CN108092895B - 一种软件定义网络联合路由选择及网络功能部署方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种软件定义网络联合路由选择及网络功能部署方法，属于移动通信技术领域。该方法包括：S1建模用户流业务需求特性；S2建模用户流链路选择变量；S3建模交换机网络功能部署变量；S4建模用户流传输总时延；S5建模路由选择及网络功能部署限制条件；S6基于用户流传输总时延最小化，确定路由选择及网络功能部署策略。本方法可以有效保障用户的服务质量和安全性能，满足用户网络应用的需求，通过优化确定路由选择及网络功能部署策略实现用户流传输总时延最小化。

Description

一种软件定义网络联合路由选择及网络功能部署方法

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，涉及一种软件定义网络联合路由选择及网络功能部署方法。

背景技术

软件定义网络(Software Defined Network,SDN)是由斯坦福大学于2009提出的一种新兴的基于软件的网络架构与技术，其主要特点是控制平面与数据平面分离，逻辑上集中化控制网络以及通过软件编程实现灵活高效的网络管理与运行维护。

由于SDN支持控制平面与数据平面的分离，可实现更加灵活便捷的业务开通及网络配置。在SDN架构中，智能化的SDN控制器可获取网络全局视图，并且能够控制整个网络的数据转发设备。SDN网络架构可有效隔离流量、区分服务链及便于服务质量(Quality ofService,QoS)管理，从而能够较好地解决传统移动网络成本高、不够灵活、QoS难以有效管理等问题，然而，SDN架构的集中式网络控制、控制与数据平面分离、资源切片等特性给网络管理机制特别是路由选择机制带来新的问题及挑战。

网络功能虚拟化(Network Function Virtualization，NFV)是指网络硬件应用转化为基于软件的虚拟化功能实体，其主要特点是从硬件中解耦出软件，实现灵活的网络功能部署，从而有效解决专用硬件设备成本高、不够灵活、操作复杂性高等问题，但NFV在适应多样的网络应用和复杂的部署方面仍存在挑战。

文献[Zhang S Q,Zhang Q,Bannazadeh H,et al.Network FunctionVirtualization enabled multicast routing on SDN,Communications(ICC),2015]提出了一种基于图论的SDN网络路由算法，该算法用于SDN组播网络中，并通过网络功能虚拟化技术，实现建立恰当的组播拓扑，但该算法没有解决为核心网络分配路由等问题。文献[Huang H,Guo S,Wu J,et al.Joint middlebox selection and routing for software-defined networking,Communications(ICC),2016]针对一个控制器和多个交换机的SDN场景，假设有多个预先放置的中间件实现不同网络功能，提出联合中间件选择和路由算法，以最大化网络吞吐量，但该算法未考虑网络功能的灵活部署。

综上所述，SDN的网络环境中如何综合考虑用户的业务需求，链路容量及QoS保障等特性，实现联合路由选择与网络功能部署策略，从而降低网络时延、提高传输安全性能成为亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种SDN联合路由选择及网络功能部署方法，在该方法中，针对包含一个控制器和多个交换机的SDN场景，假设各个交换机均可附着一个NFV服务器，支持以软件实现的特定网络功能，在满足用户流业务需求特性条件下，建模用户流传输总时延为优化目标，实现联合路由选择及网络功能部署策略。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种软件定义网络联合路由选择及网络功能部署方法，该方法为：针对一个控制器和多个交换机组成的SDN场景，设每个交换机均附着一个网络功能虚拟化(NetworkFunction Virtualization，NFV)服务器，支持以软件实现的特定网络功能，在满足用户流业务需求特性条件下，建模用户流传输总时延为优化目标，实现联合路由选择及网络功能部署策略；该方法具体步骤为：

S1：建模用户流业务需求特性；

S2：建模用户流链路选择变量；

S3：建模交换机网络功能部署变量；

S4：建模用户流传输总时延；

S5：建模路由选择及网络功能部署限制条件；

S6：基于用户流传输总时延最小化，确定路由选择及网络功能部署策略。

进一步，所述步骤S1具体为：设每个用户流传输时需要经过一个或多个网络功能，且网络中需要部署的功能集合为ξ，ξ＝{ξ₁,ξ₂,...,ξ_M}，其中，M为网络功能的数量，ξ_m表示第m个网络功能，令F_m为网络功能ξ_m的计算资源需求，所述用户流业务需求包括用户流网络功能需求、流量需求及速率需求；令δ_m,k∈{0,1}表示第k个用户流对网络功能ξ_m的需求变量，δ_m,k＝1表示第k个用户流请求网络功能ξ_m，反之δ_m,k＝0，令f_k和R_k分别表示第k个用户流的流量需求和最小速率需求，1≤k≤K，K为用户流的数目。

进一步，所述步骤S2具体为：令V_i表示第i个交换机，1≤i≤N，其中，N为交换机的数目；令E_i,j表示交换机V_i和交换机V_j之间的链路，1≤i,j≤N，i≠j；令x_i,j,k∈{0,1}表示第k个用户流的链路选择标识，x_i,j,k＝1表示第k个用户流选择链路E_i,j进行数据传输，否则x_i,j,k＝0。

进一步，所述步骤S3具体为：令y_i,m∈{0,1}表示网络功能部署标识，y_i,m＝1表示网络功能ξ_m连接到交换机V_i，否则y_i,m＝0。

进一步，在步骤S4中，所述用户流传输总时延为所有用户流传输的时延之和，即

其中，D_k表示第k个用户流传输的时延，建模

其中，

表示第k个用户流在链路E_i,j上的传输时延，

表示第k个用户流在交换机V_i处的排队时延，

表示第k个用户流执行网络功能ξ_m所需处理时延。

进一步，所述第k个用户流在链路E_i,j上的传输时延的计算公式为

α_i,j,k＞0，其中，α_i,j,k∈[0,1]表示第k个用户流所分配链路速率资源标识，R_i,j为链路E_i,j的传输速率。

进一步，所述第k个用户流在交换机V_i处的排队时延的计算方法为：设SDN交换机处的用户流处理遵循M/M/1排队模型，根据公式

β_i,k＞0计算第k个用户流在交换机V_i处的排队时延，其中，μ_i和λ_i分别表示交换机V_i处的业务服务率和到达率，β_i,k∈[0,1]表示交换机V_i为第k个用户流所分配处理资源标识。

进一步，所述第k个用户流执行网络功能ξ_m所需处理时延的计算方法为：若

根据公式

计算第k个用户流执行网络功能ξ_m所需处理时延；若

建模

其中，

表示第k个用户流请求部署在交换机V_i上的网络功能ξ_m时，服务器上的处理时延，建模为

其中，C_m为网络功能ξ_m所需计算资源量，η_i,m,k∈[0,1]交换机V_i所关联的服务器为第k个用户流所需网络功能ξ_m所分配计算资源标识。

进一步，在步骤S5中，所述路由选择限制条件建模为：若β_i,j,k＞0，则β_i,j,kR_i,j≥R_k，

其中，

为第k个用户流最高时延容忍值；所述网络功能部署限制条件建模为：若

容量限制条件建模为

其中，φ_i为交换机V_i的TCAM转发表容量，

为交换机V_i所关联服务器的计算资源容量；资源分配限制条件建模为

进一步，所述步骤S6具体为：在满足路由选择及网络功能部署限制条件下，以用户流传输总时延最小化为目标，优化确定路由选择及网络功能部署策略，即

本发明的有益效果在于：本发明可以有效保障用户的服务质量和安全性能，满足用户网络应用的需求，达到路由选择及网络功能部署最优，实现用户流传输总时延最小化。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为支持网络功能部署的网络场景示意图；

图2为本发明所述方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为支持网络功能部署的网络场景示意图，如图所示，该网络中存在一个控制器或多个交换机，每个交换机均可附着一个NFV服务器，支持以软件实现的特定网络功能。假设某个时间内网络中存在K个用户流，且令第k个用户流的源交换机和目的交换机分别为S_k和D_k，1≤k≤K，根据用户流的网络服务需求，每个用户流进行端到端传输时，需要经过一个或多个网络功能。建模用户流传输总时延为所有用户流传输的时延之和，基于用户流传输总时延最小化实现联合路由选择及网络功能部署最优策略。

图2为本发明所述方法的流程示意图，如图所示，本发明所述方法具体包括以下步骤：

1)建模用户流业务需求特性；

建模用户流业务需求特性，具体为用户流网络功能需求，流量需求及速率需求。假设每个用户流传输时需要经过一个或多个网络功能，且网络中需要部署的功能集合为ξ，ξ＝{ξ₁,ξ₂,...,ξ_M}，其中，M为网络功能的数量，ξ_m表示第m个网络功能，令F_m为网络功能ξ_m的计算资源需求。令δ_m,k∈{0,1}表示第k个用户流对网络功能ξ_m的需求变量，δ_m,k＝1表示第k个用户流请求网络功能ξ_m，反之δ_m,k＝0。令f_k和R_k分别表示第k个用户流的流量需求和最小速率需求，1≤k≤K，K为用户流的数目。

2)建模用户流链路选择变量；

建模用户流链路选择变量，具体为：令V_i表示第i个交换机，1≤i≤N，其中，N为交换机的数目；令E_i,j表示第i个交换机V_i和第j个交换机V_j之间的链路，1≤i,j≤N，i≠j。令x_i,j,k∈{0,1}表示第k个用户流的链路选择标识，x_i,j,k＝1表示第k个用户流选择链路E_i,j进行数据传输，否则x_i,j,k＝0。

3)建模交换机网络功能部署变量；

建模交换机网络功能部署变量，具体为：y_i,m∈{0,1}表示网络功能部署标识，y_i,m＝1表示网络功能ξ_m连接到交换机V_i，否则y_i,m＝0。

4)建模用户流传输总时延；

建模用户流传输总时延为所有用户流传输的时延之和，即

其中，D_k表示第k个用户流传输的时延；根据公式

计算第k个用户流传输的时延，其中，

表示第k个用户流在链路E_i,j上的传输时延,

表示第k个用户流在交换机V_i处的排队时延，

表示第k个用户流执行网络功能ξ_m所需处理时延。根据公式

α_i,j,k＞0计算第k个用户流在链路E_i,j上的传输时延，其中，α_i,j,k∈[0,1]表示第k个用户流所分配链路速率资源标识，R_i,j为链路E_i,j的传输速率。假设SDN交换机处的用户流处理遵循M/M/1排队模型，根据公式

β_i,k＞0计算第k个用户流在交换机V_i处的排队时延，其中，μ_i和λ_i分别表示交换机V_i处的业务服务率和到达率，β_i,k∈[0,1]表示交换机V_i为第k个用户流所分配处理资源标识。若

根据公式

计算第k个用户流执行网络功能ξ_m所需处理时延；若

建模

其中，

表示第k个用户流请求部署在交换机V_i上的网络功能ξ_m时，服务器上的处理时延，建模为

η_i,m,k＞0,其中，C_m为网络功能ξ_m所需计算资源量，η_i,m,k∈[0,1]交换机V_i所关联的服务器为第k个用户流所需网络功能ξ_m所分配计算资源标识。

5)建模路由选择及网络功能部署限制条件；

建模路由选择及网络功能部署限制条件，其中，路由选择限制条件建模为：若β_i,j,k＞0，β_i,j,kR_i,j≥R_k，

其中，

为第k个用户流最高时延容忍值；网络功能部署限制条件建模为：若δ_m,k＝1，

容量限制条件建模为

其中，φ_i为交换机V_i的TCAM转发表容量，

为交换机V_i所关联服务器的计算资源容量；资源分配限制条件建模为

6)基于用户流传输总时延最小化，确定路由选择及网络功能部署策略；

基于用户流传输总时延最小化确定路由选择及网络功能部署策略：在满足路由选择及网络功能部署限制条件下，以用户流传输总时延最小化为目标，优化确定路由选择及网络功能部署策略，即

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (2)

1.一种软件定义网络联合路由选择及网络功能部署方法，其特征在于：该方法为：针对一个控制器和多个交换机组成的SDN场景，设每个交换机均附着一个网络功能虚拟化NFV服务器，支持以软件实现的特定网络功能，在满足用户流业务需求特性条件下，建模用户流传输总时延为优化目标，实现联合路由选择及网络功能部署策略；该方法具体步骤为：

S1：建模用户流业务需求特性；

S2：建模用户流链路选择变量；

S3：建模交换机网络功能部署变量；

S4：建模用户流传输总时延；

S5：建模路由选择及网络功能部署限制条件；

S6：基于用户流传输总时延最小化，确定路由选择及网络功能部署策略；

所述步骤S1具体为：设每个用户流传输时需要经过一个或多个网络功能，且网络中需要部署的功能集合为ξ，ξ＝{ξ₁,ξ₂,...,ξ_M}，其中，M为网络功能的数量，ξ_m表示第m个网络功能，令F_m为网络功能ξ_m的计算资源需求，所述用户流业务需求包括用户流网络功能需求、流量需求及速率需求；令δ_m,k∈{0,1}表示第k个用户流对网络功能ξ_m的需求变量，δ_m,k＝1表示第k个用户流请求网络功能ξ_m，反之δ_m,k＝0，令f_k和R_k分别表示第k个用户流的流量需求和最小速率需求，1≤k≤K，K为用户流的数目；

所述步骤S2具体为：令V_i表示第i个交换机，1≤i≤N，其中，N为交换机的数目；令E_i,j表示交换机V_i和交换机V_j之间的链路，1≤i,j≤N，i≠j；令x_i,j,k∈{0,1}表示第k个用户流的链路选择标识，x_i,j,k＝1表示第k个用户流选择链路E_i,j进行数据传输，否则x_i,j,k＝0；

所述步骤S3具体为：令y_i,m∈{0,1}表示网络功能部署标识，y_i,m＝1表示网络功能ξ_m连接到交换机V_i，否则y_i,m＝0；

在步骤S4中，所述用户流传输总时延为所有用户流传输的时延之和，即

其中，D_k表示第k个用户流传输的时延，建模

其中，

表示第k个用户流在链路E_i,j上的传输时延，

表示第k个用户流在交换机V_i处的排队时延，

表示第k个用户流执行网络功能ξ_m所需处理时延；

所述第k个用户流在链路E_i,j上的传输时延的计算公式为

α_i,j,k＞0，其中，α_i,j,k∈[0,1]表示第k个用户流所分配链路速率资源标识，R_i,j为链路E_i,j的传输速率；

所述第k个用户流在交换机V_i处的排队时延的计算方法为：设SDN交换机处的用户流处理遵循M/M/1排队模型，根据公式

β_i,k＞0计算第k个用户流在交换机V_i处的排队时延，其中，μ_i和λ_i分别表示交换机V_i处的业务服务率和到达率，β_i,k∈[0,1]表示交换机V_i为第k个用户流所分配处理资源标识；

所述第k个用户流执行网络功能ξ_m所需处理时延的计算方法为：若

根据公式

计算第k个用户流执行网络功能ξ_m所需处理时延；若

建模

其中，

表示第k个用户流请求部署在交换机V_i上的网络功能ξ_m时，服务器上的处理时延，建模为

η_i,m,k＞0,其中，C_m为网络功能ξ_m所需计算资源量，η_i,m,k∈[0,1]交换机V_i所关联的服务器为第k个用户流所需网络功能ξ_m所分配计算资源标识；

在步骤S5中，所述路由选择限制条件建模为：若β_i,j,k＞0，则β_i,j,kR_i,j≥R_k，

其中，

为第k个用户流最高时延容忍值；所述网络功能部署限制条件建模为：若δ_m,k＝1，

容量限制条件建模为

其中，φ_i为交换机V_i的TCAM转发表容量，F_i ^max为交换机V_i所关联服务器的计算资源容量；资源分配限制条件建模为

2.如权利要求1中所述的一种软件定义网络联合路由选择及网络功能部署方法，其特征在于：所述步骤S6具体为：在满足路由选择及网络功能部署限制条件下，以用户流传输总时延最小化为目标，优化确定路由选择及网络功能部署策略，即

Images