自定義服務(wù)質(zhì)量下的網(wǎng)絡(luò)帶寬優(yōu)化策略

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摘要：互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，加速了家庭網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在日常生活中的普及，家庭網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量保障也逐漸受到高度關(guān)注。軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)，使得家庭網(wǎng)絡(luò)的自定義優(yōu)化成為可能。提出一種基于自定義服務(wù)質(zhì)量的家庭網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)帶寬優(yōu)化策略，根據(jù)用戶自定義設(shè)置，使用軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為不同優(yōu)先級(jí)的應(yīng)用提供帶寬保證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的調(diào)整算法能夠動(dòng)態(tài)地優(yōu)化不同家庭網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的帶寬分配，減小重要應(yīng)用的丟包率，有效提高用戶體驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：家庭網(wǎng)絡(luò)；服務(wù)質(zhì)量；軟件定義網(wǎng)絡(luò)；優(yōu)化策略；用戶體驗(yàn)

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展以及在日常生活中的普及，各種家用智能設(shè)備以及種類繁多的生活?yuàn)蕵奉悜?yīng)用使人們的生活變得越來越豐富。承載這些設(shè)備與應(yīng)用的家庭網(wǎng)絡(luò)的作用逐漸凸顯，引起了學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。人們希望對(duì)自己的家庭網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一些行為控制，但由于人們所擁有的網(wǎng)絡(luò)方面知識(shí)并不健全，根本不知道從何處下手。在家庭網(wǎng)絡(luò)中大部分都是從運(yùn)營(yíng)商獲得授權(quán)與網(wǎng)絡(luò)接入口，然后連接到一個(gè)家庭路由器，該路由器充當(dāng)家庭網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，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(yùn)營(yíng)商那里拿到的信息對(duì)該路由器進(jìn)行配置。軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SoftwareDe⁃finedNetwork,SDN)技術(shù)的出現(xiàn)，為用戶自定義應(yīng)用的服務(wù)質(zhì)量（QualityofService,QoS）提供了可能。軟件定義網(wǎng)絡(luò)是斯坦福大學(xué)提出的一種未來網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)[1]，由于其對(duì)網(wǎng)絡(luò)具有可編程的特性，得到眾多研究者們的青睞，文獻(xiàn)[2][3]利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)智能建筑中的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了相關(guān)研究。

1相關(guān)工作

隨著社會(huì)的發(fā)展，家庭網(wǎng)絡(luò)中的問題也日益凸顯出來，同時(shí)也引起很多對(duì)家庭網(wǎng)絡(luò)的研究，文獻(xiàn)[4]提出使用軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在控制層對(duì)設(shè)備進(jìn)行分片，同一個(gè)分片里的數(shù)據(jù)流打上相同的標(biāo)簽，然后根據(jù)標(biāo)簽對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行相應(yīng)的處理，進(jìn)而在服務(wù)質(zhì)量和服務(wù)體驗(yàn)方面得到提高。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于業(yè)務(wù)劃分的路由選擇機(jī)制，該文獻(xiàn)提出使用包頭域中的ToS字段對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包進(jìn)行標(biāo)識(shí)，然后根據(jù)標(biāo)識(shí)對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行一些相應(yīng)的服務(wù)質(zhì)量策略，進(jìn)而滿足不用業(yè)務(wù)流量的服務(wù)質(zhì)量需求。文獻(xiàn)[6]指出可以在家庭網(wǎng)絡(luò)中使用隊(duì)列的控制方法，使家庭網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量或體驗(yàn)質(zhì)量得到提升。在當(dāng)前家庭網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的研究中，并沒有考慮到用戶自定義服務(wù)質(zhì)量的需求。因此本文提出了一種基于自定義服務(wù)質(zhì)量的家庭網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)帶寬優(yōu)化策略，把家庭網(wǎng)絡(luò)中的流量根據(jù)用戶的自定義，對(duì)家庭網(wǎng)絡(luò)中的流量進(jìn)行分類，為不同類別的流量使用隊(duì)列提供最小帶寬保證，從而避免因?yàn)椴恢匾獞?yīng)用的流量過多導(dǎo)致重要應(yīng)用流量的大量丟包，進(jìn)而提高家庭網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。

2自定義服務(wù)質(zhì)量的家庭網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)帶寬優(yōu)化策略

在自定義服務(wù)質(zhì)量的家庭網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)帶寬優(yōu)化策略中，用戶可以把不同的應(yīng)用進(jìn)行分類，并對(duì)不同類別的應(yīng)用進(jìn)行打分（滿分為10分）。分?jǐn)?shù)越高表明該類別的數(shù)據(jù)流優(yōu)先級(jí)越高，所需要的服務(wù)質(zhì)量就越高。在自定義服務(wù)質(zhì)量的家庭網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)帶寬優(yōu)化策略中，將會(huì)用隊(duì)列對(duì)不同類別的數(shù)據(jù)流量進(jìn)行最小帶寬保證，隊(duì)列的最大帶寬都設(shè)置為用戶在運(yùn)營(yíng)商那里開通的最大帶寬，這樣當(dāng)只有一個(gè)類別的應(yīng)用時(shí)，也可以使家庭網(wǎng)絡(luò)中的帶寬得到滿載利用。定義appi為第i種類別的應(yīng)用，其中1<i<n，n表示有n種類別的應(yīng)用；flowi表示appi應(yīng)用的數(shù)據(jù)流量，bsi代表appi應(yīng)用數(shù)據(jù)流量的隊(duì)列中最小帶寬值，bri代表appi數(shù)據(jù)流量的實(shí)時(shí)帶寬值；scorei代表appi數(shù)據(jù)流量的分值；把對(duì)應(yīng)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(dāng)triggeri<valuei時(shí)，將會(huì)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(shè)置同一類別應(yīng)用，在一段連續(xù)時(shí)間內(nèi)，多次激活觸發(fā)函數(shù)時(shí)，才進(jìn)行該應(yīng)用的帶寬調(diào)整。需要重新設(shè)置的帶寬大小為reSizei=bri*valuei；當(dāng)有需調(diào)整應(yīng)用的帶寬時(shí)，首先把a(bǔ)ppi分為兩個(gè)集合，比該應(yīng)用類別分值高的類別放入集合setb，比該應(yīng)用類別分值低的放入集合sets；當(dāng)sets集合不為空時(shí)，從sets中取出可用帶寬adjSmalli，如果adjSmalli≥reSizei-bsi，直接進(jìn)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(duì)sets中的隊(duì)列按隊(duì)列分值占sets總分值比例進(jìn)行縮容并賦值給adjSmalli，然后進(jìn)行帶寬調(diào)整；如果Sets集合為空，則直接根據(jù)實(shí)際可用的adjBigi對(duì)帶寬進(jìn)行調(diào)整。

3仿真實(shí)驗(yàn)與對(duì)比分析

仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用mininet，SDN控制器采用OpenDaylight。在仿真實(shí)驗(yàn)中，分兩種情況進(jìn)行測(cè)試：不滿載與滿載，測(cè)試中每種類別的應(yīng)用在不同帶寬范圍內(nèi)進(jìn)行隨機(jī)打流。第一種情況是各個(gè)類別應(yīng)用的流量之和不大于在運(yùn)營(yíng)商那里開通的最大值10M，如10分類的應(yīng)用流在[2M,3M]范圍內(nèi)進(jìn)行隨機(jī)打流；9分類的應(yīng)用流在[1M,2M]范圍內(nèi)進(jìn)行隨機(jī)打流；8分類的應(yīng)用流在[2M,3M]范圍內(nèi)進(jìn)行隨機(jī)打流；7分類的應(yīng)用流在[1M,2M]范圍內(nèi)進(jìn)行隨機(jī)打流。使用動(dòng)態(tài)帶寬優(yōu)化策略與未使用動(dòng)態(tài)帶寬優(yōu)化策略的各個(gè)類別的應(yīng)用流在丟包率上進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)家庭網(wǎng)絡(luò)中的流量在不滿載的情況下，使用與不使用動(dòng)態(tài)帶寬優(yōu)化策略效果基本是相同的。第二種情況是測(cè)試用的各個(gè)類別應(yīng)用流量之和為在運(yùn)營(yíng)商那里開通總帶寬10M的80%-120%范圍內(nèi)進(jìn)行隨機(jī)打流，如10、9、8、7分類的應(yīng)用流都在[2M,3M]范圍內(nèi)進(jìn)行隨機(jī)打流。使用動(dòng)態(tài)帶寬優(yōu)化策略與未使用動(dòng)態(tài)帶寬優(yōu)化策略的各個(gè)類別的應(yīng)用流在丟包率上進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)家庭網(wǎng)絡(luò)中的流量存在滿載的情況下，使用動(dòng)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(dòng)態(tài)帶寬優(yōu)化策略可以實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶自定義服務(wù)質(zhì)量的應(yīng)用提供帶寬保障，減小重要應(yīng)用的丟包率，從而提高服務(wù)質(zhì)量，進(jìn)而提高用戶體驗(yàn)。

4結(jié)束語

基于自定義服務(wù)質(zhì)量的家庭網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)帶寬優(yōu)化策略在實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出了較好的結(jié)果，對(duì)提高家庭網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)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(luò)流量等級(jí)的方法，同時(shí)家庭網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)流量也具有一些自身的特點(diǎn)，往往會(huì)有一定的規(guī)律性和周期性。因此，如果根據(jù)家庭網(wǎng)絡(luò)中流量的歷史數(shù)據(jù)，使用機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)其規(guī)律進(jìn)行學(xué)習(xí)，那么就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)未來家庭網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行預(yù)測(cè)，并根據(jù)預(yù)測(cè)對(duì)家庭網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行預(yù)設(shè)置。另外，結(jié)合用戶滿意程度的反饋，以增強(qiáng)學(xué)習(xí)的模式不斷修正預(yù)測(cè)模型，以達(dá)到自動(dòng)調(diào)優(yōu)的效果。后期將會(huì)考慮把家庭網(wǎng)絡(luò)與機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行結(jié)合，進(jìn)而為家庭網(wǎng)絡(luò)帶來更好的服務(wù)質(zhì)量及用戶體驗(yàn)。

參考文獻(xiàn):

[5]李兵奎,莊雷,馬丁,等.SDN網(wǎng)絡(luò)中基于業(yè)務(wù)劃分的路由選擇機(jī)制[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),2017,44(3):118-122.

作者：李兵奎 朱泓藝 單位：上海寬帶技術(shù)及應(yīng)用工程研究中心