CN107395506B - 一种传输时延优化的服务功能链部署方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传输时延优化的服务功能链部署方法，以降低服务功能链的时延为主要目标而进行服务功能链的部署，结合网络功能的合并和拆分，同时寻求延迟最低的部署路径。本发明在传输延迟问题运用了合并拆分算法，并建立了合并拆分模型，同时提出了全新的寻找最短路的算法，能够同时寻找到最短的p条路径进行服务功能链的部署。本发明在实现降低服务功能链时延的基础上，实现了更高的接受率和更短的部署服务功能链的响应时间。此外，本发明还能防止资源的碎片化，维持网络的健壮性。

Description

一种传输时延优化的服务功能链部署方法

技术领域

本发明属于网络传输时延优化技术领域，具体涉及一种传输时延优化的服务功能链部署方法的设计。

背景技术

在传统的网络中，网络管理人员将众多网络功能直接部署在特定的硬件设备上，如网络地址转换，负载均衡，防火墙，网关和入侵检测系统等等。而这样的部署方案导致整个网络的僵化，使得整个网络难以跟随着时代、技术的发展而迅速地改变和适应。同时，为每个网络用户所需的网络功能都部署相应的硬件也将导致消耗大量的人力和资源成本，整个网络过于臃肿和昂贵，不利于网络社会的发展。并且，随着时代和技术的快速发展，网络用户呈几何级的增长，用户所需要的网络功能的数量和种类也将大幅度的增长，一种能够便捷快速的根据需求部署网络功能的技术显得尤为必要。在这样的社会和技术背景下，网络功能虚拟化技术孕育而生。在网络功能虚拟化中，网络管理人员将网络功能从传统的硬件设备中脱离出来，转而运行在虚拟机上，并且通过虚拟机实现与传统的网络功能硬件完全一样的功能，通过灵活地部署虚拟机和在虚拟机上运行的网络功能，解除了传统网络中网络功能和网络设备的一一对应关系，实现了网络功能根据需求灵活部署。运行在虚拟机上的网络功能又叫做虚拟化的网络功能(VNF)。

服务功能链(SFC)则是一系列的网络功能根据用户的需求而按照特定的顺序排列起来的网络功能序列，服务功能链将单一的网络功能串联起来，形成一个整体，综合的为特定网络用户提供网络服务。VNF运行在虚拟机，处于共享状态，任何用户只需要取得虚拟机的运行权限则可以使用该项VNF，而SFC是为特定的用户搭建的，被SFC占用的资源处于一种“专属”状态，只有特定的用户有权限使用该条SFC及其承载的VNF，一旦该用户终止使用，相应的SFC也将撤销，共享原本被“专属”的底层网络资源。

网络功能虚拟化技术使得网络运营商能够更便捷高效的管理网络基础设施，并在商业服务器上实例化网络功能。通过网络功能虚拟化技术，网络基础设施提供者将原本部署在特殊的网络设备上的应用虚拟化，虚拟机上能够更加灵活的部署虚拟化的网络功能。将原本专属的网络基础设施变为共享的网络资源，网络基础设施可以在不同的时隙上部署不同的虚拟化的网络功能，组成不同的服务功能链以服务不同的用户，因此能极大的提高底层的物理资源的利用率，节约因需求的日益增长而带来的新设备的采购成本。网络运营商根据不同用户的多样化的请求和底层网络拓扑的不同而灵活多变的部署和成链虚拟化的网络功能，网络的功能变得更加的多样化。网络功能虚拟化减少了一些不适用的网络功能的部署和相应的部署成本和开销，让网络变得更加的合理和健壮。最主要的是，网络功能虚拟化可以极为便捷地为用户定制服务，开启定制化网络的潮流，并带来广泛的商业前景，并促进其商业化及发展。与部署在传统硬件上的网络功能相比，虚拟化的网络功能增加了策略遵从性能力，将促进一些新颖的网络功能的出现，以及网络功能虚拟化自身的发展。网络功能虚拟化在资源利用率和“定制化”服务方面给网络带来了很多优化和改进。它可以显著地减少资源部署的资本支出和网络的运营支出，并伴随性能改善的优点，如延迟减少、带宽消耗减少和适应性的增强。因此，服务功能链的高效部署为网络虚拟化提供了有效的部署，使网络变得更加智能和便捷。

网络功能虚拟化技术给网络运营商和用户带来了极大的使用便利，推动了网络技术不断的向前发展，但与此同时，网络功能虚拟化技术还不够完善，有许多方面还需要研究人员去解决和提高。比如，随时的在一个网络拓扑中实现“共享”资源的时隙“专属”化，完成服务功能链的成功部署是整个技术能否实用和推广的最核心的方面，因此我们需要不断的提高整个部署服务功能链的策略，保证其成功率，为用户提供可靠的服务；根据用户的需求，部署算法能够寻找到一条延迟最小的链路为用户提供优质的服务，让用户感受新技术所带来的便捷；尽可能的减小部署和运行服务功能链的开销，提高整个网络的承载能力，从而减少中间件的数量，节约网络基础设备建设的费用，为网络运营商带来利益，推动整个技术的推广。服务功能链的安全保密性时刻影响着用户的信息安全，未经授权的用户和管理人员将不能够获取在通过服务功能链传输的信息，保障用户的信息安全。

当网络运营商收到每条服务功能链的请求时，其采用的策略不仅仅要满足用户的各式各样的要求，同时还需要考虑网络资源的利用效率和部署的服务功能链的质量和性能。尽量用最少的网络底层资源来实现服务功能链的部署，减小成本，提高运营收益，竭尽全力为用户提供性能可靠，安全保密性有保障的服务。在各种性能的指标中，服务功能链的网络延迟是至关重要的，是服务质量的重要保障，其将深深的影响用户的体验感。服务功能链延迟能不能做到很小是判断一个服务功能链部署策略的重要标准。

在目前，有着许多解决传输延迟的技术方案，经典的djstra算法就是其中的一种，djstra算法通过标识网络中的每个节点到起始点的传输延迟，和相关的路径信息。对每个网络节点的信息不断的进行更新，确保标识的传输延迟始终是最小的传输延迟。在部署服务功能链的时候直接进行传输延迟最小的路径进行部署。djstra算法虽然能够找到最小的传输延迟的路径，但是服务功能链的部署还有几天的限制，多数情况下，传输延迟最小的路径往往不能部署相应的服务功能链。而djstra算法只能提供传输延迟最小的路径，一旦该路径判定为不适合该服务功能链，则distra算法不能再找到其他路径进行部署。

有研究人员提出一种启发式引导的整数线性规划的算法来解决这个问题，通过对整个问题的建模进行求解。同时通过启发式算法来优化其运算的时间，减小部署算法的复杂度，实现了服务功能链的较优部署。该方法虽然在整数线性规划中引入了启发式引导，但对于时间上的开销还是比较大，部署的实效性并不是很高。同时该方法并没考虑到利用现有的技术对服务功能链进行改造，让服务功能链和底层网络相互适应，使得部署延迟进一步的降低。

发明内容

本发明的目的是为了解决在较小服务功能链延迟的优化目标下如何成功的部署服务功能链请求的问题，提出了一种传输时延优化的服务功能链部署方法。

本发明的技术方案为：一种传输时延优化的服务功能链部署方法，包括以下步骤：

S1、根据目标底层网络拓扑，构建服务功能链请求集合SFC_set，并计算网络节点资源评估值

以及网络链路资源评估值

S2、采用合并拆分算法对SFC_set中每条服务功能链进行合并拆分。

其中，步骤S2具体包括以下分步骤：

S21、从SFC_set中选择一条服务功能链S_k；

S22、针对S_k中每个虚拟网络功能，判断其能否拆分，对能够拆分的虚拟网络功能进行拆分；

S23、针对S_k中每相邻的两个虚拟网络功能，判断其能否合并，对能够合并的相邻虚拟网络功能进行合并；

S24、将进行合并拆分后的虚拟网络功能进行重新组合，形成一条新的服务功能链。

S3、根据合并拆分后的服务功能链更新SFC_set。

S4、采用最短路算法计算得到目标底层网络拓扑中最短的p条路径。

其中，步骤S4具体包括以下分步骤：

S41、从SFC_set中选择一条服务功能链S_k；

S42、设置S_k中请求客户端节点的“路由表”各数值为0；

S43、模拟路由广播协议进行“路由表”的交流；

S44、更新每个节点的“路由表”，记录p条到请求客户端节点的最短路径；

S45、等待每个节点的“路由表”趋于稳定；

S46、寻找目标客户端节点的“路由表”，并得到目标客户端节点到请求客户端节点的最短的p条路径。

S5、在p条路径中选择能够部署的传输延迟最小的路径进行服务功能链部署。

S6、根据步骤S5的部署情况调整

和

S7、判断SFC_set中的服务功能链是否全部部署完毕，若是则部署结束，否则返回步骤S2。

本发明的有益效果是：

(1)传输延迟低：本发明充分利用合并和拆分，并通过寻找一条实际可行的最短路来进行服务功能链的部署，得到的最终的传输延迟得到了大大的改善。

(2)低阻塞率：本发明通过合并拆分并同时寻找到最短的p条路径进行服务功能链的部署，极大的提高了成功部署服务功能链的几率，降低了相应的阻塞率。

(3)资源碎片化治理：本发明通过合并和拆分，将一些开销过大或过小的虚拟网络功能进行合并和拆分，使得网络功能与底层网络拓扑的资源更加的协调，避免了资源的碎片化。

附图说明

图1所示为本发明实施例提供的一种传输时延优化的服务功能链部署方法流程图。

图2所示为本发明实施例步骤S2的分步骤流程图。

图3所示为本发明实施例步骤S4的分步骤流程图。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。

本发明实施例提供了一种传输时延优化的服务功能链部署方法，如图1所示，包括以下步骤S1-S7：

S1、根据目标底层网络拓扑，构建服务功能链请求集合SFC_set，并计算网络节点资源评估值

以及网络链路资源评估值

其中，网络节点资源评估值

的计算公式为：

其中N为目标底层网络拓扑的节点集合，|N|表示目标底层网络拓扑的节点数目，n_j表示N中的网络节点，

表示与节点n_j相连的链路的跳数，

表示节点n_j拥有的资源。

网络链路资源评估值

的计算公式为：

其中|N|表示目标底层网络拓扑的节点数目，L为目标底层网络拓扑的链路集合，|L|表示目标底层网络拓扑的链路数目，l_x,y表示L中的链路，d_lx,y表示链路l_x,y的传输延迟，Re_lx,y表示链路l_x,y上的带宽资源。

公式(1)和公式(2)运用到概率论的相关知识，公式(1)是对现网络节点资源进行一个简单的评估，公式(2)是对现网络链路资源进行一个简单的评估。

S2、采用合并拆分算法对SFC_set中每条服务功能链进行合并拆分。

如图2所示，步骤S2具体包括以下分步骤S21-S24：

S21、从SFC_set中选择一条服务功能链S_k。

S22、针对S_k中每个虚拟网络功能，判断其能否拆分，对能够拆分的虚拟网络功能进行拆分。

判断每个虚拟网络功能能否拆分的公式为：

公式(3)探究了每一个虚拟网络功能是否需要进行拆分的操作，拆分完后，虚拟网络功能的作用变为多个网络功能来实现，以此来实现更好的一些对资源开销较大的虚拟网络功能的部署。

其中f_k,i为S_k中第i个网络功能，N为目标底层网络拓扑的节点集合，L为目标底层网络拓扑的链路集合，n_j表示N中的网络节点，l_x,y和l_p,q表示L中的两个不同链路，

表示判断f_k,i能否进行拆分的函数，

表示f_k,i的拆分资质，

表示f_k,i部署在节点n_j上所产生的节点资源开销，

表示虚拟网络链路e_k,i部署到底层网络的l_x,y上产生的链路开销，e_k,i为S_k中第i条网络链路，

表示对S_k的虚拟网络功能开销的评估，其计算公式为：

公式(4)表示对该条服务功能链的虚拟网络功能的资源开销的评估，体现了该条服务功能链对网络中节点的资源能力的要求。

表示对S_k的虚拟链路开销的评估，其计算公式为：

公式(5)表示该条服务功能链的虚拟链路的带宽开销的评估，是虚拟链路对底层网络链路的带宽资源能力的要求。

其中|S_k|表示S_k中包含的网络功能的个数。ε(·)为阶跃函数，其具体公式为：

S23、针对S_k中每相邻的两个虚拟网络功能，判断其能否合并，对能够合并的相邻虚拟网络功能进行合并。

判断每相邻的两个虚拟网络功能能否合并的公式为：

公式(7)探究了相邻的两个虚拟网络功能能否进行合并，通过计算相应的资源开销和底层资源的能力以及本身这两个虚拟网络功能是否具有合并的资质来综合决定是否进行合并的操作。

其中f_k,i为S_k中第i个网络功能，f_k,g为S_k中第i+1个网络功能，N为目标底层网络拓扑的节点集合，n_j和n_t表示N中的两个不同网络节点，

表示判断f_k,i和f_k,g能否进行合并的函数，

表示f_k,i部署在节点n_j上所产生的节点资源开销，

表示f_k,g部署在节点n_t上所产生的节点资源开销，

表示f_k,i和f_k,g的合并资质，

表示对S_k的虚拟网络功能开销的评估，其计算公式如公式(4)所示。

S24、将进行合并拆分后的虚拟网络功能进行重新组合，形成一条新的服务功能链。

S3、根据合并拆分后的服务功能链更新SFC_set。

S4、采用最短路算法计算得到目标底层网络拓扑中最短的p条路径。

最短路算法从服务功能链的请求客户端开始，对每个底层网络拓扑的网络节点进行标记。最短路算法是在路由广播协议上发展而来，每个网络节点拥有一个自己的“路由表”，“路由表”将记录传输延迟及链路信息。如图3所示，步骤S4具体包括以下分步骤S41-S46：

S41、从SFC_set中选择一条服务功能链S_k。

S42、设置S_k中请求客户端节点的“路由表”各数值为0。

S43、模拟路由广播协议进行“路由表”的交流。

S44、更新每个节点的“路由表”，记录p条到请求客户端节点的最短路径。其中，节点包括了请求客户端节点和目标客户端节点。

S45、等待每个节点的“路由表”趋于稳定。

S46、寻找目标客户端节点的“路由表”，并得到目标客户端节点到请求客户端节点的最短的p条路径。

S5、在p条路径中选择能够部署的传输延迟最小的路径进行服务功能链部署。

S6、根据步骤S5的部署情况调整

和

其中，调整

的公式为：

调整

的公式为：

在公式(8)-(11)中，引入了机器学习的调整策略，为了避免梯度下降带来的后期的反馈乏力，采用交叉熵的算法进行反馈调整实现一个部署结果对于网络资源评估的反馈调整，这样的调整呈现一种调整步伐逐步减缓并最终趋于平衡的状态。

其中S_k为SFC_set中的服务功能链，f_k,i为S_k中第i个网络功能，f_k,g为S_k中第i+1个网络功能，

表示判断f_k,i和f_k,g能否进行合并的函数，计算公式如公式(7)所示；

表示判断f_k,i能否进行拆分的函数，计算公式如公式(3)所示；

表示对S_k的虚拟网络功能开销的评估，计算公式如公式(4)所示；

表示对S_k的虚拟链路开销的评估，计算公式如公式(5)所示；

表示调整后的网络节点资源评估值，

表示调整后的网络链路资源评估值，α表示网络节点资源评估的调整步伐，β表示网络链路资源评估的调整步伐。

S7、判断SFC_set中的服务功能链是否全部部署完毕，若是则部署结束，否则返回步骤S2。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种传输时延优化的服务功能链部署方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据目标底层网络拓扑，构建服务功能链请求集合SFC_set，并计算网络节点资源评估值

以及网络链路资源评估值

S2、采用合并拆分算法对SFC_set中每条服务功能链进行合并拆分；

S3、根据合并拆分后的服务功能链更新SFC_set；

S4、采用最短路算法计算得到目标底层网络拓扑中最短的p条路径；

S5、在p条路径中选择能够部署的传输延迟最小的路径进行服务功能链部署；

S6、根据步骤S5的部署情况调整

和

S7、判断SFC_set中的服务功能链是否全部部署完毕，若是则部署结束，否则返回步骤S2；

所述步骤S2具体包括以下分步骤：

S21、从SFC_set中选择一条服务功能链S_k；

S22、针对S_k中每个虚拟网络功能，判断其能否拆分，对能够拆分的虚拟网络功能进行拆分；

S23、针对S_k中每相邻的两个虚拟网络功能，判断其能否合并，对能够合并的相邻虚拟网络功能进行合并；

S24、将进行合并拆分后的虚拟网络功能进行重新组合，形成一条新的服务功能链；

所述步骤S22中判断每个虚拟网络功能能否拆分的公式为：

其中f_k,i为S_k中第i个网络功能，N为目标底层网络拓扑的节点集合，L为目标底层网络拓扑的链路集合，n_j表示N中的网络节点，l_x,y和l_p,q表示L中的两个不同链路，

表示判断f_k,i能否进行拆分的函数，

表示f_k,i的拆分资质，

表示f_k,i部署在节点n_j上所产生的节点资源开销，

表示虚拟网络链路e_k,i部署到底层网络的l_x,y上产生的链路开销，e_k,i为S_k中第i条网络链路，

表示对S_k的虚拟网络功能开销的评估，其计算公式为：

表示对S_k的虚拟链路开销的评估，其计算公式为：

其中|S_k|表示S_k中包含的网络功能的个数；

ε(·)为阶跃函数，其具体公式为：

所述步骤S23中判断每相邻的两个虚拟网络功能能否合并的公式为：

其中f_k,g为S_k中第i+1个网络功能，n_t表示N中与n_j不同的网络节点，

表示判断f_k,i和f_k,g能否进行合并的函数，

表示f_k,g部署在节点n_t上所产生的节点资源开销，

表示f_k,i和f_k,g的合并资质。

2.根据权利要求1所述的服务功能链部署方法，其特征在于，所述步骤S1中网络节点资源评估值

的计算公式为：

其中N为目标底层网络拓扑的节点集合，|N|表示目标底层网络拓扑的节点数目，n_j表示N中的网络节点，

表示与节点n_j相连的链路的跳数，

表示节点n_j拥有的资源；

网络链路资源评估值

的计算公式为：

其中L为目标底层网络拓扑的链路集合，|L|表示目标底层网络拓扑的链路数目，l_x,y表示L中的链路，d_lx,y表示链路l_x,y的传输延迟，Re_lx,y表示链路l_x,y上的带宽资源。

3.根据权利要求1所述的服务功能链部署方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下分步骤：

S41、从SFC_set中选择一条服务功能链S_k；

S42、设置S_k中请求客户端节点的“路由表”各数值为0；

S43、模拟路由广播协议进行“路由表”的交流；

S44、更新每个节点的“路由表”，记录p条到请求客户端节点的最短路径；

S45、等待每个节点的“路由表”趋于稳定；

S46、寻找目标客户端节点的“路由表”，并得到目标客户端节点到请求客户端节点的最短的p条路径。

4.根据权利要求1所述的服务功能链部署方法，其特征在于，所述步骤S6中调整

的公式为：

调整

的公式为：

其中S_k为SFC_set中的服务功能链，f_k,i为S_k中第i个网络功能，f_k,g为S_k中第i+1个网络功能，

表示判断f_k,i和f_k,g能否进行合并的函数，

表示判断f_k,i能否进行拆分的函数，

表示对S_k的虚拟网络功能开销的评估，

表示对S_k的虚拟链路开销的评估，

表示调整后的网络节点资源评估值，

表示调整后的网络链路资源评估值，α表示网络节点资源评估的调整步伐，β表示网络链路资源评估的调整步伐。

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