CN107769976B - 一种基于传输带宽优化的服务功能链映射方法 - Google Patents

一种基于传输带宽优化的服务功能链映射方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于传输带宽优化的服务功能链映射方法，首先调用分层算法对底层网络拓扑进行分层，获取了对整个网络的感知和认识，然后调用节点评估算法并选择最合适的节点部署相应的虚拟化的网络功能，最后将一系列的虚拟化的网络功能成链为服务功能链，实现服务功能链映射，这样通过使用最少的节点来部署这些虚拟化的网络功能，并在成链时尽可能的形成一条较短的服务功能链，最大程度的减少了宝贵的带宽资源消费。

Description

一种基于传输带宽优化的服务功能链映射方法
技术领域
本发明属于网络通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于传输带宽优化的服务功能链映射方法。
背景技术
在传统的网络中，众多网络功能都是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。而这样的现象将导致整个网络的僵化，使得在一个正在运行工作的网络中添加一个新的网络的功能将花费很大的代价。并且，随着整个网络的快速发展，网络用户呈几何级的增长，用户所需要的网络功能的数量也将呈几何级的增长，这将消耗大量的资源去为每个用户部署相应的功能。为了解决上述的问题，网络功能虚拟化技术孕育而生。在网络功能虚拟化中，网络功能从传统的硬件设备中脱离出来，转而运行在虚拟机中，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。而运行在虚拟机上的网络功能又叫做虚拟化的网络功能(VNF)，同时，一系列按照特定顺序排列的虚拟化的网络功能叫做服务功能链(SFC)，一条服务功能链为特定的用户提供特定的服务。
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，从而在虚拟机上能够更加灵活的部署虚拟化的网络功能。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，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用户所在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。最主要的是，网络功能虚拟化可以为用户定制服务，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。这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和成本效率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。
网络功能虚拟化同时给网络运营商和用户带来了极大的便利，然而这其中仍然存在大量的问题亟待我们研究员去解决。比如：网络延迟直接影响到用户的使用体验，而过大的网络延迟可能会直接让用户放弃使用虚拟化的网络功能，服务功能链部署的成功率影响到用户能否真正的享受到网络功能虚拟化所带来的便捷，进而对此技术产生依赖性；服务功能链的安全保密性将影响到用户的信息安全能否得到保障，是否会被未授权用户获取；运行每条服务功能链的开销将决定一个具体网络的容量，影响其能承载服务功能链数量的总和。减小每条服务功能链部署的带宽开销可以提高整个网络的容量，提高服务功能链的部署成功率，同时能够增加服务的用户的数量，它可以在现有硬件的专有特性下带来巨大的好处并且节省了各种中间盒子的空间和能源消耗。
当我们的底层网络收到一个服务功能链的请求时，我们不仅需要保证满足客户的各种要求，还需要考虑资源的利用效率，尽量用最少的资源实现该服务功能链的成功部署。随着需求的多样化以及对带宽资源的需求的几何级的增长，带宽资源越来越稀缺。有效利用带宽资源已然成为每个算法的基本目标和判断其性能优良对的重要标准。在这篇文章中，我们重新研究如何最大程度的减少带宽消耗的情况下实现对服务功能链的部署，满足用户的业务需求。为了解决这个问题,我们提出一个将物理网络拓扑分层和评估选择物理网络节点融合的，并且将带宽资源的消耗降到最低的启发式算法：SFCD-LEMB。该算法在减少带宽消耗的同时,实现更高的接受率和部署服务功能链请求的响应时间。此外，我们还可以通过该启发式算法SFCD-LEMB来扩展网络，使网络结构更健壮。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于传输带宽优化的服务功能链映射方法，将虚拟化的网络功能部署到相应的节点上，再把这些虚拟化的网络功能形成链以实现服务功能链的映射，这样使用最少的节点来部署这些虚拟化的网络功能，减少了宝贵的带宽资源消费。
为实现上述发明目的，本发明一种基于传输带宽优化的服务功能链映射方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、输入底层网络拓扑G、服务功能链请求客户端节点Nr和目的客户端节点Na至分层算法；
(2)、调用分层算法对底层网络拓扑G进行分层
(2.1)、将服务功能链请求客户端节点Nr放到第一层，将与第一层客户端节点Nx互连的节点放入第二层，将与第二层节点互连且不存在于其它层的节点放入第三层，并以此类推，直到所有的节点都划分在相应的层次中；
(2.2)、判断每层内部的节点是否互连，如果互连则进入步骤(2.3)，否则进入步骤(2.4)；
(2.3)、对同一层内节点互连的层进行内部分层，将互连的节点依次分别设置为内部层的起始点，并放入在内部第一层，并将与内部第一层互连的节点放入内部第二层，将与内部第二层节点互连且不存在于其它内部层的节点放入内部第三层，并以此类推，直至同一层内互连的节点全部划分在相应的内部层中，再进入步骤(2.4)；
(2.4)、输出整个底层网络拓扑G的分层信息；
(3)、调用节点评估算法对分层信息中的每一层节点进行评估
(3.1)、自动设置目的客户端节点Na，利用公式(a)对目的客户端节点Na所在层的上一层中与目的客户端节点Na互连的节点进行评估，再选择δ值最小的节点作为该层的最优节点；
Figure BDA0001451859870000031
其中，Bsi表示节点可用的和上一层相连的带宽资源，Bri表示该虚拟化的网络功能和上一个虚拟化的网络功能通信所需带宽资源，Bse表示节点可用的和下一层相连的带宽资源，Bre表示该虚拟化的网络功能和下一个虚拟化的网络功能通信所需带宽资源，Cs表示节点可用的计算资源，Cr表示该虚拟化的网络功能所需的计算资源；
(3.2)、利用公式(a)对最优节点所在层的上一层中与该最优节点互连的节点进行评估，再选择δ值最小的节点作为该层的最优节点；
(3.3)、依次类推，重复步骤(3.2)，直至请求客户端节点Nr被选择为最优节点时结束；
(3.4)、输出每一层的最优节点，再把每个服务功能映射到对应的最优节点上；
(4)、将每一层输出的最优节点进行相邻节点连接组成一条服务功能链，从而实现服务功能链映射，并开始为用户提供服务。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种基于传输带宽优化的服务功能链映射方法，首先调用分层算法对底层网络拓扑进行分层，获取了对整个网络的感知和认识，然后调用节点评估算法并选择最合适的节点部署相应的虚拟化的网络功能，最后将一系列的虚拟化的网络功能成链为服务功能链，实现服务功能链映射，这样通过使用最少的节点来部署这些虚拟化的网络功能，并在成链时尽可能的形成一条较短的服务功能链，最大程度的减少了宝贵的带宽资源消费。
同时，本发明基于传输带宽优化的服务功能链映射方法还具有以下有益效果：
(1)、成本低。本发明充分利用分层算法来获取对底层网络拓扑的充分的感知和认识，能够选择最合适的节点、链路进行部署，使得整个部署的时间和带宽成本很小。
(2)低阻塞率。本发明可以根据实际网络的不同而灵活地选择节点、链路部署服务功能链，阻塞率和传统方法相比，有着明显的优化。
(3)可扩展性。本发明所提出的算法不仅对服务功能链的映射有着不错的性能，同时能感知网络结构，认识到特定网络的局限，能够让网络运营商能够很好的根据实际情况来扩展、健全网络。
附图说明
图1是本发明基于传输带宽优化的服务功能链映射方法流程图；
图2是分层算法示意图；
图3是分层算法流程图；
图4是节点评估算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是本发明基于传输带宽优化的服务功能链映射方法流程图。
在本实施例中，需要解决的问题是在低带宽消耗情况下如何成功的部署服务功能链请求。针对每个服务功能链请求我们考虑这样一个场景，有两个客户是在给定的物理网络节点上操作，该请求需要几个不同的虚拟化的网络功能按照特定的顺序排列依次处理相关信息来的得以实现，我们需要把这些虚拟化的网络功能部署到相应的节点上，并且把这些虚拟化的网络功能成链以形成一条较短的服务功能链。
下面结合图1，对本发明一种基于传输带宽优化的服务功能链映射方法进行详细说明，具体包括以下步骤：
S1、输入底层网络拓扑G、服务功能链请求客户端节点Nr和目的客户端节点Na至分层算法；
底层物理网络表示为：G＝(N,L)，其中N＝{N1,N2,…,Ny},L＝{l1,l2,…,lk}，分别表示底层物理节点集合和底层物理链路集合；SFC请求表示为S＝(FS,ES)，其中FS＝{f1,f2,…,fm}，ES＝{e1,e2,…,eq}，FS表示S中的虚拟化的网络功能请求，ES表示S中的链路请求；
本实施例运用的场景和优化目标可以用下式表示：
Figure BDA0001451859870000061
其中，P表示部署SFC的物理链路，
Figure BDA0001451859870000062
表示链路ei上的带宽开销，Ni表示底层物理节点，
Figure BDA0001451859870000063
表示物理节点Ni上的计算资源，fi表示虚拟化的网络功能VNFi，
Figure BDA0001451859870000064
表示VNFi对计算资源的开销，
Figure BDA0001451859870000065
表示物理链路li上的带宽资源，
公式(1)代表本算法的优化目标是使得服务功能链请求的部署带宽开销最小；三个约束条件分别代表a).物理节点上的计算资源足以满足服务功能链请求所需资源b).物理链路上的带宽资源足以满足服务功能链的通信需求c).物理链路上的节点数要能够满足虚拟化的服务功能的部署。在本发明中，一个物理节点只能承载一个虚拟化的网络功能，所以上述第三个约束等价于物理链路上的节点数大于等于服务功能链中的虚拟化的网络功能数量。
S2、调用分层算法对底层网络拓扑G进行分层
分层算法是整个SFCD-LEMB算法的重要的子算法，它通过对底层网络拓扑进行分层，从而使SFCD-LEMB算法获取到对底层网络感知和认识。对底层网络的感知和认识对整个算法的性能有着至关重要的影响，是整个算法的精髓所在。
分层算法的可以用以下公式表示：
Figure BDA0001451859870000066
Figure BDA0001451859870000067
Figure BDA0001451859870000068
Figure BDA0001451859870000071
其中，GL表示分层网络拓扑信息，VX表示整体分层中第X层的节点集合，EX表示整体分层中第X层的链路集合，
Figure BDA0001451859870000072
表示第X层的分层网络拓扑信息，LMAX表示整体分层中最大的层数，
Figure BDA0001451859870000073
底层物理节点Ni的内部层中最大的层数，
Figure BDA0001451859870000074
关于整体分层中第X层中的底层物理节点Ni的内部层第Y层节点集合，
Figure BDA0001451859870000075
关于整体分层中第X层中的底层物理节点Ni的内部层第Y层链路集合，NT表示底层物理节点的总数，LT表示底层物理链路总数。
下面对分层的具体过程进行描述：
S2.1、将服务功能链请求客户端节点Nr放到第一层，将与第一层客户端节点Nx互连的节点放入第二层，将与第二层节点互连且不存在于其它层的节点放入第三层，并以此类推，直到所有的节点都划分在相应的层次中；
S2.2、判断每层内部的节点是否互连，如果互连则进入步骤S2.3，否则进入步骤S2.4；
S2.3、对同一层内节点互连的层进行内部分层，将互连的节点依次分别设置为内部层的起始点，并放入在内部第一层，并将与内部第一层互连的节点放入内部第二层，将与内部第二层节点互连且不存在于其它内部层的节点放入内部第三层，并以此类推，直至同一层内互连的节点全部划分在相应的内部层中，再进入步骤S2.4；
S2.4、输出整个底层网络拓扑G的分层信息；
在本实施例中，通过具体实例对分层算法进行举例说明。如图2(a)所示，节点A和I分别是发出请求的客户端用户和目的客户端用户。在分层算法中，请求客户端用户只能被放在第一层，如图2(b)所示，目的客户端用户则可以分布在多个层中，如图2(b)的第三、五、六层。所有节点都只能存在于其中的一个特定的层中，但目的节点除外，其可以存在于多个层。这样的策略能够清晰的展示出目的客户端节点和请求客户端节点之间的部分链路的跳数。分层算法把所有和第一层中节点A相连的节点B、C、D放在第二层，把和第二层中节点B、C、D相连的节点E、F、I放在第三层。并以此类推，直至所有节点都在相应的层中出现。在对节点进行分层时，如果某个节点只和上一层的目的客户端节点相连，该节点是不能够分在下一层中，这样的策略能够避免环路的出现。如图2(b)中，第三层的节点有E、F、I，其中I是目的客户端节点，底层网络拓扑中和节点E、F、I相连的节点有G、H、J，其中节点J只和第三层的目的客户端节点I相连，故节点J不能够放在第四层中，第四层只包含G、H。
以上是整体分层的简单说明，当分层算法对底层网络拓扑进行完整体分层后，其将在整体分层的基础上对底层拓扑进行细化的内部分层，如图2(b)中的第二层包含节点B、C、D，而节点C、D在底层网络拓扑图2(a)中是直接相连的，则分层算法需要对第二层进行内部分层。分层算法分别将节点C、D放在第一层中，得到两个不同的内部层信息。这两个内部层信息和整体分层信息一起共同反应整个网络的结构。
S3、调用节点评估算法对分层信息中的每一层节点进行评估
在对底层网络拓扑分层后，SFCD-LEMB算法调用节点评估算法需要对每一层的节点进行评估，以便选出最适合该条服务功能链请求的节点去承载相应的虚拟化的网络功能。
节点评估算法公式如下：
Figure BDA0001451859870000081
其中，Bsi表示节点可用的和上一层相连的带宽资源，Bri表示该虚拟化的网络功能和上一个虚拟化的网络功能通信所需带宽资源，Bse表示节点可用的和下一层相连的带宽资源，Bre表示该虚拟化的网络功能和下一个虚拟化的网络功能通信所需带宽资源，Cs表示节点可用的计算资源，Cr表示该虚拟化的网络功能所需的计算资源；
节点评估算法对每一层的节点进行评估，计算出每个节点的δ值，其中δ代表的是每个节点和当前服务功能链的契合度，δ值越小代表越契合，节点评估算法则在每层中选择δ值最小的节点来部署相应的虚拟化的网络功能。
下面我们对节点评估算法的具体流程进行详细描述：
S3.1、自动设置目的客户端节点Na，利用公式(6)对目的客户端节点Na所在层的上一层中与目的客户端节点Na互连的节点进行评估，再选择δ值最小的节点作为该层的最优节点；
S3.2、利用公式(6)对最优节点所在层的上一层中与该最优节点互连的节点进行评估，再选择δ值最小的节点作为该层的最优节点；
S3.3、依次类推，重复步骤S3.2，直至请求客户端节点Nr被选择为最优节点时结束；
S3.4、输出每一层的最优节点，再把每条服务功能映射到对应的最优节点上；在本实施例中，分层算法给底层网络拓扑G中存在的服务功能数量，将底层网络拓扑分层对应的层，因此，在映射时就可以将第N个服务功能映射到分层后的第N层的最优节点上。
S4、将每一层输出的最优节点进行相邻节点连接组成一条服务功能链，从而实现服务功能链映射，并开始为用户提供服务。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种基于传输带宽优化的服务功能链映射方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、输入底层网络拓扑G、服务功能链请求客户端节点Nr和目的客户端节点Na至分层算法；
(2)、调用分层算法对底层网络拓扑G进行分层
(2.1)、将服务功能链请求客户端节点Nr放到第一层，将与第一层客户端节点Nx互连的节点放入第二层，将与第二层节点互连且不存在于其它层的节点放入第三层，并以此类推，直到所有的节点都划分在相应的层次中；
(2.2)、判断每层内部的节点是否互连，如果互连则进入步骤(2.3)，否则进入步骤(2.4)；
(2.3)、对同一层内节点互连的层进行内部分层，将互连的节点依次分别设置为内部层的起始点，并放入在内部第一层，并将与内部第一层互连的节点放入内部第二层，将与内部第二层节点互连且不存在于其它内部层的节点放入内部第三层，并以此类推，直至同一层内互连的节点全部划分在相应的内部层中，再进入步骤(2.4)；
(2.4)、输出整个底层网络拓扑G的分层信息；
(3)、调用节点评估算法对分层信息中的每一层节点进行评估
(3.1)、自动设置目的客户端节点Na，利用公式(1)对目的客户端节点Na所在层的上一层中与目的客户端节点Na互连的节点进行评估，再选择δ值最小的节点作为该层的最优节点；
Figure FDA0002467162240000011
其中，Bsi表示节点可用的和上一层相连的带宽资源，Bri表示节点的虚拟化的网络功能和上一个虚拟化的网络功能通信所需带宽资源，Bse表示节点可用的和下一层相连的带宽资源，Bre表示节点的虚拟化的网络功能和下一个虚拟化的网络功能通信所需带宽资源，Cs表示节点可用的计算资源，Cr表示节点虚拟化的网络功能所需的计算资源；
(3.2)、利用公式(1)对最优节点所在层的上一层中与该最优节点互连的节点进行评估，再选择δ值最小的节点作为该层的最优节点；
(3.3)、依次类推，重复步骤(3.2)，直至请求客户端节点Nr被选择为最优节点时结束；
(3.4)、输出每一层的最优节点，再把每个服务功能映射到对应的最优节点上；
(4)、将每一层输出的最优节点进行相邻节点连接组成一条服务功能链，从而实现服务功能链映射，并开始为用户提供服务。
2.根据权利要求1所述的一种基于传输带宽优化的服务功能链映射方法，其特征在于，所述的分层算法为：
Figure FDA0002467162240000021
Figure FDA0002467162240000022
Figure FDA0002467162240000023
Figure FDA0002467162240000024
其中，GL表示分层网络拓扑信息，VX表示整体分层中第X层的节点集合，EX表示整体分层中第X层的链路集合，
Figure FDA0002467162240000025
表示第X层的分层网络拓扑信息，LMAX表示整体分层中最大的层数，Vi表示底层物理节点的节点集合，
Figure FDA0002467162240000026
底层物理节点Ni的内部层中最大的层数，
Figure FDA0002467162240000027
关于整体分层中第X层中的底层物理节点Ni的内部层第Y层节点集合，
Figure FDA0002467162240000028
关于整体分层中第X层中的底层物理节点Ni的内部层第Y层链路集合，NT表示底层物理节点的总数，LT表示底层物理链路总数。
3.根据权利要求1所述的一种基于传输带宽优化的服务功能链映射方法，其特征在于，所述的步骤(3.4)中，把每条服务功能映射到对应的最优节点上的具体方法为：将第N条服务功能映射到分层后的第N层的最优节点上。
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