软件定义体验品质量测系统的制作方法

本发明属于一种软件定义体验品质(qualityofexperience,qoe)的量测架构系统，本发明提出一种符合成本效益，且基于软件定义网络(softwaredefinednetwork,sdn)，采用集中的控制机制，能够同时量测多个客户端的体验品质量测系统。

背景技术：

随着越来越多地实时互联网应用，品质量测的需要性变得不可或缺，因为网络运营商需要在保持使用者满意度的同时也控制网络资源。体验品质是一个量测一项服务的客户经验，体验品质量测能够帮助网络运营商来控制他们的网络资源，以确保客户的满意度与服务品质。体验品质系统旨在衡量与网络相关的参数，以评价服务品质，以用它来衡量使用wi-fi、3g、lte网络服务的客户的经验，并将信息返回给运营商。

体验品质(qoe)是衡量客户服务经验(网页浏览、电视广播、打电话给话务中心)的一种工具。体验品质侧重于整体服务的经验，是一种更全面性的评价工具，有别于较狭隘的使用者体验(userexperience,ux)侧重于软件接口和客户的经验(customerexperience,cx)侧重于支持性指标。沿着一条路径来测量链路带宽的瓶颈是一种可以了解很多服务性能的重要方式，然而利用现有分布式的网络探测器工具来收集网络信息以衡量体验品质，将是一种非常昂贵的监测架构。

现今大多数的操作系统都能够做到监视流量负荷和设备状态的功能。在电信业方面，体验品质被用来量测端到端的联机和通过网络运行的应用程序品质。目前大多数的体验品质系统采用分布式的架构来部署探测器，例如，将探测器放置在不同的地理位置，来探测网络客户行为。这种架构方式将导致高成本、高功耗和缺乏灵活性。很明显地，当其体验品质系统需要升级，并套用于所有探测器上时，将会造成网络运营商作业上的负荷。

相对于服务品质(qos)用来量测网络操作条件如噪声、丢失或被丢弃的数据封包，体验品质指的是对服务或网络接取的观感。它被表达成类似人类的感觉，如同好、优秀或差劲等方面。虽然在许多情况下较好的网络服务品质会导致较好的体验品质，然高的服务品质等级并无法保证用户较高的满意度。因此，服务提供商的使用者体验的精确量测是十分重要的。

2012年2月1日公开的我国专利编号第201206113号「在无线网络上用于监控行动用户的经验品质的系统及方法」，提及一服务提供商在其他的可能情况中利用其具体实施例提供的体验品质信息以管理、更新、或增进其无线网络以确保端用户的品质网络经验。与本发明充分利用软件定义网络(sdn)和虚拟化技术相结合，来动态和快速部署和移除体验品质测试程序，以及使用封包转送(openflow)开通网络来控制量测流量路径，能够仿真多个虚拟客户机，在同一测试时间下，多点来测试体验品质的架构并不相同。

如2014年6月18日公开的wo103873306号methodanddeviceformeasuringqualityofexperience提及一种度量用户体验品质的方法，其度量体验品质的方法中，将由业务系统问题导致的接收端缓存内有效媒体数据不足与用户行为引起的接收端缓存内有效媒体数据不足区分开来，并根据引起缓存内有效媒体数据不足的不同原因来分别的度量体验品质的下降程度，从而使体验品质的度量更加的精准客观，以期能够合理的利用网络资源。并非如本发明所提及是用一种软件定义体验品质量测架构，采用集中的控制机制，能够同时量测多个客户端的体验品质。

本发明提出了一种使用软件定义网络概念的新的体验品质系统，来设计、建设和管理网络的一种新架构。软件定义网络分隔网络控制和转发平面，使得它更易于优化每个环节。软件定义网络架构具有三层，其中基础设施层的网络设备只负责转发数据封包，而所有的转发路由和行为则由控制层来决定，它通过南向应用程序界面(api)来改变网络政策的设定。控制层也提供北向的应用程序界面(api)，给需要根据其业务需求来开发软件定义网络应用程序(应用层)的使用者使用。与旧版网络控制平面和数据平面捆绑在一起，且网络运营商需要单独设定每台设备情形相比，软件定义网络架构具有更大的弹性和更有效的网络管理能力。

本发明提出了软件定义的体验品质量测架构，有别于分别在不同的数据中心安装探测器，本发明的体验品质系统放置在集中的位置，可以显著地降低探测器操作的复杂度及设备成本。本发明的系统也充分利用虚拟化技术来动态和快速部署和移除体验品质测试程序，本发明还使用封包转送开通网络来控制量测流量路径。本发明的系统主要能够仿真多个虚拟客户机，可以在同一测试时间下，由不同的网络设备如wi-fi网关来产生各自的流量负荷。利用软件定义网络和虚拟化技术相结合，使得本发明体验品质架构更具灵活性和成本效益。

技术实现要素：

本发明是针对传统的网络管理方法，须分别在不同的数据中心安装大量的探测器，来监视网络的状态，以获取网络服务品质和客户的体验数据，而提出的一种节省成本，更具弹性的体验品质量测架构。

本发明旨在实现体验品质量测上更好的性能和提高量测效率。是通过封包转送骨干网络，利用网络控制器可以集中控制量测的流量路由的特性，消除了手动设定mplsvpn网络的需要。另设计一个特定的队列系统(queuingsystem)被用于安排，并将量测工作负载分配到运行在服务器虚拟机中所启动的体验品质探测器功能上。其不仅可以提高性能，还能由于系统资源(如虚拟机和路由路径)的智能动态调整来降低网络运营商的固定资金支出(capex)和管理成本支出(opex)。

本发明是一种软件定义体验品质量测系统，包含：一应用程序界面服务器，依据设定产生一测试任务；一任务队列模块，该任务队列模块接收该测试任务后，产生一动态排程队列；一虚拟客户机，根据该任务队列模块中的该动态排程队列的顺序对外部网关执行该测试任务；一封包转送开通网络，是建立外部该网关和该虚拟客户机之间的虚拟专属联机；以及一网络控制器，设定该封包转送开通网络中封包转送交换器的传输端口，并以动态决定该测试任务的流路径。

可选的，该应用程序界面服务器为基于表征性状态传输设计风格的应用程序restfulapi的应用程序界面服务器，以动态配合整合任务队列形成控制机制框架。

可选的，该应用程序界面服务器进一步包含一网络服务器网关接口。

可选的，该任务队列模块包含一任务代理软件，该任务代理软件是协调该应用程序界面服务器和该虚拟客户机间的该动态排程队列的协议，当该应用程序界面服务器将该测试任务放在该动态排程队列中以启动该测试任务，该任务代理软件即将该测试任务传递到该虚拟客户机；

该任务队列模块是监测该测试任务的生命周期，其中生命周期包括暂停、开始、成功、失败与重试；以及

该任务队列是以动态安排该测试任务的该动态排程队列。

可选的，该虚拟客户机，包含：一网络命名空间组件，该网络命名空间组件包括自身的路由，防火墙规则和网络设备；以及

一并行库，该虚拟客户机利用该网络命名空间组件及该并行库，执行体验该测试任务。

可选的，该网络命名空间组件，是有相异、单独的网络接口和独立操作的路由表实例，通过启用在linux核心中的网络命名空间，该虚拟客户机产生各自不同的网络设备的讯务负荷。

可选的，该并行库是透过异步事件处理软件函式库来执行高度扩展的异步输入及输出，以及协同程序以确保同步的程序设计风格。

可选的，该网络控制器，根据从该任务队列模块和该应用程序界面服务器的多个相关参数，决定从该虚拟客户机到外部网关的该测试任务的流路径，各该相关参数包括媒体访问控制地址、vlanid、网关、虚拟客户机的ip地址和体验品质测试目的的位置。

可选的，该封包转送开通网络是具有可程序设计特性，并可快速调整网络路径。

本发明的软件定义体验品质量测的系统架构如上所述，通过提供基于表征性状态传输设计风格的应用程序界面(restfulapi)和整合任务队列，达到一种动态的、集中的控制机制框架。通过任务队列和虚拟客户机，和虚拟客户机的并行库(concurrentlibrary)之间的工作分配，来降低系统管理负荷。此外该框架可以利用软件定义网络的优点，在同一时间可以让网络控制器建立网络路径。这种架构不仅提高网络的利用率，而且还降低了成本。

附图说明

请参阅以下有关本发明的详细说明及其附图，将可进一步了解本发明的技术内容及其目的功效；有关附图为：

图1为wi-fi网络的体验品质架构图；

图2为一个替代的体验品质量测架构图；

图3为本发明的软件定义体验品质量测架构图；

图4为本发明的软件定义体验品质量测的系统架构图；

图5为本发明的体验品质量测架构示意图；

图6为本发明的网络身份认证、ping数据封包和ftp功能验证示意图。

符号说明：

10骨干网络

11探测器

12wi-fi网关

13测试结果收集器

14网络设备

15机房a

16机房b

20mpls骨干网络

21探测器

22wi-fi网关

23测试结果收集器

24虚拟机监控程序

25服务器

26虚拟机

27网络设备

28机房a

29机房b

32wi-fi网关

33测试结果收集器

34封包转送骨干网络

35网络控制器

36服务器

37网络设备

38骨干网络

39a机房a

39b机房b

41应用程序界面服务器

42任务队列模块

43虚拟客户机

44网络控制器

45封包转送开通网络

51应用程序界面服务器

52任务队列模块

53虚拟客户机

54网络控制器

55测试脚本

56封包转送网关

56a网关1

56b网关2

56c网关3

56d网关4

57wi-fi网关

60测试脚本

61web身份认证

62ping

63ftp

64身份认证服务器

65ftp系统

66服务器

67虚拟客户机

67a媒体访问控制地址

67bvlan

67cdhcpip

具体实施方式

本发明为一种软件定义体验品质量测架构，本发明提出一种符合成本效益，且基于软件定义网络(softwaredefinednetwork,sdn)，采用集中的控制机制，能够同时量测多个客户端的体验品质量测架构。对wi-fi环境实验结果证明，能够大大地减少了固定资金支出(capex)和管理成本支出(opex)。

在传统的网络管理方法中，网络管理系统的使用一直主要限于监视网络的状态。为获取网络服务品质和客户的体验，体验品质测量变得至关重要。

为了量测如无线或移动网络电信服务的体验品质，探测器(probes)被广泛地部署，并透过不同的身份验证流程，如dhcp、web或eap-sim(extensibleauthenticationprotocol-subscriberidentitymodule)来获得ip地址以仿真客户行为和验证效率。探测器架构在同一时间只能量测一个客户，作为一个理想的量测架构，探测器应设置在使用者侧，以实现端到端的体验品质评量。然而，这种方法由于用户位置过于分散故不符成本效益，为了节降成本、便于维护的缘故，探测器绝大多数都是集中安置毗邻于待测设备。

图1显示了wi-fi网络的体验品质架构图，为达到全面监控，体验品质量测探测器11应随着wi-fi网关12布建。量测结果将送回集中式的测试结果收集器13，来向网络运营商提供综合的信息。但由于先天分布式的架构限制，当对于所有探测器11需要系统升级或修改配置时，维护的成本可能会因而增加。

一个替代的体验品质量测架构图如图2所示，其利用基于虚拟机监控程序24的服务器25虚拟化技术，将探测器21集中部署在数据中心虚拟机(vms)26中执行，并连接到mpls骨干网络搜集信息。这种架构虽然可以大幅减少实体设备的数量，然而维护工作的负荷仍然存在，因为每个虚拟探测器21仍然需要手动方式来设定，如vpn和vlan这样的路由设定。此外数据中心虚拟机管理也成为另一个问题，因此，虚拟机和网络设置自动化供装是发展体验品质量测架构上的急切需求。

图3为本发明的软件定义体验品质量测架构图，旨在实现更好的性能和提高效率。通过采用封包转送骨干网络34，网络控制器35可以集中控制量测的流量路由，消除了手动设定mplsvpn网络的需要。此外一个队列系统(queuingsystem)被用于安排，并将量测工作负载分配到运行在服务器36虚拟机中的探测器功能上，它不仅可以提高性能，还能由于系统资源(如虚拟机和路由路径)的智能动态调整来降低固定资金支出和管理成本支出。

图4为本发明的软件定义体验品质量测的系统架构图，包括应用程序界面服务器41、任务队列(taskqueue)模块42、虚拟客户机43和网络控制器44。其通过提供基于restfulapi和整合任务队列模块42，达到一种动态的、集中的控制机制框架。通过任务队列模块42和虚拟客户机43，和虚拟客户机43的并行库(concurrentlibrary)之间的工作分配，来降低系统管理负荷。此外，正如作为测试上的工作分配，该框架可以利用软件定义网络的优点，在同一时间可以让网络控制器44建立网络路径。这种架构不仅提高网络的利用率，而且还降低了成本。

本发明的架构有对应于web服务器网关接口(wsgi)的应用程序界面服务器41功能，应用程序界面服务器41负责处理来自使用者的请求，将请求转化为一项任务，并把它推到任务队列模块42中，应用程序界面服务器41可以根据体验品质测试的负荷来动态扩展。

在这种架构下，对于响应排程和分发虚拟客户机43的工作，任务队列模块42起着重要的作用。任务队列模块42的输入是一个工作单位，被称为一项任务，由专用的工作进程来不断监视队列是否有新的要被执行的工作。为了协调应用程序界面服务器41和虚拟客户机43，任务队列模块42使用讯息代理软件来实现高级消息队列协议(advancedmessagequeuingprotocol,amqp)。一旦应用程序界面服务器41将讯息放在队列中以启动一项任务，代理软件即将讯息传递到虚拟客户机43。任务队列模块42还监测每个任务的生命周期，其状态包括暂停(pending)、开始、成功、失败及重试。此外，任务队列模块42可以设计工作流，并安排任务。通过工作流设计，可以动态地安排任务的执行顺序。通过适当排程，每个任务会有周期时间，并定期地来测试体验品质。

虚拟客户机43负责执行体验品质测试，每个虚拟客户机43会产生独立的讯务负荷来对特定的网关进行体验品质效能测试。为了隔离这些虚拟客户机43，并且也让体验品质效能测试能够同时进行，本发明使用到两个组成组件。第一个组件是网络命名空间(networknamespaces)，网络命名空间逻辑上是网络堆栈的另一个副本，包括自身的路由，防火墙规则和网络设备。换句话说，利用网络命名空间，开发人员可以有不同的、单独的网络接口和独立操作的路由表实例。通过启用在linux核心中的网络命名空间，虚拟客户机43可以产生各自不同的网络设备的讯务负荷。第二个组件是一个并行库(concurrentlibrary)。在本发明并行的网络库中有一些功能，例如，其使用异步事件处理软件函式库(libevent)来达到高度可扩展的异步输入输出(non-blockingi/o)，和协同程序确保同步(blocking)的程序设计风格。利用这两个组件，本发明可以高效地产生数百个虚拟客户机43来执行体验品质测试。

为了在特定的条件下来动态以及快速地部署网络和网络流量路由，封包转送开通网络45将是最好的选择。封包转送(openflow)是一个开放的标准，封包转送的关键概念是将网络交换器的控制平面和数据平面解耦合。数据平面负责处理和转发数据封包，而控制平面则负责网络协议的实现。这一概念使得封包转送开通网络45变得可程序设计，并且开发人员可以根据应用的特点来快速调整网络路径。

在本发明的架构下，体验品质测试标的和虚拟客户机43之间的虚拟专属联机由封包转送开通网络45来达成，它由网络控制器44来控制。根据从任务队列模块42和应用程序界面服务器41的相关参数，网络控制器44可以动态地决定体验品质效能测试的最佳的端到端流路径。若要定义从虚拟客户机43到体验品质测试标的的流路径，每个体验品质测试有一些特定的参数需要设定，例如，媒体访问控制地址(mac)、vlanid、体验品质测试标的网关、虚拟客户机43的ip地址和甚至于体验品质测试目的的位置，这些参数将用于设定封包转送交换器上的信息流路由。而通过使用网络控制器44，这些参数将注入封包转送交换器的flowentries来动态决定流的路径。一旦体验品质测试完毕后，流路径和虚拟客户机43将被销毁，以确保每个测试的完整性。

如前所述，体验品质系统旨在衡量网络的服务品质，可以用它来测量通过wi-fi、3g、lte网络服务的客户体验。在这些网络服务中，体验品质的wi-fi网络是一个重要的研究案例。为了分摊3g或lte网络的负载，公共wi-fi热点是一种高效的解决方案。客户和使用者可以使用如智能手机、平板计算机和笔记本计算机通过wi-fi热点接入互联网，如此用户可以解脱物理网络的局限性来获得移动性和便利性。近年来，许多国家已提供wi-fi热点在公共场所包括火车站、便利商店、机场、旅游景点等。这意味着wi-fi体验品质是一个至关重要的议题，因此本发明将wi-fi体验品质作为研究案例。

本发明在linux平台上配备centos6.4操作系统，仿真多个用户通过wi-fi网关来接取互联网，作为本发明实验的标的和评价提出的体验品质量测架构。

本发明的体验品质量测架构示意图如图5所示，首先，测试脚本55是必需的。作为体验品质测试仪，须先将restfulapi设计到测试脚本55来满足测试需求。第二，执行该脚本55以将多个命令发送到应用程序界面服务器51。每个命令包含一个唯一的媒体访问控制地址，该媒体访问控制地址将被视为一个虚拟客户机。第三，应用程序界面服务器51将触发任务队列模块52，来指挥网络控制器54和虚拟客户机53，虚拟客户机53将分别基于这些媒体访问控制地址产生虚拟客户机。例如，假设向api服务器51发送100条命令，虚拟客户机53将基于媒体访问控制地址产生100个虚拟客户机。此外，vlanid被设定成不同的服务区域(zone)。只要这些虚拟客户机都已成功产生，网络控制器54将透过封包转送网关56传送100个请求给wi-fi网关57上的dhcp服务。然后封包转送网关56会将这些请求基于vlanid重新导向到适当的服务区域。最后透过不同的vlan就能够检查每个服务区域，并检查是否ip已分配给每个虚拟客户机。

如图6所示，本发明还验证包括web身份认证61，ping62数据封包，和ftp63等功能。其中ping62是验证网络功能的基本方法，通过调整从32个字节到1024个字节的数据封包大小，可以检查数据封包的丢失率。ftp63则可以假设使用者使用互联网来上传或下载文件，利用通过互联网上传和下载20兆字节的档案方式来测试文件传输。而web身份认证61方面如前所述，每个虚拟客户端分配一个dhcp的ip地址。事实上，用户可以使用平板计算机或其他设备来接取身份认证服务器64，如电子邮件网站、脸书，或网络银行等。因此可以利用使用给定的ip地址来接取身份认证服务器64和测试的正确性。

即在以500个客户端的实验环境中，传统的架构上需要500台个人计算机来仿真500个客户端，客户端和wi-fi网关之间的连接也需要很多交换器。这意味着需要花费大量的硬件资源，且还尚未考虑到功率消耗和存放这些计算机的空间问题。而本发明的架构与传统方式相比需要较少的资源。在同样的情况下来模拟500个客户端，本发明的架构仅使用12个服务器即可搭载500个虚拟客户机和一个或两个封包转送交换器，与传统架构相比，本发明的架构显著地减少了资源上的使用。

如前所述，传统架构比本发明的架构需要更多的计算机，来仿真客户端。这样大量的计算机不容易集中管理。这些计算机将由于特殊的约束和其他限制被安置于不同的机房予以区隔。如果需求发生变化，体验品质测试仪必须一个接一个调整在不同地点的计算机。这也暴露出传统架构的弱点。与此相反的是，本发明的架构是集中化的理想选择，12个服务器和封包转送交换器更容易找到相同的机房来摆置。这也意味着需求发生变化时，本发明能够快速调整体验品质测试环境，本发明的架构比传统架构更具有可移植性。

体验品质量测是提供网络服务时一个重要的议题。本发明提出一个软件定义的量测架构，以简化整体处理过程，并实现动态的、集中的控制机制。此外，本发明将此架构执行于wi-fi网络环境中，通过dhcp会话和web身份认证，实验结果证明本发明的架构可以更具成本效益和更多的可移植性。本发明的架构可以进一步应用于宽带、3g、或lte网络中，能够提高量测网络服务品质的能力，同时也降低了固定资金支出和管理成本支出。

本发明一种软件定义体验品质量测架构与传统惯用技术相互比较时，更具备下列优点：

本发明的一种软件定义体验品质量测架构，提出一种符合成本效益，且基于软件定义网络(softwaredefinednetwork,sdn)，采用集中的控制机制，能够同时量测多个客户端的体验品质量测架构。

与传统架构相比，本发明的架构显著地减少了资源上的使用，当需求发生变化时，本发明能够快速调整体验品质测试环境，本发明的架构比传统架构更具有可移植性。

本发明执行于wi-fi网络环境中，通过dhcp会话和web身份认证，可以更具成本效益和更多的可移植性。本发明的架构可以进一步应用于宽带、3g、或lte网络中，能够提高量测网络服务品质的能力，同时也降低了固定资金支出和管理成本支出。

上列详细说明乃针对本发明的最佳实施例进行具体说明，但该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明技艺精神所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

综上所述，本案于技术思想上实属创新，也具备先前技术不及的多种功效，已充分符合新颖性及进步性的法定发明专利要件，于是依法提出专利申请，恳请贵局核准本件发明专利申请案以励发明，至感德便。