软件定义无线网络中视频业务QoS保证的新型架构及方法
【技术领域】
[0001] 本发明基于软件定义网络架构，属于网络功能虚拟化领域，特别是涉及利用虚拟 化技术搭建无线网络，并在网络控制器对全网拓扑的集中控制下，实施策略实现对视频流 的QoS保障。
【背景技术】
[0002] 无线局域网的便捷性以及灵活性使其能够更广泛的被部署在家庭里，企业内部， 甚至校园网内，相比有线宽带，人们更愿意通过无线的方式上网。互联网的高速发展产生了 各种各样的服务，人们越来越习惯通过接入无线APUccess Point)的方式进行互联网购 物，通信以及观看视频，特别是在通过无线网络观看在线视频时，视频质量的提升加剧了用 户对带宽的需求，当同一个无线网络覆盖范围内的接入AP越来越多时，相邻AP接入相同的 无线信道就会拥塞，还有，当各种服务需求增加时，这些服务所产生的出口流量会占用无线 AP大量的带宽，这些问题都会使得观看视频的用户体验较差。面对这些问题，传统的无线局 域网架构解决起来会显得力不从心，主要原因是传统的无线局网的组网方式所带来的局限 性。
[0003] 传统的无线局域网的组网方式分为胖AP和瘦AP+AC(Access Controller，无线控 制器）。其中，胖AP的方式是进行分布式地搭建无线AP，这些AP自身具有接入认证，DHCP(动 态分配IP)，防火墙等功能，这种组网方式的缺点是，当网络管理人员实施策略时，需要了解 每个AP的信息并逐一对每个AP进行配置，无法集中管理，工作量较大且易出错;瘦AP+AC的 方式是通过AC对无线AP进行集中的管理，实施策略，比如接入认证，QoS等，而AP只是为用户 提供流量的转发通道，这种方式的缺陷是在AC上制定的策略是静态的，AC无法动态自适应 网络的变化而做出相应的策略调整，而且AC设备造价较高，若网络较大的话对设备的性能 要求也比较高。从传统的WLAN组网方式来看，主要的的缺陷是集中管理困难，无法动态自适 应网络变化且设备造价以及性能要求较高。这时，有研究者提出利用软件定义网络的技术 解决传统无线局域网的诸多局限性问题。〇NF(Open Networking Foundation)在最近的SDN 官方白皮书（ONF.Wireless Transport SDN Proof of Concept White Paper[J/0L]// https: //www. opennetworking· org)中提出了将SDN技术运用到无线网络中，通过SDN控制 器对每个无线接入点进行集中管理，可以有效实施提升无线传输带宽和流量整形等策略。
[0004]软件定义网络是一种基于软件的网络架构及技术，它的主要思想是将网络设备的 控制权分离出来，由专有的控制器进行管理。控制权的分离使得网络管理者可以自定义底 层网络设备的转发策略以及对设备进行集中管理。OpenFlow协议是SDN的核心技术之一，协 议中最关键的2个组成部分是：OpenFlow交换机和控制器。在一个OpenFlow网络中， OpenFlow交换机主要负责数据的转发，主要的技术细节有三部分：流表，安全信道和 OpenFlow协议。将软件定义网络技术实施到无线局域网中，控制器掌握全网拓扑以及每个 AP的信息，统一管理网络并根据策略制定AP的转发行为。由于控制器具有编程可扩展的特 性，所以可以通过编程的方式对控制模块进行扩展以实现不同需求的策略，这样就可以解 决无线局域网中现有的问题，实现视频流的QoS保障。
[0005] 目前，已有研究者基于SDN技术研究无线网络中针对特定流量的QoS保障。Tomovic S在（参考文献：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，深度报文解析)技术分析第一次通过节点的数据包的服务类型，然后根据服务 类型分配带宽大小并下发流表给节点。Bivas Bhattacharya在（参考文献: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，根据用户对 不同应用的需求，为不同的应用制定优先级，在节点上设置好不同优先级对应的带宽值，当 用户的应用产生流量通过节点时，控制器就会根据该应用的优先级来为流量分配带宽。 Jonathan Vestin在（参考文献：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，在接入点上配置不同 优先级和带宽的队列，对流量进行分类和标记，根据流量的标记分配相应的队列。以上研究 在一定程度上能够实现视频流的QoS保障，但是他们大多忽略了无线网络中AP之间的同频 干扰，即使一个AP为视频流分配了很大的带宽，用户在观看视频时依然会因为相邻AP间的 同频干扰造成不流畅甚至掉线。
【发明内容】
[0006] 针对以下现有的不足，提出了一种保障视屏流的有效传输、达到无线信道的合理 分配的软件定义无线网络中视频业务QoS保证的新型架构及方法。。本发明的技术方案如 下：一种软件定义无线网络中视频业务QoS保证的新型架构，其主要包括:底层网络设备， SDN控制器及顶层的业务应用层，其中，底层网络设备支持OpenFlow协议，所述无线网络的 底层网络设备通过汇聚交换机、核心路由与Internet连接，Internet与支持OpenFlow协议 的服务交换机相连接，所述底层网络设备由每个无线访问接入点AP都安装了 OpenWrt+OVS 系统，所述SDN控制器对无线访问接入组APs进行集中管理。
[0007] 进一步的，所述SDN控制器包括设备管理模块、信道监听模块、信道调整模块、队列 调整模块、策略下发模块;所述设备管理模块，用于跟踪主机在网络中的位置，支持MAC地址 与交换机端口，MAC地址与IP地址的转换，并将这些信息保存在数据库中，当有设备掉线或 者卸载时，控制器会更新数据库;信道监听模块，用于监听AP并侦听每个信道上的邻居AP的 信息;信道调整模块，用于对信道监听模块获取的每个AP的邻居信息进行汇总，通过信道调 整策略得出每个AP最适合的无线信道，然后下发更新信道的消息给每个AP;队列调整模块， 首先会判断数据包是否为视频流，若是，则为该数据流分配更大带宽的队列和更高的优先 级；若不是，则按默认的方式对其进行处理;策略下发模块，监听节点发送的Packet_in消 息，查看数据包中的匹配域，将队列调整模块的判断结果写入流表项中，最后根据转发路径 将相应流表下发给对应的AP。
[0008] 一种所述架构的软件定义无线网络中视频业务QoS保证方法，其包括以下步骤：
[0009] 101、建立软件定义网络架构，包括底层网络设备，SDN控制器及顶层的业务应用 层，其中，底层网络设备支持OpenFlow协议；
[0010] 102、通过SDN控制器对无线网络中的AP进行集中管理;AP在信道上广播自己的信 息以及监听邻居AP的信息并上传 SDN控制器，SDN控制器将这些信息汇总然后进行全局的信 道分配；
[0011] 103、在无线访问接入点AP上实施标记和转发策略，使视屏流能够优先发送和获取 更大的带宽。
[0012] 进