1.1 研究背景与意义
当前通信领域的业务量不断增加，技术快速更新，人们不只是满足于单一的音频业务，对视频业务的需求不断增加。直播视频吸引越来越多人的眼球，视频教育发展迅猛，受到许多人的关注，视频通信业务在通信领域占据十分重要的地位。 在当前网络业务中，视频业务所携带的内容更加丰富，所呈现出来的信息能够满足用户需求，因此备受用户喜爱。另外，视频在网络传输技术的和内容缓存的研究更加深入，使得视频流媒体在通信领域的发展更加快速，已经成为人们更容易也更乐意接受的一项服务。有资料分析，视频业务的流量在目前网络所有业务流量中占了一半，未来几年将增加到 70%左右。 根据图 1-1 中商产业研究院统计及预测，2017 年中国移动视频用户规模达 6.18 亿人，同比增长 17.3%，2018 年中国移动视频用户规模将达 6.95 亿人，同比将增长 12.5%，预计未来两年的用户规模将呈大幅增长趋势。视频流媒体在网络中传输，遇到的主要难题是：视频流媒体本身是突发的，再加上多路视频流叠加后，可能引起网络的严重拥塞，降低视频流的传输质量。拥塞等情况的出现也会影响到链路性能，就更容易造成视频流的丢包现象。 用户更加愿意接受高速、清晰和流畅的视频服务质量，但是由于当前网络采用分布式的架构，无法在全局范围有效地调度流量，在大量视频业务请求叠加时，容易造成网络传输的拥塞，造成视频数据包丢失，严重影响视频的服务质量，最终影响用户的体验质量。学者们致力于研究在有限的带宽资源的条件下，如何使得网络服务质量与用户的体验质量同时得到提高，是一项具有很高价值的研究内容。
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1.2 研究现状
现有的视频流媒体路由选择方法往往把视频当成简单的比特码流，忽略了用户的视觉需求和视频内容本身所包含的丰富信息。视频作为一种典型的多媒体数据类型，具有与常规字符数据完全不同的特性，如感知特性和时间、空间特性等。因此，视频流媒体路由选择算法需要在常规网络路由算法的基础上同时考虑视频的视觉感知特性。 网络中的路由问题一直以来都是人们关注的焦点，其重要性不言而喻，在新的网络架构和新的技术发生改变的情况下，其也要顺应趋势不断改进和完善。数据中心网络结合 SDN 技术的优势已经显现出巨大的潜力，同时，在新的网络架构中，路由算法的性能在不断增加的用户需求与更高的服务质量要求的条件下也面临着巨大的挑战，因此，有必要根据数据中心网络特征，引入 SDN 技术对路由算法不断进行优化与改进，进而满足多路径传输、大规模网络融合和节能等要求。 在网络传输中，路由策略的研究一向是学者们较为重视的一个问题，这方面的研究成果也颇具规模。目前的路由策略研究无非是在多条路径中找出传输质量满足特定业务需求的那一条路径，提高传输的满意度与有效性，能够提升网络全局范围的资源利用情况。传统网络的节点间的路由由于采用的是分布式的计算原则，算法的扩展受到一定的限制。与之相反，SDN 技术拥有全局网络拓扑视图，并对底层网络进行集中控制与调度，使得路由算法的性能得到极大的提升，网络的传输效果也明显改善。这是因为 SDN 技术具有以下优势[2]：SDN 控制层能够拥有底层网络的拓扑视图，并对其控制范围内的交换机进行集中控制，能够很大程度对路由算法进行优化，忽略路由算法的复杂度与收敛性。控制层面每隔一定的时间就向交换机发送链路状态请求信号，收集网络的拓扑与链路流量信息并存储起来，根据这些信息，对不同服务质量要求的网络流进行不同的路由选择，完善流量的调度和管理。
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第 2 章 相关技术原理介绍
2.1 流媒体相关技术概述
最大程度满足用户的视频观看质量的需求是一项很有挑战性的工作。流媒体本身具有数据包传输连续、数据量大的特点，给网络的传输带来更大的负担。为了保证视频服务质量能够更好满足用户的需求，有必要对视频流媒体的特点和传输原理进行深入研究，这样才能有效解决当前视频流媒体传输存在的问题。视频在网上传输时，视频文件和内容一般都需要全部在接收端接收完的，才能进行观看。此策略能够实现多媒体业务在互联网上的传输，然而它有以下 3 个弊端：第一，多媒体服务尤其是视频业务的数据量比较大，由于目前网络的接入带宽还不是很理想，远远不能满足用户的需求，导致视频的下载需要很长时间。第二，将视频数据保存在客户端需要消耗大量的计算机内存空间。第三，用户下载完视频文件后，可能以其它目的进行传播，极大损害视频制作方的知识产权。 “流式传输”这个概念是为了解决上述问题而提出来的[35]。就像计算机利用缓存暂时保存文件一样，能够有效提高工作效率，流式传输也是基于这个思想，在客户端引入缓冲区，保存部分视频内容，使得视频服务质量问题得到有效解决。流式传输利用压缩手段把视频多媒体文件压缩成很多压缩包，从发送端实时不间断地往接收端进行传输。 利用流式传输技术，用户不需要等待整个视频文件在客户端接收完就能观看视频内容，只需要经过初始时的延迟启动后，通过多媒体播放软件就能把压缩后在信道中进行传输的视频流进行解压后播放，而视频的剩余内容也会在用户观看的同时进行传输。流式传输一方面使得缓存空间变小，另一方面使得视频初始化的延迟减小到以前的十分之一到百分之一。 流媒体是指在网络中，像视频、音频这些多媒体业务，能够利用流式技术进行传输。因此，流媒体是互联网网络中以特殊方式进行传输的多媒体。适合流式传输的多媒体技术一般都要经过特殊的处理或者加工。
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2.2 软件定义网络的相关知识
SDN（软件定义网络）[37][38]的主要思想是把控制平面与数据平面分离，使得两者功能完全独立。利用控制平面的集中控制的优势，对底层数据平面进行统一管理与控制。实现可编程接口，这样用户可以根据自己的需求改变控制器的控制逻辑功能。因此，控制平面与数据转发平面分离、集中控制与可编程是广义 SDN 所具有的 3 个重要特征。 SDN这种架构体现出强大的开放性，其实现全局范围内的网络抽象化，用户可以调用其接口实现自己的功能组件。传统网络架构对外呈现出一个黑盒子的形式，用户对于底层链路的拓扑信息与流量状态是不知晓的，网络工程师也难以有效地进行控制管理。与传统网络不同，SDN技术为用户提供方便的可编程接口，这样用户能够按照自己的想法构造自己的功能组件，实现网络的控制管理功能。此外，SDN接口协议标准化也体现出SDN在设计时对开放性的追求，按照其最初的设计思想，非常希望能够通过使用标准化的协议来打破某些厂商对设备、协议以及软件的垄断，从而使更多的研究者可以参与到网络设备和软件相关的研发工作中来。 总而言之，SDN就是一种新型网络架构、设计理念。
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第 3 章 基于 Open Flow 的视频流媒体 Qo S 路由 ..........19
3.1 研究 Qo S 的背景与意义 ......19
3.2 Qo S 度量参数的选择标准与属性划分......20
3.2.1 Qo S 度量参数的选择标准 ......20
3.2.2 Qo S 度量参数的属性划分 ......21
3.3 Qo S 参数的数学建模与测量原理 .............22
3.4 Qo S 路由算法实现框架 ........27
3.4.1 网络拓扑发现....28
3.4.2 链路 Qo S 参数测量 .....30
3.4.3 路由选择部署....33
3.5 本章小结..........35
第 4 章 基于 Open Flow 的视频流媒体 Qo E 路由 ..........36
4.1 Qo E 简介 ..........36
4.2 Qo S 与 Qo E 的关系 ....37
4.3 BP 神经网络 .....39
4.4 Qo E 路由选择.............40
4.5 本章小结..........47
第 5 章 实验仿真与结果分析 ..........49
5.1 实验平台搭建 ............49
5.2 实验仿真与结果分析 ...........51
5.3 本章小结..........64
第 5 章 实验仿真与结果分析
5.1 实验平台搭建
Ryu 是由日本 NTT 公司贡献的基于组件的开源 SDN 框架，采用 Python 语言开发。由于 Ryu 是目前为止少数几个支持 Open Flow1.4 以上版本的开源 SDN 控制器之一，因此在业界知名度相当高，有不少商业应用案例。通过官方发布的文档可以看出，Ryu 确实是一款实用性较强的 SDN 控制器，它集成了大量有用的组件，用于完成控制转发设备、获取网络状态和生成事件等任务，用户可以基于这些组件灵活构建自己的 SDN 应用程序，能够灵活修改系统组件，实现自己需要的组件模块。Ryu 支持多线程，采用语言无关的消息传递机制进行通信，这使得用户的软件经过少量的修改即可成为 Ryu 的组件。Ryu 系统架构如下图所示。与其它控制器相比，Ryu 在北向接口方面具有较大的灵活性，允许用户基于 REST或者 RPC 自定义 API，提供 Neutron Plugin，支持 Open S
