基于SDN的视频跨域专网实验设计仿真.pdf

第卷 第期 年月：基 于的 视 频 跨 域 专 网 实 验 设 计 仿 真孙 彦 景，和 孜 轩，张 晓 光，孙磊，江 艳 霞（中 国 矿 业 大 学信 息 与 控 制 工 程 学 院；信 息 化 建 设 与 管 理 处，江 苏 徐 州）摘要：软 件 定 义 网 络（）将 网 络 控 制 平 面 与 底 层 的 转 发 设 备 解 耦，为 新 型 互 联网 体 系 结 构 研 究 提 供 了 新 的 实 验 途 径。电 子 信 息 等 相 关 专 业 教 学 亟 须 基 于的 网 络 实 验 和 仿 真 案 例。构 建视 频 跨 域 专 网 实 验 平 台，采 用算 法 对 专 网进 行 网 络 流 量 控 制 实 验 设 计。结 合 通 信 网 络 教 学 常 用 的仿 真 软 件 进 行 了 实 验仿 真，测 试 了 典 型 业 务 场 景 的 网 络 性 能。仿 真 结 果 表 明，算 法 具 有 在 网 络 拥 塞时 改 善 端 到 端 时 延 的 能 力。关 键 词：软 件 定 义 网 络；仿 真；流 量 控 制；实 验 设 计中 图 分 类 号：文 献 标 志 码：文 章 编 号：（），（；，）：（），：（）；收 稿 日 期：基 金 项 目：国 家 自 然 科 学 基 金 项 目（）作 者 简 介：孙 彦 景（），男，江 苏 徐 州 人，博 士，教 授，主 要 从 事无 线 通 信 与 嵌 入 式 系 统 方 面 的 科 研 和 教 学 工 作。：；：引言云 计 算、服 务 器 虚 拟 化 等 技 术 的 兴 起 和场 景下 新 型 网 络 业 务 数 量 的 激 增 对 基 础 网 络 提 出 了 更 高 的要 求，传 统 分 布 式 交 换 网 络 存 在 扩 展 性 差、业 务 部 署 效率 低、资 源 分 配 方 式 不 灵 活 等 问 题。软 件 定 义 网 络（，）将 网 络 的 控 制 平 面与 底 层 的 转 发 设 备 解 耦，打 破 了 传 统 垂 直 集 成 网 络 控制 和 转 发 模 式，与 传 统 通 信 网 络 教 学 中 常 见 的“二层三 层”网 络 结 构 相 比，具 有 集 中 管 理、部 署 灵 活 等特 性。传 统 通 信 网 络 正 向架 构 过 渡，传 统 通信 网 络 核 心 课 程 实 验 独 立 规 划、独 立 教 学，造 成 知 识 结构 衔 接 不 够 紧 密，致 使 学 生 对 电 子 信 息 相 关 系 统 整 体理 解 不 完 整，掌 握 的 零 散 知 识 点 和 实 践 落 地 需 要 脱 节。为 减 少 教 学 内 容 与 实 际 场 景 的 割 裂 程 度，让 学 生 更 深第期孙 彦 景，等：基 于的 视 频 跨 域 专 网 实 验 设 计 仿 真刻 理 解 抽 象 的 网 络 概 念，增 强 工 程 实 践 能 力，急 需 构 建新 一 代 面 向通 信 网 络 场 景 化 的 教 学 实 践 平 台。控 制 器 通 过 南 向 接 口 控 制 底 层 设 备 转 发，网络 管 理 人 员 通 过控 制 器 对 网 络 设 备 进 行 配 置 和管 理，并 可 使 用 北 向 接 口 开 发 应 用 程 序 来 支 持 所 需 业务。虚 拟 扩 展 局 域 网（，）作 为 一 种技 术，能 在 不 大 规 模 更 换 现网 设 备 的 情 况 下 基 于层网 络 构 建 大层 网 络，在跨 域 数 据 中 心、工 业 生 产 等 场 景 中 发 挥 至 关 重 要 的 作用。与 传 统 隔 离 技 术相 比，能 在 跨越 任 意 地 域 构 建 大层 网 络 的 同 时 提 供 高 规 模 的 隔 离能 力，目 前 已 经 成 为 广 泛 使 用 的 网 络 虚 拟 化 技 术。随 着、等 无 线 技 术 的 发 展，视 频 业 务 增 长迅 猛。为 保 证 视 频 传 输 的 稳 定 性，现 有 视 频 业 务 大 多基 于协 议 传 输，各 类 视 频 业 务 流 量 常 常 有 随 机 性强、时 延 敏 感 等 特 征（如 人 脸 识 别，安 全 视 频 监 控，网络 会 议 等），的 拥 塞 控 制 特 性 在 网 络 拥 塞 时 会 导致 路 由 器、交 换 机 等 设 备 产 生现 象，导 致 网络 传 输 时 延 增 大。根 据 实 际 场 景 中 网 络 业 务 特 性 选 择相 应 的 流 量 控 制 策 略 具 有 很 强 的 现 实 意 义。（）算 法 能 控 制网 络 设 备 的 队 列 时 延，降 低 端 到 端 时 延，提 升 用 户 体 验质 量。新 兴 网 络 技 术 和 视 频 业 务 的 结 合 对 各 类 电子 信 息 系 统 及 应 用 提 出 了 新 的 挑 战，也 对 教 学 实 践 提出 了 新 要 求，有 必 要 在 相 关 教 学 环 节 结 合 主 流 设 备 增设 实 践 内 容，以 引 导 学 生 向 网 络 技 术 过 渡。基 于构 建 视 频 跨 域 专 网 教 学 实 验 平 台，采 用算 法 进 行 视 频 专 网 流 量 控 制 实 验 设 计 仿 真，在平 台 仿 真 测 试 典 型 视 频 业 务 场 景 的 网 络 性 能，分 析算 法 在 网 络 拥 塞 改 善 端 到 端 时 延 的 能 力。实 验 平台 可 用 于 通 信 网 络 相 关 场 景 化 的 研 究 和 教 学，并 支 持开 展网 络 和 流 量 控 制 的 相 关 研 究，进 行 信 息 与 通信 工 程 学 科 系 列 化 课 程 实 验 教 学。跨 域 视 频 专 网平 台 以 方 式 部 署分 布 式 网关。分 布 式 网 关 将的层 网 关 和层 网 关 同时 部 署 在 一 台设 备 上，相 对 于 集 中 式 网 关，有设 备 压 力 较 小、扩 展 能 力 较 强、转 发 路 径 较 优 等特 点。图所 示 为 跨 域 视 频 专 网 教 学 实 验 平 台 的 整 体网 络 结 构。网 络 主 要 承 载类 业 务，第类 是 安 全 监控 需 求 带 来 的 视 频 传 输 业 务。在 平 台 网 络 中，数 据 中心、中 所 有 网 络 摄 像 头 产 生 的 视 频 监 控 数 据 需 要传 输 至 数 据 中 心的 硬 盘 录 像 机 进 行 存 储，所 有 摄 像头 和 硬 盘 录 像 机 必 须 处 于 同 一 个 大层 网 络；第类业 务 为 人 脸 识 别，疫 情 防 控 要 求 在 集 中 核 酸 检 测 点 安装 人 脸 识 别 闸 机 并 为 人 员 身 份 核 验 提 供 网 络 保 障。出于 扩 展 性 考 虑，地 点处 的 人 脸 识 别 终 端 和 防 护 人 员都 通 过接 入 网 络，在 访 问 位 于 数 据 中 心的 服务 器 后，服 务 器 向 终 端 返 回 相 应 的 信 息。图跨 域 视 频 专 网 结 构 算 法在 参 照 视 频 专 网 场 景 实 验 原 型 平 台 的 基 础 上，为评 估 方 法 在 网 络 拥 塞 时 改 善 端 到 端 时 延 的 性 能，本 文在仿 真 平 台 采 用算 法 进 行 视 频 专 网 流 量 控制 实 验 仿 真。是 一 种 主 动 队 列 控 制 算 法，通 过 动态 改 变 随 机 丢 弃 概 率 来 使 设 备 的 队 列 时 延 在 人 为 设 置的 参 考 值 上 下 波 动。算 法 的 基 本 原 理 是 根 据 队 列时 延 的 变 化 趋 势 进 行 拥 塞 预 测，在 拥 塞 之 前 采 取 策 略来 降 低 设 备 队 列 的 时 延 和 抖 动，提 高 时 延 敏 感 型 应 用的 用 户 体 验 质 量。算 法 主 要 由部 分 组 成：入队 随 机 丢 弃、定 期 更 新 丢 弃 概 率 和 出 队 速 率 估 计。图为算 法 的 执 行 示 意 图。算 法 在 数 据 包 到 来 时 以 随 机 丢 弃 概 率 进 行 丢包，而 随 机 丢 弃 概 率 通 过 队 列 瞬 时 时 延 与 参 考 时 延 的差 值 和 时 延 变 化 趋 势 加 权 计 算 得 到。队 列 瞬 时 时 延 为第卷图 算 法 执 行 示 意 图队 列 长 度 除 以 平 均 出 队 速 率，定 期 更 新 队 列 时 延 和 平均 出 队 速 率，能 动 态 调 整 随 机 丢 弃 概 率，降 低 设 备 端 的队 列 时 延，改 善 网 络 总 体 端 到 端 的 时 延。在 估 计 平 均出 队 速 率 时，由 于 突 发 性 的、较 短 的 数 据 包 常 常 会 导 致空 队 列，致 平 均 出 队 速 率 的 估 计 产 生 较 大 偏 差，因 此 仅在 队 列 中 有 足 够 数 据 的 情 况 下 对 平 均 出 队 速 率 进 行 估计。算 法 具 体 执 行 过 程 如 下：算 法当到 达 时：以 随 机 丢 弃 概 率随 机 丢 弃。以为 周 期 更 新 随 机 丢 弃 概 率：（）估 计 瞬 时 的 队 列 时 延：（）根 据 当 前 的 丢 弃 概 率 得 到 调 优 步 长：，；，；，；（）计 算 丢 弃 概 率：（）（）；（）更 新 队 列 时 延：在出 队 时 估 计 出 队 速 率：（）判 断 是 否 处 于 一 个 合 理 的 估 计 周 期：（）如 果 满 足）中 的 条 件，计 算：（）一 旦 ，更 新 出 队 速 率 并 重 置 出队 计 数 器：；（）；其 中：为 采 样 时 的 队 列 时 延；为 队 列长 度；为 平 均 出 队 速 率；为 人 为 设 置的 队 列 时 延 参 考 值；为 上 一 次 采 样 得 到 的 队 列时 延；、为 静 态 配 置 参 数；反 映 当 前 时 延 与 期 望 时延 的 差 值 对 随 机 丢 弃 概 率 的 影 响 程 度，根 据 时 延 的变 化 趋 势 施 加 额 外 的 调 整 量；为 队 列 长 度的 阈 值，当 队 列 长 度 大 于 该 值 时 可 进 入 估 计 状 态；为 进 入 估 计 状 态 后 出 队 的总 数；为 指 数 加权 平 均 的 加 权 系 数；、分 别 为 网 络 运 行 的 时 间和 开 始 估 计 出 队 速 率 的 时 间。专 网 实 验 设 计 仿 真本 文 在仿 真 平 台 按 搭 建 视 频 专 网 场 景 实 验原 型 进 行 网 络 业 务 模 拟 设 计，采 用算 法 进 行 视 频专 网 流 量 控 制 实 验 设 计 仿 真。简 介是 一 种 由 编 写 的 新 型 开 源 网 络 仿 真 工具，高 度 还 原 各 类 通 信 协 议 的 具 体 实 现，它 为 用 户 提 供研 究 特 定 网 络 和 协 议 并 仿 真 相 关 通 信 行 为 的 方 法。不 断 增 加 对 各 种 新 型 网 络 协 议 和 场 景 的 支 持，在仿 真 过 程 中，用 户 可 根 据 自 身 的 需 要 部 署 特 定 的 网 络环 境，选 择 或 设 计 合 适 的 网 络 协 议 进 行 仿 真。近年 来，仿 真 工 具 逐 渐 被 应 用 到 各 类 通 信 网 络 教 学和 科 研 项 目 中，。网 络 业 务 模 拟 设 计图为 参 照 实 际 部 署 在中 完 成 的 网 络 仿 真结 构，其 中 路 由 协 议 采 用协 议，表列 出 了 网 络中 各 节 点 之 间 的 信 道 类 型 及 参 数。图 中“用 户”节 点 的 移 动 模 型 为，此 模型 能 模 拟 用 户 步 行 的 场 景，速 度 为（）之 间 的随 机 值，移 动 方 向 为 之 间 的 随 机 值。其 他 节 点位 置 均 固 定。信 道 的 时 延 和 损 耗 模 型 分 别 为 和。网络中分别使用、应 用 程 序模 拟 视 频 流 传 输 和 人 脸识 别 业 务。应 用 程 序 模 拟 视 频 流 应用 的 数 据 发 送 过 程，它 引 入 了 的 概 念，即 在应 用 开 始 运 行 的 一 段 时 间 内，通 过 发 送 比 预 期 数 量 更多 的 数 据 流 在 客 户 端 中 占 据 一 个 缓 冲 器，目 的 是 在 一定 程 度 上 减 小 由 于 网 络 延 迟 或 抖 动 所 带 来 的 视 频 流 延迟。图为数 据 发 送 速 率 图，表为 相 关 参 数 设 置。在 统 计 数 据 时，发 送 速 率 是 利 用 该时 刻 数 据 记 录 值 与 该 时 刻 之 前 次 数 据 记 录 之 和取 时 间 平 均 得 到 的，所 以 图中 运 行 开 始 的 一 段 时 间内 没 有 对 应 数 据。第期孙 彦 景，等：基 于的 视 频 跨 域 专 网 实 验 设 计 仿 真图 仿 真 实 验 网 络 结 构图 应 用 程 序 数 据 发 送 速 率表 应 用 程 序 参 数 设 置参 数参 数 值视 频 分 辨 率 场 景 运 行 时 间 的 基 本 工 作 原 理 是 应 用 程 序 开始 运 行 之 后 在“”和“”状 态 之 间 来 回 切 换，处 于“”状 态 时，应 用 程 序 不 发 送 报 文；处 于“”状 态时，发 送 恒 定 速 率（）报 文，此 过 程 与 人 脸 识 别 闸机 的 工 作 流 程 类 似。图为的 数 据发 送 速 率，表为 相 关 参 数 设 置。表 应 用 程 序 参 数 设 置参 数参 数 值（）“”和“”状 态 持 续 时 间 比运 行 时 间 图 应 用 程 序 数 据 发 送 速 率 通 过可 视 化 界 面 能 观 察 视 频 流 的 传 输 路径，图为 数 据 中 心中 网 络 摄 像 头 向 硬 盘 录 像 机 传输 数 据 的 情 形，在判 断 需 要层 转 发 后，发 送 给核 心 交 换 机，经 过层 转 发 后 到 达 异 地 的 硬 盘 录 像 机。图所 示 为 无 线 接 入 部 分 的 视 频 流 传 输 路 径。由 人 脸图数 据 中 心视 频 监 控 流 传 输 路 径图人 脸 识 别 客 户 端 流 传 输 路 径第卷识 别 客 户 端 发 出 的 数 据 流 经 过 核 心 交 换 机层 转 发 后到 达 数 据 中 心的 人 脸 识 别 服 务 器，之 后 服 务 器 向 报文 的 源 地 址 返 回 相 关 信 息。通 过模 块 可 跟 踪 网 络 中 每 个 数 据 流，进 而 统 计 相 关 信 息。按 表设 置 链 路 参 数 且 应 用 程 序参 数 分 别 按 表、设 置 后，可 得 表网 络 性 能 测 试 结果，符 合 预 期。表网 络 链 路 协 议 及 参 数 设 置链 路信 道 协 议带 宽（）时 延 核 心 交 换 机 核 心 交 换 机汇 聚 交 换 机 核 心 交 换 机接 入 交 换 机 汇 聚 交 换 机摄 像 头 接 入 交 换 机硬 盘 接 入 交 换 机服 务 器 接 入 交 换 机人 脸 识 别 终 端 由 信 道 模 型 决 定表网 络 性 能 测 试 结 果丢 包 率平 均 吞 吐 量（）端 到 端 平 均时 延 端 到 端 平 均 时 延抖 动 流 量 控 制 实 验 设 计当 网 络 中 应 用 程 序 产 生 的 并 发 数 据 量 过 大 时，核心 交 换 节 点 会 出 现 拥 塞，端 到 端 时 延 无 法 得 到 保 证。在 部 署算 法 后，能 显 著 降 低 网 络 设 备 的 队 列 时 延，而 减 少 端 到 端 时 延。设 置 所 有应 用的 发 送 速 率 为（），并 设 置 核 心 交 换 机 之 间链 路 带 宽 为（）时，网 络 会 产 生 拥 塞。设 置算 法 的参 数 为，拥塞 控 制 算 法 为，设 备 队 列 缓 存 为 ，测 得 数 据 中 心汇 聚 交 换 机 队 列 时 延 变 化 情 况 如 图所 示，对 比内 核 默 认 启 用 的队 列 管 理算 法，能 很 好 地 观 察 到算 法 对 拥 塞 时 网 络 设 备 队列 时 延 的 控 制 效 果。图 与队 列 时 延 对 比 算 法 能 根 据 参 考 时 延 自 适 应 地 调 整 丢 包 率 来满 足 时 延 要 求，图、分 别 为 参 考 时 延 设 置 为、时 的 队 列 时 延 情 况，符 合 预 期。图参 考 时 延 为 时 的 队 列 时 延图参 考 时 延 为 时 的 队 列 时 延结语本 文 基 于构 建 了 视 频 跨 域 专 网 综 合 实 验 平台，使 用技 术 构 建 视 频 跨 域 专 网，运 用仿真 软 件 针 对 典 型 的 视 频 流 业 务 场 景 进 行 性 能 测 试，并采 用算 法 进 行 网 络 流 量 控 制 实 验 设 计 仿 真。通 过网 络 结 构 设 计 和 算 法 仿 真，能 锻 炼 学 生 面 向 实 际 网 络场 景 的 工 程 实 践 能 力 和 综 合 分 析 能 力。将 理 论 和 实 践相 结 合，有 利 于 衔 接 电 子 信 息 工 程 专 业 学 生 的 知 识 体系，并 加 强 学 生 对 网 络 系 统 的 理 解。参 考 文 献（）：付 永 红，毕军，张 克 尧，等软 件 定 义 网 络 可 扩 展 性 研 究 综 述通 信 学 报，（）：胡 国 强基 于和 物 联 网 的 多 媒 体 教 室 智 能 网 络 的 构 建 实 验 室 研 究 与 探 索，（）：刘超，包 建 荣，李杰，等基 于 软 件 定 义 网 络 的 拓 扑 比 较 工 具设 计 与 实 现 实 验 技 术 与 管 理，（）：叶进，冯 露 葶，何 华 光，等基 于 虚 拟 化 技 术 的 软 件 定 义 网 络 实验 教 学 方 案 实 验 室 研 究 与 探 索，（）：杭 州 华 三 通 信 技 术 有 限 公 司 技 术 白 皮 书 ：魏 雪 梅基 于的 跨 数 据 中 心 虚 拟 机 动 态 迁 移 组 网 设 计实 现 兰 州：兰 州 大 学，华 为 技 术 有 限 公 司什 么 是：？（下 转 第页）第卷果 如 图所 示，可 见 从 年，学 生 对 课 程 的满 意 度 逐 年 提 高，不 满 意 占 比 为，对 课 程 十 分 满 意 的学 生 逐 步 达 到以 上，取 得 了 较 好 的 教 学 效 果。在课 程 结 束 后，学 生 能 够 熟 练 使 用智 能 车 建 图、避障、通 信、导 航、巡 线 等 功 能，对 自 动 控 制 与 汽 车 理 论 知识 的 结 合 有 一 个 较 为 深 入 的 了 解，为 以 后 智 能 汽 车 相关 知 识 的 学 习 打 下 了 良 好 的 基 础。图学 生 满 意 度 调 查 结 果结语智 能 汽 车 是 汽 车 产 业 发 展 的 前 沿 和 战 略 方 向，我国 亟 缺 该 领 域 的 相 关 人 才，尤 其 是 具 有 实 践 能 力 和 创新 能 力 的 新 工 科 人 才。本 文 以 我 院 智 能 汽 车 教 学 和 课程 成 果 为 基 础，设 计 了智 能 车 创 新 性 实 验 课，包括 自 动 导 航 实 验、自 动 巡 线 实 验、开 放 自 主 性 实 验 等个 实 验，并 依 托 我 校 首 门 智 能 汽 车 专 业 课 程 汽 车 智 能化 技 术 开 展 了 实 验 教 学，取 得 了 良 好 的 教 学 效 果，提 高了 学 生 的 实 践 能 力 和 创 新 能 力，深 受 学 生 喜 爱。参 考 文 献（）：节 能 与 新 能 源 汽 车 技 术 路 线 图 战 略 咨 询 委 员 会，中 国 汽 车 工 程学 会节 能 与 新 能 源 汽 车 技 术 路 线 图 北 京：机 械 工 业 出版 社，国 家 发 展 和 改 革 委 员 会智 能 汽 车 创 新 发 展 战 略 发 改 产业 号朱冰，赵健，高 振 海，等智 能 汽 车 新 工 科 人 才 培 养 实 践 教学 体 系 探 索 实 验 室 研 究 与 探 索，（）：郭 志 立新 时 代 背 景 下 新 工 科 助 力 新 产 业 创 新 发 展 的 路 径 探 索职 业 技 术 教 育，（）：张 万 枝，张 则 栋，白 文 静，等新 工 科 背 景 下 车 辆 工 程 本 科 专 业人 才 培 养 方 案 探 究 汽 车 实 用 技 术，（）：孙涛，冯 玉 田基 于 改 进 粒 子 群 最 优 化 算 法 的研 究工 业 控 制 计 算 机，（）：张 吉 圭，杨 艳 龙，曹 泽 洪，等基 于和 激 光 雷 达的 自主 导 航 智 能 车 设 计 智 能 物 联 技 术，（）：冯 佳 萌，裴东，邹勇，等基 于 机 器 人 激 光 定 位 的 一 种 改 进算 法 激 光 与 光 电 子 学 进 展，（）：杜 星 星复 杂 环 境 下 无 人 车 局 部 路 径 规 划 问 题 研 究 长 沙：国 防 科 学 技 术 大 学，张涛，陈璋，李 玉 梅，等融 合 改 进算 法 与 动 态 窗 口 法的 机 器 人 避 障 研 究 仪 表 技 术 与 传 感 器，（）：曹 树 星基 于的 直 道 车 道 线 识 别 技 术 研 究 汽 车 实用 技 术，（）：刘 泓 利基 于特 征 融 合 的 物 体 识 别 方 法 研 究 长春：东 北 师 范 大 学，周阳，周 美 娇，殷弋直 流 电 机 调 速 系 统 设 计 及参 数 整定 电 子 科 技，（）：朱 威 冲，曹 飞 红，贺 龙 钊，等基 于 操 纵 稳 定 性 无 人 驾 驶 转 向 速度 控 制 策 略 设 计 方 法 拖 拉 机 与 农 用 运 输 车，（）：汪震，郑 晋 军，王 雨 蒙，等基 于循 环 对 车 辆 工 程 专 业开 放 性 实 验 教 学 的 改 革 与 探 索 实 验 技 术 与 管 理，（）：檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿（上 接 第页），：（），：，：，（），：，：，（）：，：，（），：，：姜 雨 菲，梁 向 阳复 杂 混 合 网 络 中 拥 塞 控 制 算 法 仿 真 实 验 设 计实 验 技 术 与 管 理，（）：孙 彦 景，陈岩，芦 楠 楠，等无 线 通 信 与 网 络 系 统 性 仿 真 实 验 设计 实 验 技 术 与 管 理，（）：（），：，：