感知应用程序路由是必要的,因为应用程序可能具有不同的服务质量(QoS)需求,如最大带宽和最小延迟。本研究提出了网络Situation-Aware框架(NSAF)更有效地处理应用程序路由基于QoS需求和网络状态的变化。支持NSAF机制组成的应用程序注册、网络状态监测、违反检测和路由控制。的适用性和可行性提出NSAF验证通过实现一个原型。NSAF可以作为有效的参考模型管理SDN-based网络QoS保证应用程序。

1。介绍

网络技术的发展导致了新的可编程网络环境中基于软件定义网络(SDN) [1- - - - - -5),控制飞机分开数据平面。如图1,SDN通常可以分为三层:应用程序,控制,和基础设施。控制器在控制层可以订购业务应用程序基础设施层的路由。

SDN的出现后,相关的研究主要集中在控制层方面(6,7]。各种SDN开源项目,如照明灯(8],OpenDaylight [9],小野[10],和Ryu [11),目前活跃。研究协议,包括OpenFlow [12]和OpFlex [13),它支持之间的通信控制和基础设施层,也在进行中。使用SDN进一步传播技术和网络管理效益最大化,需要应用程序层研究方面(例如,一个方法来控制网络从应用程序的观点)。

在SDN,业务应用程序可以有不同的网络服务质量(QoS)需求。特定的应用程序可能需要最大带宽,而另一个可能需要延迟最小。此外,网络条件变化根据网络流量和失败。因此,感知应用程序路由(14- - - - - -16)是至关重要的。本研究提出了一个框架称为网络Situation-Aware框架(NSAF)及其机制满足这种需求,确保一个稳定的SDN应用程序的执行。NSAF分析每个应用程序的网络QoS需求,监控当前的网络状态,检测违反网络QoS,找到最合适的网络路由路径。

本文的其余部分组织如下:部分2概述了基本概念;部分3介绍了NSAF及其设计和架构;部分4提出了一个案例研究;部分5讨论相关工作和评估拟议的机制;和部分6本文总结和概述了未来的工作。

2。基本概念

2.1。DiffServ

差异化服务(DiffServ)指定一个简单的和可扩展的机制和管理网络流量分类和现代IP网络提供QoS (17]。DiffServ流线流动和通过聚类简化复杂网络中的数据包处理交通在交通类根据预定义的QoS。这个特性使得DiffServ重量轻、容易实现。

应用程序类似的交通特点和性能需求映射到DiffServ类基于端到端行为需求的应用程序根据RFC 5127。表1显示DiffServ的服务类。服务类是使用此应用程序类型。

2.2。本体和语义网的规则语言(SWRL)

本体是一个正式的和共享的概念化的明确的规范18,19]。本体是语义网的核心元素,增加网上信息搜索的质量通过使机器解读和理解现有的数据在网络上没有人类参与分配数据语义。本体的关键要素如下:(1)类:集合,集合、概念或类型的对象(2)个人:对象的实例(3)关系:方法类和个人可以彼此相关(4)属性:方面,性质,功能,特点,或参数,可以与对象相关联

SWRL [20.,21)是用来表达规则语义网。一个SWRL规则包含一个推理前提和结论之间的关系。

2.3。遗传算法

遗传算法(气)(22- - - - - -24)是一种全局优化算法,首先介绍了约翰•霍兰德的书“适应自然和人工系统。“典型遗传算法执行过程如下:(1)随机初始化种群(t)(2)确定健身人口(t)(3)循环(一)从人口(选择父母t)(b)对父母创建执行交叉和变异后代人口(c)确定合并后的健身人口(t+ 1)(4)当最好的个体是不够好

荷兰(22]建议的概念图式为遗传算法的收敛性分析。图式是二进制模式,作为代表一组二进制字符串。人口由一组N二进制字符串的长度l在时间t,在那里N是在人口数量的字符串,它包含了一些模式,如100000年,110011年和010010年。此外,H被称为 。让我们假设函数f最大化。f被定义为整体二进制字符串的长度l,它被称为健康的字符串。两个家长字符串从目前的人口总是选择创建一个新的字符串。父母字符串的概率将被选择N字符串H₁,H₂、…H_N下面的方程所示(23]:

字符串更健康更有可能选择比那些较小的健康。让所有字符串的平均健身的人群,如以下所示方程(23]:

的概率可以写成 。

适应度函数是用来评估个人的卓越的人口。也就是说,它评估每个人是否应该生存给下一代。幸存的个人成为父母和创建新一代通过交叉或变异。交叉是用于创建后代通过复制在两个父母不相互重叠,而突变产生的后代通过改变个体的信息。新一代的适应度函数反复评估优化目标是否已经达到来解决这个问题。最优解推导出通过不断评估新一代的适应度函数来确定解决问题的优化目标已经实现。

3所示。网络Situation-Aware框架(NSAF)

的主要技术方法体现概念NSAF架构和实现NSAF提出了在这一节中。NSAF位于应用程序和控制层之间(图2)。它作为一个仲裁者,管理应用程序和控制的QoS要求SDN控制器。控制器依赖关系减轻通过将应用程序和控制器。

在传统的结构中,应用程序是直接连接到一个控制器,应用程序必须为每个控制器互连配置额外的模块。然而,在一个分离的架构,应用程序只需要考虑NSAF的接口,和连接控制器的优点是抽象和管理公共NSAF接口。监测和控制的优势SDN控制器通过NSAF API是一个不需要知道各种SDN控制器的使用和功能。

3.1。NSAF的需求和架构

表2介绍了确定NSAF的关键需求。

图3显示了NSAF架构的关键需求。体系结构包括五个模块:接口经理感知应用程序的服务水平协议(SLA)经理,应用程序管理器、流动法则的经理,和拓扑管理器。它有资源,包括应用程序概要文件、网络服务水平协议(NSLA)、拓扑信息,路由信息。

界面管理器利用接入点控制SDN控制器通过NSAF通过抽象和映射提供的REST API SDN控制器。应用程序管理器收集和管理NSLA信息,代表应用程序的详细配置信息和网络应用程序的SLA。感知应用程序的SLA管理器决定是否使用的网络QoS路径的当前应用程序违反了NSLA和计算新路径。规则管理器创建和管理规则,控制流的路由路径。拓扑管理器收集、监控和管理网络状态和交通信息。

3.2。NSAF执行

NSAF执行覆盖应用QoS保证,包括应用程序概要文件和QoS登记、网络状态监测、识别违反和路由变化(图4)。它分为四个阶段:应用程序注册、网络状态监测、违反检测和路由控制。

应用程序的服务类型、基本信息和NSLA网络QoS需求信息的应用程序,在应用程序中注册登记阶段。网络状态监测请求提供的API SDN控制器收集交通连接的网络拓扑和资源信息。网络状态分析和可视化的基础上收集到的信息。违反检测过程决定了所使用的路由是否应用程序的当前应用程序违反了NSLA基于收集到的流量和NSLA信息的资源信息和应用程序。进行路由控制如果NSLA决心是违反了(即。,the route currently being used by the application does not guarantee QoS). The routing control process constructs a path that satisfies the application QoS.

3.3。应用程序注册

RFC 5127“DiffServ服务类的聚合”标准化通过因特网工程任务组(17]提出了12个应用程序类型:网络控制,电话,信号、多媒体会议、实时互动、多媒体流媒体、广播视频、低延迟数据,OAM,高通量数据,标准,和低优先级数据。我们使用DiffServ QoS宽容的条件满足应用程序的性能。我们也分析了QoS DiffServ中定义的因素,和QoS SDN指标衡量的控制器25]。在此基础上,我们定义的包丢失,带宽、延迟和抖动的应用程序质量的因素。

如图5应用程序中,应用程序概要文件注册登记阶段。这个概要文件由应用程序的类型信息和NSLA,用于描述应用程序的网络QoS要求。

3.4。网络监控

收集信息对当前网络形势是必要的在确保应用QoS。拟议中的NSAF使用REST API来确定SDN控制器和状态的实时收集和更新网络状态信息。图6显示了收集和管理定义的拓扑模型在NSAF网络状态信息。

收集网络状态信息的拓扑模型由至少一个节点和一个链接。节点被用来收集信息在网络设备,如交换机和路由器。定义一个链接来管理连接节点之间的路由路径配置。流表定义为网络路由控制管理信息。

3.5。违反检测

两种类型的违反定义来确定应用QoS违反情况。努力失败发生,如果两个节点之间的联系是坏了。相比之下,出现软失败如果节点之间的连接并不是问题,但应用程序的NSLA并不满意。表3显示了类型的违规和违反的细节类型。

本体应用于探测违规。图7显示了内部结构用于确定是否发生了违反。如图7,应用程序配置信息和网络状态信息发送到NSLA违反控制器。上下文信息(例如,网络QoS)和交通信息,可以测量一个链接连接节点(例如,交换机和路由器构成整个网络拓扑)提取是基于收集到的信息。本体经理反映了提取本体的上下文信息。本体是加载到推理引擎,违反情况确定。违反探测管理器收集违反并将其发送给监控经理通过NSLA违反控制器通知NSLA违反当前应用程序。

我们构建本体模型通过抽象元素来自应用程序注册的实体和网络状态。然后我们定义它们之间的关系。表4显示了一个示例属性的识别类,属性,定义和数据属性元素。图8介绍了本体元模型构建中使用的元素分析表4。

3.6。路由控制

应用程序的网络QoS保证了应用两种路径算法获得不同的路径定义NSLA时违反了。首先,路由算法用来计算摘要算法,这是最常用的路径算法,通过使用QoS把这里列为成本。此外,许多可选路径可以通过应用遗传算法找到最优解多目标问题。

路径计算过程使用Dijkstra算法阐述如下:(5)计算使用的平均值和标准偏差值t指数四种应用QoS。t指数是用于设置的参考价值,因为每个QoS值单位是不同的。方程(3)是t指数公式: (6)计算每个QoS成本乘以计算t指数由重量根据应用程序的类型。总结每个QoS的最终成本计算成本的计算节点,提出以下方程: (7)最后一个高质量的最小成本路径计算。

GA执行以下申请程序:(1)的拓扑邻接矩阵的四个QoS的选择是由(26]。从源到目的地的路径是随机选择的,表示为初始种群(1:选中,0:不选择)。让T是拓扑和S是拓扑节点。初始种群是由一位模式由0和1 re2presented根据方程5: (2)是在对初始种群进行健康评估。健康评估的标准是是否值的测量节点的每条路径的QoS元素超过NSLA应用程序。健身增加1分,如果满足NSLA QoS的节点。方程(6)显示健身评价NSLA带宽的情况下: 图9描述一个例子的健身评价公式应用于确定带宽对应的初始生成解决方案满足应用程序的NSLA。(3)的分数评价的健身路径选择作为初始代然后除以作为最终计算的啤酒花和健身的分数。方程(7)是健身评价公式。图10显示了一个示例的最后健身分数获得使用 (4)前20%的初代与最好的健身评价是判断显性基因和交配或突变给下一代。我们确定这是否穿越是可能的。如果基因不能越过,它生成一个孩子通过突变基因。图11展示了交叉和变异的概念。(5)重复步骤2到步骤4的新基因,直到健身路径的四分目标分数满足NSLA满足所有四个QoS因素和路径。

4所示。NSAF的案例研究

原型是评估拟议中的NSAF及其实现过程使用照明灯控制器和Mininet [27]。图12显示了应用程序注册。图13说明了网络状态监测NSAF反映模型和元素中描述的部分3所示。3和3所示。4。

图12显示了应用程序注册接口。数据输入界面组成应用程序管理器上的成员信息(ID、密码管理器名称和号码联系)和应用程序配置信息(应用程序名、IP地址、应用类型和应用程序描述)。NSLA的标准将根据应用程序的类型。QoS标准为每个应用程序类型是基于DiffServ标准。

图13描述NSAF网络状态监测接口连接和调用照明灯控制器的数据。它显示了交换机和主机组成的结构拓扑乍一看并显示简单的右上角的信息通过选择每个开关和主机。提供的网络监控NSAF支持不仅拓扑监控信息交换机和主机连接到SDN控制器和仪表板,直观地显示了实时网络流量监控。

本体模型检测NSLA违反了使用门生5.0。图14显示了实现本体。

基于NSAF本体,SWRL规则见表5创建测试NSLA违反状态中定义的部分3所示。5。图15测试应用程序展示了多媒体流媒体应用程序称为PNU管。NSLA信息应用程序如下:100 Mbps的带宽,20字节的包丢失,在1.5毫秒延迟和抖动下0.5 ms。

虚拟拓扑结构是由10个开关,NSLA违反状态可以确定。应用程序的路径用来发送数据包目的地从H1 H2是S5⟶S6⟶S7⟶S3⟶S9。使用应用程序配置信息和拓扑QoS的价值,我们确认软失败情况发生通过应用SWRL规则,如表中的示例所示5。当我们检查的结果NSLA违反的歧视,三软fail-type发生违规行为被发现。S3的QoS值带宽、延迟和丢包没有满足NSLA;因此,带宽、延迟和数据包违规行为发生。

下面是一个例子的带宽违反SWRL规则中定义的表5(应用程序(?)):表示应用程序称为“的存在。“[hasNSLA (?,? n)]表明,“a”的NSLA“n。“[hasBandwidth (?n ? nb)]“nb的带宽值。“[useTopology (?,? t)]使用一个名为“t”的拓扑而hasNode (?t, s)]有一个节点名为“s。“[hasBandwidth (?年代,?某人)]表明节点“s”“某人的带宽值。“[swrl: greaterThan (?)nb, ?某人)]是一个语法比较NSLA带宽值“注”与拓扑节点的带宽值。因此,推断(- > Bandwidth_Violation(?)),也就是说,应用程序“a”发生违反作为带宽。

作为一个例子,我们测试了保证网络QoS的路径通过设置S2为起始节点和S28为目的地节点(图30节点组成的虚拟环境16)和执行Dijkstra算法和遗传算法在部分3所示。6。

图17礼物的一个例子中计算的值的对数图的网络配置环境18NSAF据迪杰斯特拉算法,提出了节3所示。6。

如日志,如图所示17,每个QoS的单个t指数计算,节点被求和节点选择成本最低的成本。最后,路径应该{S18 S2, S7、S12,向美国,S23, S28}。

图19显示了遗传算法应用的结果。图18(即说明了计算路径。,paths 1, 2, and 3). As shown in the results of the execution log of the NSAF on the left side, we performed crossover and mutation on the selected initial solution and confirmed that a number of alternative paths with a fitness score of 4 were derived.

5。相关工作和讨论

各种研究已经进行了关于支持在SDN环境监测。Isolani et al。28)提出了一个SDN互动经理监控,可视化和SDN配置管理员在管理循环。他们提出的系统包括一个管理平面,在其他SDN层负责管理元素,如监控设备状态和分配资源。SDN交互管理器在这个提议平面上,由三个主要组件,即监控经理,可视化管理和配置管理器。

Raumer et al。29日)提出了一个流抽样从分析器模块接收信息的应用程序,称为MonSamp, QoS监控。在他们提出的系统中,监控是直接连接到SDN并接收网络流量信息的一部分。MonSamp反动地决定减少流动的数量可以使用接收到的信息。这是一个SDN申请提取和直接采样的网络流量。

Chowdhury et al。30.)提出了一个网络统计数据收集框架称为照相器材。拟议的框架作用于控制层的顶部的北向的API并使用控制器。它由一个请求翻译,一个调度器,开关选择器,以及一个聚合器和数据存储。请求翻译翻译高级应用程序流级别原语所表达的原语。调度器调度交换机的轮询。开关选择器选择开关的统计信息收集。聚合器和数据存储从选定的交换机收集原始数据并将这些原始数据存储在数据存储。

正如前面介绍的,一个元素可以用来监控应用QoS,但这个元素的重点是在SDN环境监测网络资源,如可视化网络现状和提供交通统计信息,而不是应用程序QoS信息。我们所知,没有方法的QoS保证整个应用程序从应用程序QoS登记的QoS保证路径的计算的QoS保证应用程序尚未提出。

使用NSAF SDN控制器所控制而不需要SDN的专家知识。此外,感知应用程序路由支持提高可用性。之间的NSAF操作控制和应用程序层;因此,可以通过重用提高可重用性架构即使SDN控制器集成环境介绍了未来。违反了通过本体模型;因此,在另一个新违反情况添加,可以简单地通过定义一个相关的歧视SWRL规则。可扩展性,因此,增加。

我们实现了NSAF原型QoS保证应用程序和验证该方法的可行性。表6显示了NSAF提议的执行时间。推导时间路径的QoS保证应用程序是由20、30、40、50节点的虚拟拓扑。的平均时间路由推导被执行算法测量五次。

NSAF使用迪杰斯特拉算法应用t指数和GA的优化和QoS保证应用程序。迪杰斯特拉算法速度快;因此,必须首先使用迪杰斯特拉算法计算路线的QoS违反。然而,如果一个问题发生在使用迪杰斯特拉算法计算的路径,多条路径可以找到满足QoS备份使用GA因为Dijkstra算法计算满足最小成本只有一个路径。NSAF应用机制,调整应用程序持续运行通过改变路径,确保应用QoS。

此外,我们进行了定性的比较评价的框架提出了SDN研究和监测环境。评价标准与监测方面的比较和应用程序的QoS监控方面。我们比较应用QoS监测和QoS监测方法和研究路径控制是否考虑支持QoS。表7介绍了相关的研究和比较评估。

6。结论

本研究提出了一个框架,称为NSAF,保证应用程序识别QoS的QoS要求,确定QoS违反状态和发现网络路径满足应用QoS SDN环境中支持一个稳定的应用程序操作。

NSAF能注册12种DiffServ应用程序并设置应用QoS可衡量的质量因素,如带宽、丢包、延迟和抖动。NSAF是支持应用程序概要文件模型。此外,拓扑模型用于拟议的框架来监控网络状态的应用QoS违反。我们也分类应用程序违反硬失败或软失败和识别应用QoS违反基于本体。

迪杰斯特拉算法应用于计算的路径成本四个QoS在网络路径搜索满足应用QoS,和另一种测定使用遗传算法优化路径。

拟议的框架可以作为参考结构改变应用程序根据其QoS需求的网络路径和不同的网络状态。在未来的工作中,我们计划扩大该NSAF预测网络的变化当应用程序执行和控制路径。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是支持的基础科学研究项目通过韩国国家研究基金会(NRF)由教育部(NRF号- 2014 r1a1a2007061 NRF - 2016 r1d1a1b03935865和联盟- 2017 r1d1a1b03030243)。

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