孫茂鑫，錢紅燕

(南京航空航天大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211106)

SDN網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的MPTCP的移動切換機(jī)制

孫茂鑫，錢紅燕

(南京航空航天大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211106)

無線網(wǎng)絡(luò)中，移動設(shè)備在不同的接入點(diǎn)(AP)之間切換是不可避免的問題?，F(xiàn)有的移動切換機(jī)制不能真正地實現(xiàn)無縫切換，并且切換時信令開銷大，切換時延長。實現(xiàn)移動設(shè)備的快速切換以及在切換中保證QoS，已經(jīng)成為無線網(wǎng)絡(luò)的研究熱點(diǎn)。為提高無線切換時的網(wǎng)絡(luò)性能，文中采用軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)架構(gòu)，提出一種基于多路徑傳輸控制協(xié)議(MPTCP)的移動切換機(jī)制。目的是使移動設(shè)備在不同AP間實現(xiàn)無縫切換以及保證在切換過程中網(wǎng)絡(luò)保持較高的吞吐量。并且為了提高網(wǎng)絡(luò)的利用率和性能，文中利用信號強(qiáng)度值、丟包率和網(wǎng)絡(luò)時延共同決定切換網(wǎng)絡(luò)，可以充分利用各AP的網(wǎng)絡(luò)帶寬。實驗結(jié)果表明，該機(jī)制可以有效地實現(xiàn)移動設(shè)備的無縫切換，保證了服務(wù)質(zhì)量，并且避免了乒乓效應(yīng)，提高了網(wǎng)絡(luò)性能。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)；移動切換；多路徑傳輸控制協(xié)議；多指標(biāo)切換；無縫切換

1 概 述

隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，特別是無線接入技術(shù)的發(fā)展，3G、4G等技術(shù)的出現(xiàn)，使得移動設(shè)備越來越普及。無線接入已成為人們訪問互聯(lián)網(wǎng)的主要接入方式。在無線網(wǎng)絡(luò)中，用戶的移動性管理是一個很重要的挑戰(zhàn)。尤其是移動切換作為移動性管理的關(guān)鍵技術(shù)，成為了無線網(wǎng)絡(luò)中的研究熱點(diǎn)。

文中主要研究的是在SDN網(wǎng)絡(luò)下，利用MPTCP機(jī)制解決移動設(shè)備在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下信令開銷大、三角路由、不支持無縫切換等問題。移動切換主要分為兩大類：一類是切換發(fā)生在同一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之間，稱為水平切換。例如在3G網(wǎng)絡(luò)內(nèi)不同AP間的切換。另一類是發(fā)生在不同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之間的切換，稱為垂直切換。例如從3G網(wǎng)絡(luò)中的一個AP切換到4G網(wǎng)絡(luò)中的一個AP。文中主要研究水平切換。

在無線切換領(lǐng)域，學(xué)者們已經(jīng)提出了許多方案來解決設(shè)備在移動中出現(xiàn)的問題。其中，在TCP/IP架構(gòu)下影響最大的是移動IP技術(shù)[1-2]。移動IP定義了三種實現(xiàn)移動功能的實體：

(1)移動主機(jī)。當(dāng)移動設(shè)備從一個網(wǎng)絡(luò)切換到另一個網(wǎng)絡(luò)時，要保持通信不中斷，在切換時保持主機(jī)的IP地址不變。

(2)家鄉(xiāng)代理。有個端口要與設(shè)備的家鄉(xiāng)鏈路連接的路由器，在設(shè)備進(jìn)行切換時，設(shè)備會通知家鄉(xiāng)代理該主機(jī)當(dāng)前的位置。

(3)外地代理。它是移動設(shè)備在外地鏈路上的路由器。

該技術(shù)通過本地代理和外地代理使得設(shè)備在移動過程中不需要改變IP地址，使通信保持連續(xù)。但移動IP技術(shù)存在的最大問題是三角路由問題，增加了網(wǎng)絡(luò)的時延，導(dǎo)致切換時延過長。同時移動設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)的接收者時，由于移動設(shè)備不斷改變位置，導(dǎo)致向它提供實時業(yè)務(wù)變得十分困難，造成了QoS沒有保障。

在SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，也有很多解決方案被提出。文獻(xiàn)[3]提出利用OpenFlow協(xié)議提供路由，可避免移動IP技術(shù)的三角路由問題。基于異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)垂直切換算法[4]主要解決垂直切換中十分重要的問題：AP的選擇和切換時間的選擇。該方案能確保設(shè)備在最合適的時間進(jìn)行切換，并且保證最優(yōu)的QoS；但該方案沒有真正實現(xiàn)無縫切換，因為AP的選擇需要花費(fèi)一定的時間，導(dǎo)致了過長的網(wǎng)絡(luò)時延。

對MPTCP的研究，近年來也取得了一些進(jìn)展。在文獻(xiàn)[5]中，移動設(shè)備利用MPTCP協(xié)議連接多個不同AP，可以使切換過程保持連接不中斷，同時通過大量實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)設(shè)備連接的AP過多時，會嚴(yán)重降低網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。WiPoMu[6]、FatVAP[7]和Virtual WiFi[8]都是利用虛擬接口技術(shù)使設(shè)備連接多個AP，使設(shè)備在不同AP間可以快速進(jìn)行平滑切換，也可以在不同AP的不同信道間進(jìn)行切換，同時提高了網(wǎng)絡(luò)的聚合帶寬。這些方案由于需要修改客戶端，很難得到普及，同時這些方案目前都只是在理論上進(jìn)行仿真驗證，很難在實際環(huán)境中對網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行驗證。Mobility[9]架構(gòu)也是根據(jù)MPTCP提出的。該架構(gòu)通過部署MPTCP定量增加代理，同時可以兼容TCP協(xié)議。該方案能很好地完成平滑切換，同時可以減少能力消耗。

2 相關(guān)技術(shù)概述

SDN(Software Defined Networking，軟件定義網(wǎng)絡(luò))[10]是由美國斯坦福大學(xué)提出的一種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。SDN概念和OpenFlow的提出，引起了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。SDN網(wǎng)絡(luò)將控制平面從嵌入式設(shè)備中獨(dú)立出來，形成控制器。該控制器相當(dāng)于整個網(wǎng)絡(luò)的大腦，控制整個網(wǎng)絡(luò)的行為。而轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，它相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)的四肢，受控制器的控制。控制器通過向轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備下發(fā)流表的方式來控制轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備。SDN主要思想是管控分離，SDN控制器提供了用戶編程的接口，用戶通過在控制器中編寫業(yè)務(wù)應(yīng)用程序，控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)備按照用戶的意愿運(yùn)行。SDN網(wǎng)絡(luò)可以針對不同的業(yè)務(wù)定制所需要路由、QoS流量工程、策略、安全等實時下發(fā)到網(wǎng)絡(luò)中，可以很好地實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)對業(yè)務(wù)和應(yīng)用的配置。目前，谷歌已經(jīng)在全球的數(shù)據(jù)中心部署SDN[11]，谷歌用10 Gbit/s的網(wǎng)絡(luò)鏈路鏈接了全球12個數(shù)據(jù)中心，通過在SDN網(wǎng)絡(luò)中部署QoS流量工程和優(yōu)先級調(diào)度，使數(shù)據(jù)中心間鏈路的使用率從平均的30%～40%提高到接近100%。谷歌的成功案例證明了SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)越性。

為了提高網(wǎng)絡(luò)鏈路的帶寬和利用率，同時增強(qiáng)鏈路的魯棒性，IETF提出了MPTCP的概念。它是TCP協(xié)議的擴(kuò)展。設(shè)計MPTCP的初衷是在端到端的通信中使用多個鏈路，將數(shù)據(jù)流分發(fā)到多條傳輸路徑上，通過這種方式來提高網(wǎng)絡(luò)帶寬，并且能平衡擁塞。MPTCP能避免在擁塞的路徑上繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，這個目標(biāo)保證了吞吐量和公平性。利用MPTCP協(xié)議，移動設(shè)備可以同時連接多個AP，根據(jù)文中提出的切換機(jī)制來保證移動設(shè)備在切換時實現(xiàn)無縫切換的目標(biāo)。MPTCP的連接過程與TCP連接類似，采用“三次握手”，不同的是MPTCP在建立連接過程中增加一個OPT_MPC選項，用來表示MPTCP連接。MPTCP與傳統(tǒng)的TCP的不同之處是，在應(yīng)用層和傳輸層之間加入了支持多路徑傳輸?shù)腗PTCP層，如圖1所示，原TCP層只是對子流起作用，這樣從端到端的通信雙方來看，傳輸層仍是單路通信。MPTCP的主要功能是：將數(shù)據(jù)進(jìn)行分流，使子流在不同的鏈路上傳輸。所有子流到達(dá)目的端后，MPTCP再根據(jù)序列號和確認(rèn)號對子流進(jìn)行重組發(fā)給應(yīng)用層。

圖1 TCP與MPTCP對比

3 移動切換機(jī)制

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

文中的移動設(shè)備和服務(wù)器都支持MPTCP協(xié)議。文獻(xiàn)[5]已證明，當(dāng)設(shè)備使用多個接口進(jìn)行通信時會降低吞吐量。文中研究的主要目的是如何利用MPTCP實現(xiàn)無縫切換，以及在切換時保證鏈路的吞吐量。所以在文中，移動設(shè)備只使用兩個接口進(jìn)行通信。

圖2是系統(tǒng)架構(gòu)示意圖。控制器控制網(wǎng)絡(luò)中所有的OpenFlow交換機(jī)，AP與OpenFlow交換機(jī)相連，移動設(shè)備通過AP接入網(wǎng)絡(luò)。文中移動設(shè)備中的兩個接口分別連接一個AP，并且通信雙方都必須支持MPTCP協(xié)議。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.2 切換流程

一個切換過程是由切換觸發(fā)、切換決策以及切換執(zhí)行三個過程組成。系統(tǒng)切換流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)流程圖

由移動設(shè)備來觸發(fā)切換過程，當(dāng)設(shè)備監(jiān)測到周圍AP的RSS值比當(dāng)前AP的RSS值大時，首先設(shè)備需判斷應(yīng)用程序的優(yōu)先級，由于實時性應(yīng)用程序?qū)W(wǎng)絡(luò)要求較高，當(dāng)新舊RSS值的差相差大于10 dBm，移動設(shè)備發(fā)送切換請求信息(REQUEST_MESSAGE)到控制器。該信息包含網(wǎng)絡(luò)接口的相關(guān)信息、IP地址、MAC地址以及當(dāng)前AP的信息等。若為其他類型應(yīng)用，則需要新舊RSS值相差20 dBm時發(fā)送切換請求信息到控制器。由于只使用RSS值進(jìn)行切換決策有局限性，會產(chǎn)生乒乓切換[12]，產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)，它只考慮了當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的鏈路狀況和目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的鏈路狀況，并沒有從全局對網(wǎng)絡(luò)狀況進(jìn)行判定。所以文中所提出的切換機(jī)制，在控制器中還需要根據(jù)鏈路的丟包率以及網(wǎng)絡(luò)時延共同來決策是否進(jìn)行切換。當(dāng)設(shè)備監(jiān)測到周圍有多個目標(biāo)AP的RSS值大于當(dāng)前AP的RSS值時，發(fā)送到控制器的信息中包含所有AP的相關(guān)信息。由網(wǎng)絡(luò)控制器決定選擇哪個AP，以及是否進(jìn)行切換。由于控制器知道全網(wǎng)拓?fù)湟约熬W(wǎng)絡(luò)鏈路狀況，控制器可以基于全局的網(wǎng)絡(luò)信息來進(jìn)行決策，可以有效保證網(wǎng)絡(luò)整體性能，并且可以滿足應(yīng)用程序?qū)W(wǎng)絡(luò)的要求，能盡可能地利用網(wǎng)絡(luò)的帶寬，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源。

控制器根據(jù)多指標(biāo)切換算法決定移動設(shè)備的行為，該算法將在3.3節(jié)介紹。若控制器做出切換的決定，控制器首先通過設(shè)置OpenFlow交換機(jī)的隊列，不同速率的流量發(fā)往不同的隊列來實現(xiàn)[13]，使發(fā)往原AP的數(shù)據(jù)進(jìn)入速率最低的隊列，可以降低數(shù)據(jù)的發(fā)送速率，減少丟包率。通過多指標(biāo)決策算法求出一個新AP，然后控制器發(fā)送切換消息(REPLY_HANDOVER)到移動設(shè)備。該消息中包含移動設(shè)備要切換到新AP的信息，同時控制器向OpenFlow交換機(jī)下發(fā)流表，建立從目標(biāo)AP到服務(wù)器的路徑。由于此時移動設(shè)備的另一個網(wǎng)絡(luò)接口繼續(xù)保持與服務(wù)器的通信，使得一個接口在進(jìn)行切換時，應(yīng)用程序保持連接不中斷，可以實現(xiàn)平滑切換。若控制器決策是維持現(xiàn)狀，控制器只需要發(fā)送無動作消息(REPLY_NO_ACITON)到移動設(shè)備。

移動設(shè)備收到控制器發(fā)來的消息，執(zhí)行相應(yīng)的動作。切換過程結(jié)束。

3.3 多指標(biāo)切換算法

多指標(biāo)切換算法在利用RSS值的同時，又增加了其他指標(biāo)共同完成決策過程。該算法利用多個指標(biāo)進(jìn)行切換決策，能有效避免乒乓切換，降低切換次數(shù)。

在切換算法中使用了三個評判指標(biāo)：RSS、網(wǎng)絡(luò)時延和丟包率。利用RSS值觸發(fā)切換，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)時延和丟包率進(jìn)行切換決策，求出一個目標(biāo)代價最小[14]的目標(biāo)AP進(jìn)行切換。RSS值反映了當(dāng)前信道的狀況，RSS值越大說明使用該AP傳輸數(shù)據(jù)時信號損耗越小。網(wǎng)絡(luò)時延和丟包率反映AP所在鏈路網(wǎng)絡(luò)的性能，網(wǎng)絡(luò)時延和丟包率越小，說明鏈路的性能越好。文中將應(yīng)用程序分為兩大類：一類是實時性應(yīng)用程序，一類是非實時性應(yīng)用程序。每一類應(yīng)用程序的評判指標(biāo)在決策時有不同的權(quán)值，如表1所示。

表1 指標(biāo)權(quán)重

文中定義AP的代價如式(1)所示。

c(AP)=α·loss(AP)+β·d(AP)

(1)

式(2)為AP丟包率，表示的含義是從服務(wù)器到AP所在路徑的丟包率。

(2)

式(3)表示AP網(wǎng)絡(luò)時延，表示的含義是從服務(wù)器到AP路徑上所有鏈路的時延和。

(3)

其中：p為從服務(wù)器到AP的路徑；l為AP所在路徑的一條鏈路；loss(AP)為AP丟包率；loss(l)為鏈路的丟包率；d(AP)為AP的時延；α,β為表1中各個指標(biāo)的權(quán)重值。

該算法利用了一個閾值Thr，先從所有AP中計算代價最小的AP記為Cmin，再計算原AP的代價Cold與Cmin的差，再與閾值Thr進(jìn)行比較來決定相應(yīng)動作。

具體算法如下所示：

do計算相關(guān)AP的代價,并將其放入集合S中;while數(shù)據(jù)都存入集合S中求出S中元素的最小值Cmin;ifCmin≠?thenifCold-Cmin<0then發(fā)送REPLY_NO_ACTION到移動設(shè)備;elseifCold-Cmin<=Thrthen發(fā)送REPLY_NO_ACTION到移動設(shè)備;elsethen控制器向就AP所在鏈路的交換機(jī)發(fā)送流表,降低數(shù)據(jù)的發(fā)送速率,同時發(fā)送REPLY_HANDOVER消息到移動設(shè)備;end//算法結(jié)束

4 實驗結(jié)果及分析

文中搭建了一個SDN網(wǎng)絡(luò)環(huán)境測試床，移動設(shè)備裝有一個內(nèi)置的無線網(wǎng)卡和一個Wi-Fi無線網(wǎng)卡，并且移動設(shè)備和服務(wù)器安裝帶有MPTCP的32位Ubuntu12.04操作系統(tǒng)。實驗在一個有13個AP的樓道里進(jìn)行，并且AP間的間距分布不均勻。SDN控制器選擇了POX，該控制器是模塊化編程，方便在控制器中添加自己所需模塊，文中在POX控制器中添加了多指標(biāo)切換算法模塊。設(shè)定的閾值為Thr=0.05，并且在測試時，使用一些計算機(jī)連接在SDN網(wǎng)絡(luò)中互相通信，產(chǎn)生一定的背景流量。

文中比較了在TCP協(xié)議下以及在MPTCP協(xié)議下切換時的吞吐量，以及比較了基于RSS值切換算法與文中提出算法的切換次數(shù)。

第一個實驗選取了在一個切換中30s的數(shù)據(jù)。從圖4可以看出，使用傳統(tǒng)的單TCP協(xié)議在進(jìn)行切換時，在切換時會出現(xiàn)長達(dá)5s多的連接中斷，這對于實時性要求高的應(yīng)用程序是不能容忍的。而使用MPTCP進(jìn)行切換時,雖然吞吐量有所下降，但始終保持了通信的連續(xù)性。這是由于基于MPTCP協(xié)議的兩個接口，在進(jìn)行切換時一條鏈路進(jìn)行切換而另一條鏈路保持通信，這也是MPTCP協(xié)議的優(yōu)勢所在。使用該方案能保證高實時性應(yīng)用程序?qū)W(wǎng)絡(luò)的要求。

圖4 TCP與MPTCP切換時吞吐量對比

圖5比較了基于RSS閾值切換算法與文中多指標(biāo)切換算法的切換次數(shù)。統(tǒng)計了在210s的時間內(nèi)，兩個算法各進(jìn)行的切換次數(shù)。

圖5 基于RSS閾值的切換算法與多指標(biāo)切換算法的切換次數(shù)對比

從圖5中可以看出，基于RSS閾值的切換算法切換次數(shù)較多，這是因為它只考慮了當(dāng)前的信道狀況，而沒有考慮到當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的狀況以及目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的狀況。而文中的多指標(biāo)切換算法全面考慮了網(wǎng)絡(luò)的性能，只有RSS值和鏈路的狀況都滿足了要求時，才進(jìn)行切換，從而能顯著降低切換次數(shù)，減少乒乓效應(yīng)。

5 結(jié)束語

文中提出了在SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及MPTCP協(xié)議下的切換算法，解決了現(xiàn)有切換算法的連接中斷、效率低下等問題。利用文中提出的機(jī)制，實現(xiàn)了移動主機(jī)的無縫切換，并且保證了用戶在切換時的服務(wù)質(zhì)量，能有效提高切換時的網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

由于文中的地址是固定IP地址，實驗環(huán)境只是在范圍很小的局域網(wǎng)，并且只是在一個OpenFlow網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，沒有在更大范圍的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實驗。未來的工作就是將該機(jī)制應(yīng)用到更大范圍的網(wǎng)絡(luò)中，同時實現(xiàn)在多個OpenFlow網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行跨網(wǎng)切換。

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Mobile Handover Mechanism Based on MPTCP in SDN Environment

SUN Mao-xin,QIAN Hong-yan

(College of Computer Science and Technology,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 211106,China)

Handover of mobile equipment between different access points is an inevitable problem in the wireless network.There are many problems in the existing mobile handvoer mechanism,which cannot ensure the seamless handover,and have serious handover signaling overhead with long handover delay.How to satisfy the user’s quality of service and achieve seamless handover becomes a very worth of study in the field of wireless communication network.To improve the performance of the wireless network when roaming,in this paper,a mechanism of handover is proposed based on multipath TCP and software defined networking.It aims to achieve the seamless handover between different AP for mobile equipment and keeps high throughput of network in the handover process.In order to improve utilization and performance,the RSS,loss rate and delay are adopted to make handover decision,whcih can make full use of network bandwidth.Finally,the experiment shows that the proposed handover mechanism can achieve seamless handover and ensure QoS,avoiding the “ping-pong” effect and improving the network performance.

SDN;mobile handover;MPTCP;multiple parameters handover;seamless handover

2015-08-08

2015-11-17

時間：2016-05-05

江蘇省科技計劃項目(BY2013095-2-10)

孫茂鑫(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為無線網(wǎng)絡(luò)、SDN網(wǎng)絡(luò)；錢紅燕，副教授，研究方向為計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、無線通信、信息安全。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160505.0828.070.html

TP311

A

1673-629X(2016)06-0011-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.06.003