SDN⽹络的Qos机制研究现状
QoS(Quality of Service，服务质量)是指⼀个⽹络能够利⽤各种技术解决⽹络延迟和阻塞等问题，向选定的⽹络通信提供更好服务的⼀种安全机制。现有的QoS机制包括以下⼏种：综合/集成服务模型(IntServ)、区分服务模型(DiffServ) , MPLS(Multiple Protocol Label Switching)、流量⼯程模型(Traffic Engineering, TE)等。IntServ, DiifServ, MPLS是⽬前主流的QoS模型。QoS原本是针对传统的因特⽹提出，但是⼰有的QoS机制均是建⽴在⽬前因特⽹完全分布式的、逐跳路由式的体系结构之上，缺乏整体⽹络资源分布的统⼀的全局视图，因⽽传统的QoS 体系结构⾄今难以⼴泛应⽤。
近年来，软件定义⽹络(Software Defined Network, SDN)逐渐兴起和不断发展，其特点是⽹络转发与控制相分离，并为⽹络管理⼈员提供充分的可编程管理接⼝。控制与转发的分离使得⽹络的控制逻辑能够以⼀个全局⽹络的视野去设计，理解和管理⽹络，⼤⼤降低了⽹络系统的复杂度，并提升了⽹络管理应⽤的控制能⼒。控制与转发的分离还使统⼀各式各样的⽹络设备成为可能，得以打破⽹络设备的封闭性，进⽽改善⽹络产业的⽣态链。此外，SDN中控制平⾯的可编程性能够让⽹络管理⼈员实现灵活地配置⽹络功能，实时地改变⽹络⾏为。这些特点正好解决了传统QoS机制在分布式、逐跳路由的体系上难以部署的难题。因此，在SDN下的QOS机制被提出，其利⽤SDN集中控制的特性，通过集中控制器下发所有的QoS策略，从⽽实现对所有⽹络设备以及全⽹流量的集中管理控制，既完成了灵活的QoS服务策略选择，⼜保证了QoS策略的⼀致性。
开放⽹络基⾦会(Open Network Foundation, ONF)于2012年提出软件定义⽹络(software defined network, SDN)架构，在学术界和⼯业界得到了⼴泛的认同。SDN架构主要由三层构成，⾃顶向下分别为应⽤层、控制层和基础设施层。SDN是⼀种新兴的、动态的、可管理的⽹络架构，该架构通过解藕⽹络控制和转发功能，使得整个⽹络开放且可编程，实现底层⽹元、⽹络应⽤和⽹络服务的紧密结合。因此，SDN为⽹络提供了⼀种集中控制和对数据流细粒度管理的模型，带来了极⼤的灵活性和可编程能⼒，打破了原来⽹络封闭的体系架构模型，为⽹络创新注⼊强⼤的动⼒。
随着SDN⽹络的深⼊部署应⽤，如软件定义数据中⼼⽹络，软件定义⼴域⽹⽹络以及软件定义⽆线mesh⽹络等，使得基于SDN的服务质量QoS 保障路由成为新的研究热点，⽽⽹络路由选择是提⾼⽹络性能，保障⽤户服务质量的重要途径之⼀，受到学术界和⼯业界的⼴泛关注。QoS路由是通过合适的路由算法为⽹络中不同业务到⼀条满⾜QoS需求的路径，如时延限制或者带宽限制的路径。由于传统⽹络紧藕合和分布式的体系架构，使得⽹络路由更新设计和部署⼗分困难，SDN的出现，将传统路由功能从数据平⾯中解藕，由控制器对整个⽹络的路由进⾏统⼀设计，数据平⾯只负责⾼速转发，同时，通过开放应⽤程序编程接⼝API使控制器能够实时获取到底层⽹络的链路状态和⽹络流量分布，使整个⽹络路由设计形成闭环，促进更加精确和⾼效地实施QoS路由⽅案。
近年来随着移动互联⽹和物联⽹等技术的发展，智能设备(特别是以智能⼿机和和可穿戴设备为代表的移动终端设备)开始逐渐普及，同时，随着直播⾏业和在线⼿游以及4k，18k视频的兴起，⽤户的需求
不再是仅仅追求低时延的语⾳和短信业务，⽽是低时延，⾼带宽和⼤数据量的内容服务，这种变化⼀⽅⾯使得⽹络中的流量迅猛增长，⾯对巨⼤的⽹络流量，对传统的⽹络架构⽽⾔是前所未有的挑战，同时随着业务场景的多样化，⼈们对带宽、延时、抖动等指标提出了更为严格的要求，对⽹络的QoS保障提出了挑战。另外随着云计算、移动互联⽹、Web2.0等新兴业务的的蓬勃发展，保证数据中⼼⽹络及其应⽤的服务质量早⼰成为业界共识。在数据中⼼⽹络中，许多著名的应⽤形式，例如Web搜索、⼴告、推荐系统等均具有类似的业务流特征，即是⼤流和⼩流混合的业务流。⼩流对时延敏感，但带宽要求不⾼;⼤流带宽要求⾼，但对时延不敏感。⼩流经历的时延直接影响到这些应⽤中返回结果的质量和最终的经济收益，因此如何保护⼩流的时延⼀直是研究热点。⽬前，SDN的QoS机制采⽤两级队列管理，区分对待⼤⼩流，将⼩流分组放⼊⾼优先级队列，⼤流分组进⼊低优先级队列，从⽽实现⼩流分组的优先转发。但是，⽬前⽹络节点的输出端⼝的处理能⼒具有⾮抢占性的特点，即在⼀个时刻只能处理⼀个分组，且不能被抢占。如果当前输出端⼝正在转发⼤流的分组，即使⼩流分组处于⾼优先级队列，也⽆法⽴即被转发，⽽不得不等待当前分组处理完毕，从⽽造成⼩流(分组)的额外时延。
以下部分参考了《基于SDN的保证QoS的⽹络资源分配和管理》等硕⼠论⽂的部分描述内容：
以下主要从队列调度，路由调度两⽅⾯概述基于SDN的QoS机制的研究状况。
⽂献[2]提出⼀种粗粒度的队列管理和调度机制，基于现有的SDN的特性和功能即可实现。在这种机制中，SDN交换机端⼝⽀持绝对优先级不同的两个队列，根据流内包的数⽬把流分为⼤流或⼩流，然后给⼤⼩流安排不同的优先级队列，实现⼩流先传的⽬的。该机制能够减少⼤部分流的完成时间，但是以极少量⼤流的流完成时间增长为代价。遗憾的是，该⼯作没有注意到到以下事实：交换机的输出端⼝的处理能⼒具有⾮抢占性的特点，即在⼀个时刻只能处理⼀个分组且不能被抢占。这意味着，即使⼩流分组处于⾼优先级队列，也⽆法⽴即被转发，⽽不得不等待当前分组处理完毕，从⽽造成⼩流(分组)的额外时延。
⽂献[1]Monia Ghobadi等⼈提出了⼀个基于SDN的TCP版本:OpenTCP.OpenTCP使⽹络运营商可以定义规则来调整TCP参数，使之适应⽹络和流量的状
态，经验证OpenTCP可以明显地减少流完成时间并且降低丢包率。⽂献[1]虽然提出了在⽀持SDN的⽹络中的⼀个对TCP的改进，但是它是以改变终端协议栈为代
价。
⽂献[3]Fang Po Tso等⼈提出⼀个新的⽀持SDN的流调度算法:Baatdaat.Baatdaat利⽤空余的数据中⼼⽹络容量来缓和超载链路的性能退化。Baatdaat基于暂时⽹络利⽤率情况来在最短链路和⾮最短链路上进⾏流调度。Baatdaat经实验验证，能够减少⽹络最⼤链路利⽤率⾼达18%(接近最优值)，并且同时
英壮改善流完成时间41%~95%。该⽂献的路由调度算法不局限于最短链路。
⽂献[4]Michael Bredel等⼈应对第⼆层⽹络的⼤数据流流量优化的挑战。他们提出⼀个可以排除⽣成树协议的限制的openflow控制器架构，允许使⽤多路径和对⽹络中每条流进⾏负载均衡。
⽂献[21]提出⼀个基于openflow技术的QoS管理系统:OF-QoS，系统分为测量控制和QoS执⾏两部分，通常在复杂⽹络中执⾏QoS管理会给路由器带来巨⼤
负载，⽽OF-QoS可以在提供QoS管理的同时降低路由器的负载。
⽂献[22]提出⼀个QoSFlow提案，利⽤openflow控制Linux内核的多种数据包调度策略，从⽽提⾼QoS控制的灵活度。⽂献[22]关注于QoS机
制在底层SDN
设备中的实现，在数据平⾯的⾓度，提出⼀种针对报⽂⽽进⾏QoS调度的控制机制，该机制同时也为每个服务提供不同的流量整形与调度算法。
⽂献[30]基于SDN技术提出Q-POINT，它以聚合⽤户感知评分MOS(Mean Opinion Score)作为优化⽬标，实现⼀个新的多媒体的传输路径的优化模型。该模型在收集的⽹络资源的约束下，为达到同⼀⽇
的结点的不同数据流，根据不同数据流(⽐如数据传输，视频等)的不同需求，分别为它们计算出最优的路径。
Sonkoly等⼈[77]对Ofelia Control Framework (OCF)提出QoS形式化，并在其实验床上实现细粒度的QoS控制，该⼯作实现的扩展模块包括OCF Expedient Opt-In Manager } OF datapath和F1owVisor等，他们的⼯作主要是为了保证实验床的各⽅资源。该⽂章的⼀个不⾜之处是没有对其⽅法进⾏实验评估。
Ongar等⼈[78]提出⼀个在SDN⽹络中的集中式管理与编排框架，为实时多媒体应⽤实现区分的⽹络服务，以达到服务等级约束(Service Level Agreements,SLA)，该⽂章的主要贡献为⼀下⼏点：其⼀，他们定义了⼀个扩展的QoS架构，实现了SDN与其解决⽅案的整合；其⼆，他们利⽤SDN的特性为多媒体应⽤提供⾼质量的⽹络服务与⽀撑。
⽂献[33]为通过构建基于SDN的视频流的路径优化模型，为HTTP视频流媒体提出⼀个基于SDN的动态路径选择算法。该模型根据⽹络链路负载情况和请求
视频⽚段的⽐特率，以最⼩化路径长度和最⼤化DASH服务的总吞吐量为优化的⽬标，为终端动态选择路由。仿真实验中，以客户播放器端的中断时间，视频⽐特率，启动时延作为评估客户端QoE的参数，实验表明相⽐于尽⼒⽽为服务，该算法能够是客户端达到更⾼的QoE。
⽂献[23]提出⼀个改善数据包路由状况的最优化模型，这个模型考虑延时和丢包率，通过线性规划计为视频流量计算出⼀个QoS路径，为尽⼒⽽为流量计算⼀条最短路径。⽂献[24]是[23]的⼀个延伸，Egilmez等⼈[24]提出⼀个保证多媒体视频流传输的QoS的OpenQoS架构。OpenQoS通过利⽤OpenFlow的中流表项的匹配规则和报⽂字段的差别，将多媒体视频流和其它类型的数据流区分开。OpenQoS通过在OpenFlow控制器上的应⽤程序实现，它为视频流选择满⾜QoS参数的传输路径，⽽其它数据流仍维持原有的最短路径。但是OpenQoS仅针对多媒体视频流进⾏调度优化，⽽没有考虑同时多个有QoS需求视频流需要进⾏调度的场景[24]。
参考⽂献
[1] Ghobadi M, Yeganeh S H, Ganjali I' Rethinking end-to-end congestion control in
software-defined networks[C]// Proceedings of the 11th ACM Workshop on Hot Topics in
NetworksACM, 2012.
[2] Myriana Rifai,Dino Lopez-Pacheco,Guillaume Urvoy-Keller.Coarse-grained Scheduling
with Software-Defined Networking Switches[C]//SIGCaMM’15 August 17-21，2015,
[3] Tso F P, Hamilton G, Weber R, et al. Longer Is Better: Exploiting Path Diversity in Data
Center Networks[C]// 2013 IEEE 33rd International Conference on Distributed Computing
SystemsIEEE Computer Society, 2013:430-439.
[4] Bredel M, Bozakov Z, Barczyk A, et al. Flow-based load balancing in multipathed layer-2
networks using OpenFlow and multipath-TCP[C]// Proceedings of the third workshop on
Hot topics in software defined networkingACM, 2014:213-214.
[21 ]李英壮，孙梦，李先毅，等.基于OpenFlow技术的QoS管理系统的设计与实现[C]Il中
国教育和科研计算机⽹CERNET第⼗⼋届学术年会.2011.
[22] Ishimori A, Farias F, Cerqueira E, et al. Control of Multiple Packet Schedulers for
Improving QoS on OpenFlow/SDN Networking[C]// Software Defined Networks
(EWSDN), 2013 Second European Workshop on. IEEE, 2013:81⼀86.
[23] S. Civanlar, M. Parlakisik, A.M. Tekalp, B. Gorkemli, B. Kaytaz, and E. Onem. A
qos-enabled openflow environment for scalable video streaming. In GLOBECOM
Workshops (GC Wkshps), 2010 IEEE. IEEE,2010.
[24] Hilmi E Egilmez, S Tahsin Dane, K Tolga Bagci, and A Murat Tekalp. Openqos: An
openflow controller design for multimedia delivery with end-to-end quality of service over
software-defined networks. In Signal& Information Processing Association Annual
Summit and Conference (APSIPA ASC), 2012 Asia-Pacific, pages 1-8. IEEE, 2012.
[30] Dobrijevic O, Kassler A 3, Skorin-Kapov L, et al. Q-POINT: QoE-Driven Path
Optimization Model for Multimedia Services[M]// Wired/Wireless Internet
Communications. Springer International Publishing, 2014:134-147.
NetworksSplit:Sveuciliste a Splitu Fakultet elektrotehnike, strojarstva i brodogradnje
2012. 5 str.. 2012:1⼀5.
[31]Kassler A, Skorin-Kapov L, Dobrijevic O, et al. Towards QoE-driven Multimedia Service
Negotiation and Path Optimization with Software Defined Networking[C]// Proceedings of
th:e 20th International Conference on Software, Telecommunications and Computer
[32] Egilmez H E, Dane S T, Bagci K T, et al. OpenQoS: An OpenFlow controller design for
multimedia delivery with end-to-end Quality of Service over Software-Defined
Networks[C]// Signal&Information Processing Association Annual Summit and
Conference (APSiPAASC), 2012 Asia-Pacific. IEEE, 2012:1⼀8.
[33] Cetinkaya C, Karayer E, Sayit M, et al. SDN for segment based flow routing of
DASH[C]// Consumer Electronics Berlin (ICCE-Berlin), 2014 IEEE Fourth International Conference on. IEEE, 2014:74⼀77.
[77] Sonkoly, B., Gulyas, A., Nemeth, F., et al. (2012) On QoS Support to Ofelia and OpenFlow. European Workshop on Software Defined Networking, Darmstadt, 25-26 Octoher 2012,
109-113. httpa/创 10.1109/EWSDN.20】2 26
[78] Ongaro, F., Cerqueira, E., Foschini, L., et al. (2015) Enhancing the Quality Level Support for Real-Time Multimedia Applications in Software-Defined Networks. 2015 International Conference on Computing, Networking and Commu-nications (ICNC), Garden Grove,
16⼀19 February 201 S, 505⼀509. http:I/110.11091ICCNC.2015.7069395