基于FPGA的SDN中QoS保障算法的设计与实现_王俊凯.pdf

第4 3卷 第1期桂 林 电 子 科 技 大 学 学 报V o l.4 3,N o.1 2 0 2 3年2月J o u r n a l o f G u i l i n U n i v e r s i t y o f E l e c t r o n i c T e c h n o l o g yF e b.2 0 2 3收稿日期:2 0 2 2-0 3-2 1基金项目:广西无线宽带通信与信号处理重点实验室主任基金(G X K L 0 6 2 0 0 1 0 4);广西云计算与大数据协同创新中心基金(Y D 1 9 0 4);广西自然科学基金(2 0 2 0 G X N S F D A 2 3 8 0 0 1);桂林电子科技大学研究生教育创新计划(2 0 2 1 Y C X S 0 2 1)通信作者:张向利(1 9 6 8-),女,教授,博士,研究方向为S D N/N F V网络以及F P G A嵌入式系统开发等。E-m a i l:3 0 4 1 4 6 6 8 4 q q.c o m引文格式:王俊凯,张向利.基于F P G A的S D N中Q o S保障算法的设计与实现J.桂林电子科技大学学报,2 0 2 3,4 3(1):1 4-1 9.基于F P GA的S D N中Q o S保障算法的设计与实现王俊凯,张向利(桂林电子科技大学 信息与通信学院,广西 桂林 5 4 1 0 0 4)摘 要:传统网络越发难以面对复杂化的网络结构,于是诞生了一种新型网络架构,即软件定义网络(S D N)。S D N数据中心的业务流主要有长流和短流,长流有持续时间长、时延不敏感、带宽需求高的特点;而短流持续时间短、时延敏感程度高、带宽需求低。短流的流量占总流量不足2 0%,但流量条数则约占总流量数的8 0%以上;长流的流量占总流量8 0%以上,但流量条数不足总流量数的2 0%。研究发现,在出端口队列中长流往往在短流前,造成短流长时间等待,极易引发网络拥塞。根据2种业务流特点提出排队机制和路由优化保障机制,将短流设置为高优先级队列,由S D N控制器优先调度排队机制;将长流设置为低优先级队列,同时采用路由保障算法进行补偿。路由保障算法首先删除不满足长流带宽需求的链路,再计算最短时延路径。为了提升本设计的算法效率,使用F P G A和万兆以太网对S D N中业务流进行仿真,并在F P G A上仿真验证了本设计对于网络的时延、带宽的优化与F P G A并行运算的优势。关键词:F P G A;S D N;队列调度;Q o S;带宽保障中图分类号:T P 3 0 9 文献标志码:A 文章编号:1 6 7 3-8 0 8 X(2 0 2 3)0 1-0 0 1 4-0 6D e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n o f Q o S g u a r a n t e e a l g o r i t h m i n S D N b a s e d o n F P G AWA N G J u n k a i,Z HA N G X i a n g l i(S c h o o l o f I n f o r m a t i o n a n d C o mm u n i c a t i o n,G u i l i n U n i v e r s i t y o f E l e c t r o n i c T e c h n o l o g y,G u i l i n 5 4 1 0 0 4,C h i n a)A b s t r a c t:T h e t r a d i t i o n a l n e t w o r k i s i n c r e a s i n g l y d i f f i c u l t t o f a c e t h e c o m p l e x n e t w o r k s t r u c t u r e,s o a n e w n e t w o r k a r c h i t e c-t u r e i s b o r n,n a m e l y s o f t w a r e d e f i n e d n e t w o r k(S D N).T h e s e r v i c e f l o w o f S D N d a t a c e n t e r m a i n l y i n c l u d e s l o n g s t r e a m a n d s h o r t s t r e a m.T h e l o n g s t r e a m h a s t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f l o n g d u r a t i o n,i n s e n s i t i v e d e l a y a n d h i g h b a n d w i d t h d e m a n d;w h i l e s h o r t f l o w h a s s h o r t d u r a t i o n,h i g h d e l a y s e n s i t i v i t y a n d l o w b a n d w i d t h r e q u i r e m e n t.S h o r t f l o w s a c c o u n t f o r l e s s t h a n 2 0%o f t h e t o t a l t r a f f i c,b u t t h e n u m b e r o f t r a f f i c b a r s i s a b o u t 8 0%o r m o r e o f t h e t o t a l t r a f f i c;l o n g f l o w s a c c o u n t f o r m o r e t h a n 8 0%o f t h e t o t a l t r a f f i c,b u t t h e n u m b e r o f t r a f f i c b a r s i s l e s s t h a n 2 0%o f t h e t o t a l t r a f f i c.I t i s f o u n d t h a t t h e l o n g f l o w i s o f t e n a h e a d o f t h e s h o r t f l o w i n t h e o u t g o i n g p o r t q u e u e,c a u s i n g t h e s h o r t f l o w t o w a i t f o r a l o n g t i m e,w h i c h i s v e r y l i k e l y t o c a u s e n e t w o r k c o n g e s t i o n.T h e d e s i g n p r o p o s e s a q u e u i n g m e c h a n i s m a n d a r o u t e o p t i m i z a t i o n g u a r a n t e e m e c h a n i s m b a s e d o n t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e t w o s e r v i c e f l o w s,s e t t i n g t h e s h o r t f l o w s a s h i g h-p r i o r i t y q u e u e s,w h i c h a r e p r i o r i t i z e d a n d s c h e d u l e d b y t h e S D N c o n t r o l l e r;s e t t i n g t h e l o n g f l o w s a s l o w-p r i o r i t y q u e u e s,w h i l e u s i n g a r o u t e g u a r a n t e e a l g o r i t h m f o r c o m p e n s a t i o n.T h e r o u t i n g a s s u r a n c e a l g o r i t h m f i r s t r e m o v e s t h e l i n k s t h a t d o n o t m e e t t h e b a n d w i d t h r e q u i r e m e n t s o f t h e l o n g f l o w s,a n d t h e n c a l c u l a t e s t h e s h o r t e s t d e l a y p a t h.I n o r d e r t o i m p r o v e t h e e f f i c i e n c y o f t h e a l g o r i t h m o f t h i s d e s i g n F P G A a n d 1 0 G e t h e r n e t a r e u s e d t o s i m u l a t e t h e s e r v i c e f l o w i n S D N,a n d s i m u l a t e o n F P G A t o v e r i f y t h e a d v a n t a g e s o f t h i s d e s i g n f o r t h e o p t i m i z a t i o n o f n e t w o r k d e l a y,b a n d w i d t h a n d F P G A p a r a l l e l c o m p u t i n g.K e y w o r d s:F P G A;S D N;q u e u e s c h e d u l i n g;Q o S;b a n d w i d t h g u a r a n t e e 网络服务质量(Q o S)随着互联网的使用就引发人们的关注。几十年来,研究学者提出很多关于Q o S的保障技术,随着软件定义网络(s o f t w a r e d e-f i n e d n e t w o r k,简称S D N)的出现,也带来了新的解DOI:10.16725/45-1351/tn.2023.01.009第1期王俊凯等:基于F P G A的S D N中Q o S保障算法的设计与实现决方案,将S D N网络架构应用到Q o S的保障中1-3。对于基于S D N网络架构的Q o S保障技术,国内外研究学者做出了很多贡献。G h a l w a s h等4设计了一个包含监视、路由确定、规则准备和配置功能的S D N架构,对Q o S中的端口利用率和时延2个参数优化。G u c k等5针对工业互联网中的实时性流量业务的Q o S保障问题,设计了2种模型。第一个多跳模型(MHM),给网络中的每个队列分配一个合适的速率和缓冲区预算。第二个基于阈值的模型(T B M),为每个队列确定一个最大时延来保障Q o S的时延要求。B a g a a等6利用O p e n F l o w协议进行排队和多路径转发的操作,引入了一种Q o S感知的网络配置和多路径转发方法,对S D N网络架构中的开放式虚拟交换机(O V S s)进行操作,提高服务质量(Q o S)。C h e n等7在Q o S敏感的应用场景,设计了一种基于L L D P的新型非侵入的Q o S保障方案。在S D