自定義服務質(zhì)量下的網(wǎng)絡帶寬優(yōu)化策略
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摘要：互聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，加速了家庭網(wǎng)絡應用在日常生活中的普及，家庭網(wǎng)絡的服務質(zhì)量保障也逐漸受到高度關注。軟件定義網(wǎng)絡技術的出現(xiàn)，使得家庭網(wǎng)絡的自定義優(yōu)化成為可能。提出一種基于自定義服務質(zhì)量的家庭網(wǎng)絡動態(tài)帶寬優(yōu)化策略，根據(jù)用戶自定義設置，使用軟件定義網(wǎng)絡技術為不同優(yōu)先級的應用提供帶寬保證。實驗結果表明，提出的調(diào)整算法能夠動態(tài)地優(yōu)化不同家庭網(wǎng)絡應用的帶寬分配，減小重要應用的丟包率，有效提高用戶體驗。
關鍵詞：家庭網(wǎng)絡；服務質(zhì)量；軟件定義網(wǎng)絡；優(yōu)化策略；用戶體驗
隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展以及在日常生活中的普及，各種家用智能設備以及種類繁多的生活娛樂類應用使人們的生活變得越來越豐富。承載這些設備與應用的家庭網(wǎng)絡的作用逐漸凸顯，引起了學術界與產(chǎn)業(yè)界的廣泛關注。人們希望對自己的家庭網(wǎng)絡進行一些行為控制，但由于人們所擁有的網(wǎng)絡方面知識并不健全，根本不知道從何處下手。在家庭網(wǎng)絡中大部分都是從運營商獲得授權與網(wǎng)絡接入口，然后連接到一個家庭路由器，該路由器充當家庭網(wǎng)絡的網(wǎng)關，人們通過指定的地址登錄到路由器配置網(wǎng)頁，根據(jù)從運營商那里拿到的信息對該路由器進行配置。軟件定義網(wǎng)絡(SoftwareDe⁃finedNetwork,SDN)技術的出現(xiàn)，為用戶自定義應用的服務質(zhì)量（QualityofService,QoS）提供了可能。軟件定義網(wǎng)絡是斯坦福大學提出的一種未來網(wǎng)絡體系架構[1]，由于其對網(wǎng)絡具有可編程的特性，得到眾多研究者們的青睞，文獻[2][3]利用軟件定義網(wǎng)絡技術對智能建筑中的網(wǎng)絡進行了相關研究。
1相關工作
隨著社會的發(fā)展，家庭網(wǎng)絡中的問題也日益凸顯出來，同時也引起很多對家庭網(wǎng)絡的研究，文獻[4]提出使用軟件定義網(wǎng)絡技術在控制層對設備進行分片，同一個分片里的數(shù)據(jù)流打上相同的標簽，然后根據(jù)標簽對數(shù)據(jù)流進行相應的處理，進而在服務質(zhì)量和服務體驗方面得到提高。文獻[5]提出了一種基于業(yè)務劃分的路由選擇機制，該文獻提出使用包頭域中的ToS字段對網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)包進行標識，然后根據(jù)標識對數(shù)據(jù)包進行一些相應的服務質(zhì)量策略，進而滿足不用業(yè)務流量的服務質(zhì)量需求。文獻[6]指出可以在家庭網(wǎng)絡中使用隊列的控制方法，使家庭網(wǎng)的服務質(zhì)量或體驗質(zhì)量得到提升。在當前家庭網(wǎng)絡服務質(zhì)量的研究中，并沒有考慮到用戶自定義服務質(zhì)量的需求。因此本文提出了一種基于自定義服務質(zhì)量的家庭網(wǎng)絡動態(tài)帶寬優(yōu)化策略，把家庭網(wǎng)絡中的流量根據(jù)用戶的自定義，對家庭網(wǎng)絡中的流量進行分類，為不同類別的流量使用隊列提供最小帶寬保證，從而避免因為不重要應用的流量過多導致重要應用流量的大量丟包，進而提高家庭網(wǎng)絡的服務質(zhì)量。
2自定義服務質(zhì)量的家庭網(wǎng)絡動態(tài)帶寬優(yōu)化策略
在自定義服務質(zhì)量的家庭網(wǎng)絡動態(tài)帶寬優(yōu)化策略中，用戶可以把不同的應用進行分類，并對不同類別的應用進行打分（滿分為10分）。分數(shù)越高表明該類別的數(shù)據(jù)流優(yōu)先級越高，所需要的服務質(zhì)量就越高。在自定義服務質(zhì)量的家庭網(wǎng)絡動態(tài)帶寬優(yōu)化策略中，將會用隊列對不同類別的數(shù)據(jù)流量進行最小帶寬保證，隊列的最大帶寬都設置為用戶在運營商那里開通的最大帶寬，這樣當只有一個類別的應用時，也可以使家庭網(wǎng)絡中的帶寬得到滿載利用。定義appi為第i種類別的應用，其中1<i<n，n表示有n種類別的應用；flowi表示appi應用的數(shù)據(jù)流量，bsi代表appi應用數(shù)據(jù)流量的隊列中最小帶寬值，bri代表appi數(shù)據(jù)流量的實時帶寬值；scorei代表appi數(shù)據(jù)流量的分值；把對應的分值轉(zhuǎn)化成百分比的valuei=scorei*10/100；觸發(fā)函數(shù)如公式1所示；當triggeri<valuei時，將會觸發(fā)帶寬調(diào)整函數(shù)。為了減小帶寬的頻繁調(diào)整，可以設置同一類別應用，在一段連續(xù)時間內(nèi)，多次激活觸發(fā)函數(shù)時，才進行該應用的帶寬調(diào)整。需要重新設置的帶寬大小為reSizei=bri*valuei；當有需調(diào)整應用的帶寬時，首先把appi分為兩個集合，比該應用類別分值高的類別放入集合setb，比該應用類別分值低的放入集合sets；當sets集合不為空時，從sets中取出可用帶寬adjSmalli，如果adjSmalli≥reSizei-bsi，直接進行帶寬調(diào)整，否則從setb中取出可用帶寬，并賦值給adjBigi如果adjSmalli+adjBigi<reSizei-bsi，則對sets中的隊列按隊列分值占sets總分值比例進行縮容并賦值給adjSmalli，然后進行帶寬調(diào)整；如果Sets集合為空，則直接根據(jù)實際可用的adjBigi對帶寬進行調(diào)整。
3仿真實驗與對比分析
仿真實驗平臺采用mininet，SDN控制器采用OpenDaylight。在仿真實驗中，分兩種情況進行測試：不滿載與滿載，測試中每種類別的應用在不同帶寬范圍內(nèi)進行隨機打流。第一種情況是各個類別應用的流量之和不大于在運營商那里開通的最大值10M，如10分類的應用流在[2M,3M]范圍內(nèi)進行隨機打流；9分類的應用流在[1M,2M]范圍內(nèi)進行隨機打流；8分類的應用流在[2M,3M]范圍內(nèi)進行隨機打流；7分類的應用流在[1M,2M]范圍內(nèi)進行隨機打流。使用動態(tài)帶寬優(yōu)化策略與未使用動態(tài)帶寬優(yōu)化策略的各個類別的應用流在丟包率上進行對比，實驗結果表明，當家庭網(wǎng)絡中的流量在不滿載的情況下，使用與不使用動態(tài)帶寬優(yōu)化策略效果基本是相同的。第二種情況是測試用的各個類別應用流量之和為在運營商那里開通總帶寬10M的80%-120%范圍內(nèi)進行隨機打流，如10、9、8、7分類的應用流都在[2M,3M]范圍內(nèi)進行隨機打流。使用動態(tài)帶寬優(yōu)化策略與未使用動態(tài)帶寬優(yōu)化策略的各個類別的應用流在丟包率上進行對比。實驗結果表明，當家庭網(wǎng)絡中的流量存在滿載的情況下，使用動態(tài)帶寬優(yōu)化策略相較之下可以獲得更佳的效果，使用動態(tài)帶寬優(yōu)化策略可以實現(xiàn)對用戶自定義服務質(zhì)量的應用提供帶寬保障，減小重要應用的丟包率，從而提高服務質(zhì)量，進而提高用戶體驗。
4結束語
基于自定義服務質(zhì)量的家庭網(wǎng)絡動態(tài)帶寬優(yōu)化策略在實驗中表現(xiàn)出了較好的結果，對提高家庭網(wǎng)絡的服務質(zhì)量提出了新型的解決方案，是一種適合普通家庭用戶自定義網(wǎng)絡流量等級的方法，同時家庭網(wǎng)絡中的業(yè)務流量也具有一些自身的特點，往往會有一定的規(guī)律性和周期性。因此，如果根據(jù)家庭網(wǎng)絡中流量的歷史數(shù)據(jù)，使用機器學習對其規(guī)律進行學習，那么就可以實現(xiàn)對未來家庭網(wǎng)絡流量進行預測，并根據(jù)預測對家庭網(wǎng)絡資源進行預設置。另外，結合用戶滿意程度的反饋，以增強學習的模式不斷修正預測模型，以達到自動調(diào)優(yōu)的效果。后期將會考慮把家庭網(wǎng)絡與機器學習進行結合，進而為家庭網(wǎng)絡帶來更好的服務質(zhì)量及用戶體驗。
參考文獻:
[5]李兵奎,莊雷,馬丁,等.SDN網(wǎng)絡中基于業(yè)務劃分的路由選擇機制[J].計算機科學,2017,44(3):118-122.
作者：李兵奎 朱泓藝 單位：上海寬帶技術及應用工程研究中心