УДК 621.396
Ч. Д. Ле,
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ SDN ДЛЯ ОБЕСПЕЧИВАНИЯ QoS В БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЯХ С ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТЬЮ УСТРОЙСТВ
В статье предлагается использовать решение на основе программно-конфигурируемых сетей (SDN) для управления потоками трафика в беспроводных сетях Wi-Fi с большой плотностью сетевых устройств. В качестве коммутаторов предлагается использовать Openvswitch, классификацию трафика производить на основе значения поля ToS или DSCP в IP-заголовках пакетов. Такой метод позволяет организовать сквозную поддержку качества и поддержку классификации трафика при межсетевом взаимодействии
Классификация, SDN, QoS, Wi-Fi, DSCP
В связи с быстрым ростом числа беспроводных устройств и внедрения решений Интернета вещей (IoT) обеспечение качества обслуживания (QoS) на беспроводных сетях доступа становится актуальной задачей. Несмотря на большое количество механизмов обеспечения сосуществования различных технологий [1], вопрос интерференции в диапазоне 2,4 ГГц до сих пор остается открытым. Точки доступа Wi-Fi в современном мегаполисе располагаются плотно, обуславливая взаимное влияние, что приводит к существенным трудностям обеспечения качества обслуживания в Wi-Fi сетях. Поэтому внимание сместилось от обеспечения гарантированного QoS для одной точки доступа (AP – Access Point) в сторону обеспечения QoS в беспроводных сетях с высокой плотностью устройств (много точек доступа – APs). Одновременно появление программно-конфигурируемых сетей (SDN) открыло новые возможности в области управления сетью. В статье предлагается использовать решение на основе программно-конфигурируемых сетей (SDN) для управления потоками трафика в случае высокой плотности устройств Wi-Fi сетей. Это решение состоит из двух фаз:
1.Классификация Wi-Fi трафика, входящего или исходящего из APs, в OpenFlow-коммутаторах на основе значения поля DSCP в IP-заголовках пакетов.
2.Назначение потока трафика в очередь с приоритетом на порту коммутатора.
Связанные работы
Существует несколько исследований, относящихся к решениям в области промышленного Интернета, предлагающих использовать SDN и OpenFlow для уменьшения интерференции в WLAN на предприятиях. В работе [2] авторы определили ограничения для одного SDN-контроллера, контролирующего все APs через OpenFlow-интерфейс. Предлагаемые ограничения добавляют особые правила в различные APs, согласно чему каждая точка доступа должна обеспечить поддержку протокола OpenFlow. Аналогичное решение было предложено в работе [5] – это точка доступа с программным обеспечением (SAE – Software Access Point) для удобного управления мобильностью и балансировки нагрузки.
Другие попытки применить SDN для сетей IEEE 802.11 предлагают создание виртуальных точек доступа для каждого отдельного мобильного решения: Odin [3] и OpenSDWN [4]. Такое решение может хорошо обеспечивать мобильность пользователя, но приводит к накладным расходам с точки зрения вычислительной нагрузки и к увеличению трафика во время перемещения, особенно в настройках с большим числом клиентов и при высокой мобильности пользователя.
Классификация трафика в SDN/OpenFlow сети
Классификация Wi-Fi трафика является первым шагом для обеспечения QoS и основывается на DSCP-значениях в записях, установленных в таблицах OpenFlow-коммутаторов. Каждому DSCP-значению соответствует различное действие, например: отбрасывать пакеты, перемещать пакеты на указанный порт, назначить трафик в указанную очередь. Известно, что согласно IEEE 802.11e [6] и WMM определяются 4 типа категорий: WMM приоритет голосового трафика (AC_VO - наивысший приоритет), WMM приоритет видеотрафика (AC_VI), WMM приоритет негарантированной доставки (AC_BE - Best Effort Service), WMM низкий приоритет (AC_BK - низкоприоритетный трафик). Соотнесем эти категории доступа с DSCP-значениями для организации классификации Wi-Fi трафика на коммутаторах SDN и разделим DSCP-значения по приоритетам, организуя в соответствии этими приоритетами 8 очередей на портах OpenFlow-коммутатора (табл. 1). Алгоритм классификации трафика на основе DSCP значения в SDN сети приведен на рисунке 1.
ТАБЛИЦА 1. Тип трафика и соответствующее DSCP значение
Тип трафика | IP DSCP значение | DSCP приоритет | 802.11e / WMM | Очередь |
Контроль сети | 56 (CS7) | 7 | 7 (AC_VO) | 7 |
Межсетевое управление | 48 (CS6) | 6 | 7 (AC_VO) | 6 |
Голосовой | 46 (EF) | 5 | 6 (AC_VO) | 5 |
Интерактивное видео | 34 (AF41) | 4 | 5 (AC_VI) | 4 |
Потоковое видео | 32 (CS4) | 4 | 5 (AC_VI) | 4 |
Критически важные трафики | 26 (AF31) | 3 | 4 (AC_VI) | 3 |
Сигнализации вызова | 24 (CS3) | 3 | 4 (AC_VI) | 3 |
Транзакционный | 18 (AF21) | 2 | 3 (AC_BK) | 2 |
Сетевое управление | 16 (CS2) | 2 | 3 (AC_BK) | 2 |
Большой массив данных | 10 (AF11) | 1 | 2 (AC_BK) | 1 |
Негарантированная доставка данных | 0 (BE) | 0 | 0 (AC_BE) | 0 |
Опционный класс - Интернет/scavenger | 8 (CS1) | 1 | 1 (AC_BK) | 1 |
Рис.1. Классификация Wi-Fi трафика в SDN/OpenFlow сети с помощью DSCP значения
Механизм назначения трафика в очередь с приоритетом
Для каждой очереди задается своя политика обработки трафика. Например: очередь_0 обеспечивает минимальную пропускную способность min-rate = 1 Мб/с, очередь_1 обеспечивает min-rate = 10 Мб/с.
Трафик классифицируется на основе DSCP-значения и перемещается на заданные порты и назначается в соответствующую очередь. Каждой очереди будет присвоено значение приоритета соответственно DSCP значению трафика чтобы ограничить количество одновременно работающих устройств.
Таким образом, трафик с высоким приоритетом передается прежде, чем трафик с низким приоритетом в зависимости от приоритетов очередей у портов. Согласно примеру на рисунке 2, трафик_1 (запись 1) имеет DSCP=46, и приоритет этого DSCP значения больше, чем приоритет DSCP-значения (DSCP=10) трафика_2 (запись 2) (табл. 1). Несмотря на то, что они перемещаются в одинаковый порт (output=2), трафик_1 будет передан раньше трафика_2 потому, что приоритет его очереди выше (5 > 1).
Рис. 2. Записи потоков в OpenFlow таблице
Рис. 2. Пример приоритезации на потах SDN-коммутаторов
После процесса классификации и назначения приоритета, контроллер будет устанавливать разные правила для разных типов трафика в зависимости от конкретных QoS-политик. Например, с использованием данного механизма можно решить классическую задачу управления мультисервисным трафиком с использованием REST API для SDN [7,8]: отправить трафик данных по кратчайшим путям, а мультимедиа трафик по путям с маленькой задержкой и гарантируемой пропускной способностью.
Вывод
Предложенный механизм на основе SDN для управления потоками мультисервисного трафика в беспроводных сетях Wi-Fi с большой плотностью сетевых устройств основывается на DSCP-значениях в IP-заголовках пакетов. Механизм позволит уменьшить количество одновременно работающих беспроводных устройств (то есть снизить интерференцию) и повысить приоритет трафика чувствительных к задержке приложений в сравнении с остальным.
Достоинство этого решения заключается в легкости применения новых QoS-политик через программные приложения, установленные в SDN-контроллере. Кроме того, контроллер позволяет легко удалить старые записи потока и установить новые записи в OpenFlow-таблицах, и поэтому развертывает механизмы для обеспечения QoS более динамично.
Список используемых источников
Ле Ч. Д., Анализ механизмов сосуществования беспроводных технологий в нелицензируемом диапазоне 2,4 ГГц // Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании IV. – Март 2015. – с. 137-141. Zhao, D., Zhu, M., & Xu, M. Leveraging SDN and OpenFlow to mitigate interference in enterprise WLAN // Journal of Networks. – 2014. - № 9, issue 6. – pp. resh, L., Schulz-Zander, J., Merz, R., Feldmann, A., & Vazao, T. Towards programmable enterprise WLANS with Odin // Proceedings of the first workshop on Hot topics in software defined networks. - Aug. 2012. – ACM. - pp. 115-120. Schulz-Zander, J., Mayer, C., Ciobotaru, B., Schmid, S., & Feldmann, A. OpenSDWN: Programmatic control over home and enterprise Wi-Fi // Proceedings of the 1st ACM SIGCOMM Symposium on Software Defined Networking Research. – Jun. 2015. - p. 16. Lei, T., Lu, Z., Wen, X., Zhao, X., & Wang, L. SWAN: An SDN based campus WLAN framework // Wireless Communications, Vehicular Technology, Information Theory and Aerospace & Electronic Systems (VITAE), 4th IEEE International Conference. – May 2015. - pp. 1-5. IEEE Draft for Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications: Medium Access Control (MAC) Enhancements for Quality of Service (QoS) // IEEE Std 802.11e/ Draft 11.0. – Oct. 2004. Tsung-Feng, Y., Wang, K., & Hsu, Y. H. Adaptive routing for video streaming with QoS support over SDN networks // In Information Networking (ICOIN), IEEE International Conference. - Jan. 2015. - pp. 318-323. Akella, A. V., & Xiong, K. Quality of service (QoS)-guaranteed network resource allocation via software defined networking (SDN) // Dependable, Autonomic and Secure Computing (DASC), IEEE 12th International Conference. - Aug. 2014. - pp. 7-13