CN108206790B - 一种基于网络切片的sdn联合路由选择及资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于网络切片的SDN联合路由选择及资源分配方法，属于通信网络技术领域。该方法为：S1SDN控制器接收用户流传输请求；S2控制器根据用户流资源需求，确定候选交换机集合及候选链路集合；S3建模网络切片及资源分配标识；S4：确定网络切片及资源分配限定条件；S5建模用户流端到端时延及网络负载；S6以用户流端到端时延及网络负载最小化为目标，为各用户流优化确定网络切片策略；S7判断各网络切片是否存在共用交换机及共用链路；S9控制器将网络切片及资源分配策略下发至相应交换机，各交换机根据流表完成用户流的路由及资源分配。本发明以用户流端到端时延及网络负载最小化为目标，实现SDN联合路由选择及资源分配的优化。

Description

一种基于网络切片的SDN联合路由选择及资源分配方法

技术领域

本发明属通信网路技术领域，涉及一种基于网络切片的SDN联合路由选择及资源分配方法。

背景技术

软件定义网络(Software DefinedNetwork,SDN)是一种新兴的基于软件的网络架构与技术，可应用于具有大规模、异构化等特点的网络中。SDN的主要特点是控制平面与数据平面分离，逻辑上集中化地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。SDN将控制平面和数据平面进行分离，可实现网络控制功能在逻辑上集中，极大地简化了路由的管理和控制；采用开放应用程序编程接口控制，可有效缩短业务流的服务时间，提高网络资源利用率。

为了满足网络中多种类型的业务流传输需求，可采用网络切片技术，即在同一物理网络的基础上，利用SDN和网络虚拟化等技术，按需构建多个网络切片，实现对不同用户需求的有效支持，提升用户业务体验。尽管SDN及网络切片可显著提升网络业务支持能力，但SDN网络中的复杂网络架构、网络转发设备异构融合以及多样化业务需求等特性均给路由选择机制以及网络资源分配带来新的问题及挑战。

文献[Alba Xifra Porxas,Shih-Chun Liny,and Min Luo.QoS-AwareVirtualization-Enabled RoutinginSoftware-DefinedNetworks(ICC),2015]提出了一种SDN网络中的多租户管理架构，通过租户隔离、优先级划分和流量分配来满足用户的QoS需求，但该文献未考虑网络负载问题，可能导致部分节点或链路负载过重。文献[粟欣，张黎，龚金金等，一种基于端到端网络切片的用户服务请求选择方法，CN106210042A，2016]提出了一种端到端网络切片的用户服务请求选择方法，通过控制器对用户进行认证与授权，并匹配合适的网络切片，实现用户请求的响应，但该方法未考虑多用户共享物理资源时的资源分配比例。

综上所述，基于SDN的网络环境中如何综合考虑用户的业务需求，节点、链路容量及传输特性等，实现SDN架构下用户的联合路由选择及资源分配方案，从而降低网络时延、均衡网络负载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基于网络切片的SDN联合路由选择及资源分配方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于网络切片的SDN联合路由选择及资源分配方法，包括以下步骤：

S1：软件定义网络(Software DefinedNetwork,SDN)控制器接收用户流传输请求；

S2：控制器根据用户流资源需求，确定候选交换机集合及候选链路集合；

S3：建模网络切片及资源分配标识；

S4：确定网络切片及资源分配限定条件；

S5：建模用户流端到端时延及网络负载；

S6：以用户流端到端时延及网络负载最小化为目标，为各用户流优化确定网络切片策略；

S7：判断各网络切片是否存在共用交换机及共用链路，若存在，则执行步骤S8；否则，执行步骤S9；

S8：判断共用交换机及共用链路是否满足交换机和链路资源约束，若满足，则执行步骤S9；否则，为共用交换机及共用链路执行资源分配策略；

S9：控制器将网络切片及资源分配策略下发至相应交换机，各交换机根据流表完成用户流的路由及资源分配。

进一步，在步骤S1中，所述用户流传输请求的建模为

其中，S_k及D_k分别表示第k个用户流的源及目的交换机，f_k表示第k个用户流的数据流量，

表示第k个用户流的最低传输速率需求，

及

分别表示第k个用户流的交换机计算资源需求量及存储资源需求量。

进一步，步骤S2中，所述候选交换机集合根据用户流的交换机资源需求确定，即N_i作为用户流k的候选交换机，仅当该交换机的计算资源

及存储资源

满足用户流k的资源需求，即

且

以

表示第k个用户流的候选交换机集合，即

所述候选链路集合根据用户流的链路资源需求确定，即L_i,j作为用户流k的候选链路，仅当该链路的带宽资源B_i,j满足用户流k的带宽资源需求，且该链路的发送速率R_i,j满足用户流k的最低发送速率需求

即f_k≤B_i,j且

以

表示第k个用户流的候选链路集合，即

进一步，在步骤S3中，所述建模网络切片与资源分配标识具体为：令x_i,j,k∈{0,1}为用户流k的网络切片标识，若x_i,j,k＝1，则表示为用户流k所分配的网络切片中包含交换机N_i及链路L_i,j，否则，x_i,j,k＝0；

分别表示用户流k占用N_i的计算资源比例及存储资源比例；δ_i,j,k∈[0,1]表示用户流k占用L_i,j的传输资源比例。

进一步，在步骤S4中，所述网络切片及资源分配限定条件包括交换机流守恒，交换机、链路容量及资源分配限定条件，具体的，交换机流守恒条件如下：

用户流k的路由源交换机S_k处仅选择一条输出路径，即

用户流k的中继交换机N_j处输入流量与输出流量相等，即

用户流k的目的交换机D_k处仅选择一条输入路径，即

所述交换机容量限定条件包含交换机计算资源容量与存储资源容量限制条件，建模为：

用户流占用N_i的计算资源不能超过该交换机的计算资源量，即

用户流占用N_i的存储资源不能超过该交换机的存储资源量，即

所述链路容量限定条件为用户流占用L_i,j的链路资源不能超过该链路的带宽资源量，即

所述交换机资源分配限定条件包含交换机计算资源与存储资源分配限制条件，建模为：

用户流占用N_i的计算资源分配比例之和不大于1，即

用户流占用N_i的存储资源分配比例之和不大于1，即

所述链路资源分配限定条件为用户流占用L_i,j的带宽资源分配比例之和不大于1，即

进一步，在步骤S5中，系统端到端时延建模为链路传输时延与交换机排队时延之和，即

其中，D_i,j表示链路传输时延，D_i表示交换机排队时延，对D_i,j与D_i分别建模如下：

建模链路传输时延

建模交换机处理数据过程为M|M|1排队系统，得

其中，μ_i表示N_i的业务服务率，λ_i表示N_i的业务到达率；

所述网络负载建模为链路负载与交换机负载之和，即：

其中，U_i,j表示链路负载，U_i表示交换机负载，对U_i,j与U_i分别建模如下：

建模链路负载

建模交换机负载

其中，

为交换机计算负载，

为交换机存储负载，α为权值系数。

进一步，在步骤S6中，所述网络切片策略是指在满足网络切片及资源分配限定条件下，分别为各用户流确定网络切片策略，即对各用户流k，令

为各流的资源分配策略，以用户流端到端时延及网络负载最小化为目标，优化确定网络切片策略，即：

进一步，在步骤S7中，所述判断各网络切片是否存在共用交换机和共用链路，即判断

是否成立，若成立，则存在共用交换机和共用链路。

进一步，在步骤S8中，所述判断共用交换机和共用链路是否满足交换机和链路资源约束，分别为：

判断交换机N_i的计算资源约束，若用户流占用该交换机的计算资源超过其计算资源量，即

则以交换机排队时延及交换机计算负载最小化为目标，优化确定用户流在N_j处的计算资源分配策略

判断交换机N_i的存储资源约束，若多个用户流占用该交换机的存储资源超过其存储资源量，即

则以交换机存储负载最小化为目标，优化确定用户流在N_j处的存储资源分配策略

判断链路L_i,j的带宽资源约束，若多个用户流占用该链路的带宽资源超过链路带宽资源量，即

则以链路传输时延及链路负载最小化为目标，优化确定用户流在L_i,j处的资源分配策略

进一步，在步骤S9中，所述用户流k的网络切片及资源分配策略即为

本发明的有益效果在于：本发明能有效降低网络端到端时延、均衡网络负载，提升网络稳定性。

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为根据本发明实施例的示例性通信系统框图；

图2为根据本发明实施例的联合路由选择及资源分配流程图；

图3为根据本发明实施例的应用联合路由选择及资源分配方法的通信示意图。

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。

SDN采用OpenFlow实现控制功能与转发功能的分离，由控制器完成网络的控制功能。OpenFlow交换机存储流表，以实现数据流的查找和转发。交换机通过OpenFlow协议经安全通道连接至外部控制器，对流表进行查询和管理。流表包括包头域(Header fields，匹配包头多个域)、活动计数器(Counters)、0个或多个执行行动(Actions)。OpenFlow交换机对数据流进行查找，若匹配，则执行相关策略，否则，通过安全通道将数据流转发到控制器，由控制器执行相应决策。

图1所示为根据本发明实施例的示例性通信系统框图。在该通信系统中，SDN控制平面包含一个集中式控制器；SDN数据平面包含多个分布式的转发设备，其中，转发设备可以是任何支持SDN协议的路由器、交换机、虚拟交换机等。

图2所示为本发明实施例的联合路由选择及资源分配流程图。实施例中的方法包括以下步骤：

S201，控制器接收用户流传输请求；

S202，确定候选交换机集合及候选链路集合；

S203，建模网络切片及资源分配标识；

S204，确定网络切片及资源分配限定条件；

S205，建模用户流端到端时延及网络负载；

S206，以用户流端到端时延及网络负载最小化为目标，为各用户流优化确定网络切片策略；

S207，判断各网络切片是否存在共用交换机和共用链路，若存在共用交换机和共用链路，则执行S208；否则，执行S209；

S208，判断共用交换机及共用链路是否满足交换机和链路资源约束，若满足，则执行S209；否则，为共用交换机及共用链路执行资源分配策略；

S209，控制器将网络切片及资源分配策略下发至相应交换机，各交换机根据流表完成用户流的路由及资源分配。

图3所示为根据本发明实施例的应用联合路由选择及资源分配方法的通信示意图，以下结合实施例对路由选择过程作具体说明：

(1)数据流f₁,f₂分别向源交换机S₁,S₂发送路由请求。

(2)源交换机S₁,S₂查找到本地流表中不存在匹配流表项，则执行S201，向控制器发送路由请求消息。

(3)控制器执行S202，确定f₁的候选交换机集合

与候选链路集合

确定f₂的候选交换机集合

与候选链路集合

(4)控制器执行S203，建模网络切片与资源分配标识。

(5)控制器执行S204，确定网络切片与资源分配限定条件。

(6)控制器执行S205，建模用户流端到端时延及网络负载，则可得目标函数

及

(7)控制器执行步骤S206，确定f₁网络切片策略为

设置f₁的资源分配策略为

f₂网络切片策略为

设置f₂的资源分配策略为

(8)控制器执行步骤S207，判断出f₁和f₂存在共享节点N₃，没有共享链路，则执行S208。

(9)控制器执行步骤S208，判断共享节点N₃是否满足节点资源约束，假设共享节点N₃满足节点资源约束，则执行S210。

(10)各交换机执行S210，完成f₁和f₂的路由及资源分配。

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 (9)

1.一种基于网络切片的SDN联合路由选择及资源分配方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1：软件定义网络SDN控制器接收用户流传输请求；

S2：控制器根据用户流资源需求，确定候选交换机集合及候选链路集合；

S3：建模网络切片及资源分配标识；

S4：确定网络切片及资源分配限定条件；

S5：建模用户流端到端时延及网络负载；

S6：以用户流端到端时延及网络负载最小化为目标，为各用户流优化确定网络切片策略；

S7：判断各网络切片是否存在共用交换机及共用链路，若存在，则执行步骤S8；否则，执行步骤S9；

S8：判断共用交换机及共用链路是否满足交换机和链路资源约束，若满足，则执行步骤S9；否则，为共用交换机及共用链路执行资源分配策略；

S9：控制器将网络切片及资源分配策略下发至相应交换机，各交换机根据流表完成用户流的路由及资源分配；

在步骤S3中，所述建模网络切片与资源分配标识具体为：令x_i,j,k∈{0,1}为用户流k的网络切片标识，若x_i,j,k＝1，则表示为用户流k所分配的网络切片中包含交换机N_i及链路L_i,j，否则，x_i,j,k＝0；

分别表示用户流k占用N_i的计算资源比例及存储资源比例；δ_i,j,k∈[0,1]表示用户流k占用L_i,j的传输资源比例。

2.根据权利要求1所述的一种基于网络切片的SDN联合路由选择及资源分配方法，其特征在于：在步骤S1中，所述用户流传输请求的建模为

其中，S_k及D_k分别表示第k个用户流的源及目的交换机，f_k表示第k个用户流的数据流量，

表示第k个用户流的最低传输速率需求，

及

分别表示第k个用户流的交换机计算资源需求量及存储资源需求量。

3.根据权利要求1所述的一种基于网络切片的SDN联合路由选择及资源分配方法，其特征在于：步骤S2中，所述候选交换机集合根据用户流的交换机资源需求确定，即N_i作为用户流k的候选交换机，仅当该交换机的计算资源

及存储资源

满足用户流k的资源需求，即

且

以

表示第k个用户流的候选交换机集合，即

所述候选链路集合根据用户流的链路资源需求确定，即L_i,j作为用户流k的候选链路，仅当该链路的带宽资源B_i,j满足用户流k的带宽资源需求，且该链路的发送速率R_i,j满足用户流k的最低发送速率需求

即f_k≤B_i,j且

以

表示第k个用户流的候选链路集合，即

4.根据权利要求1所述的一种基于网络切片的SDN联合路由选择及资源分配方法，其特征在于：在步骤S4中，所述网络切片及资源分配限定条件包括交换机流守恒，交换机、链路容量及资源分配限定条件，具体的，交换机流守恒条件如下：

用户流k的路由源交换机S_k处仅选择一条输出路径，即

用户流k的中继交换机N_j处输入流量与输出流量相等，即

用户流k的目的交换机D_k处仅选择一条输入路径，即

所述交换机容量限定条件包含交换机计算资源容量与存储资源容量限制条件，建模为：

用户流占用N_i的计算资源不能超过该交换机的计算资源量，即

用户流占用N_i的存储资源不能超过该交换机的存储资源量，即

所述链路容量限定条件为用户流占用L_i,j的链路资源不能超过该链路的带宽资源量，即

所述交换机资源分配限定条件包含交换机计算资源与存储资源分配限制条件，建模为：

用户流占用N_i的计算资源分配比例之和不大于1，即

用户流占用N_i的存储资源分配比例之和不大于1，即

所述链路资源分配限定条件为用户流占用L_i,j的带宽资源分配比例之和不大于1，即

5.根据权利要求1所述的一种基于网络切片的SDN联合路由选择及资源分配方法，其特征在于：在步骤S5中，系统端到端时延建模为链路传输时延与交换机排队时延之和，即

其中，D_i,j表示链路传输时延，D_i表示交换机排队时延，对D_i,j与D_i分别建模如下：

建模链路传输时延

建模交换机处理数据过程为M|M|1排队系统，得

其中，μ_i表示N_i的业务服务率，λ_i表示N_i的业务到达率；

所述网络负载建模为链路负载与交换机负载之和，即：

其中，U_i,j表示链路负载，U_i表示交换机负载，对U_i,j与U_i分别建模如下：

建模链路负载

建模交换机负载

其中，

为交换机计算负载，

为交换机存储负载，α为权值系数。

6.根据权利要求1所述的一种基于网络切片的SDN联合路由选择及资源分配方法，其特征在于：在步骤S6中，所述网络切片策略是指在满足网络切片及资源分配限定条件下，分别为各用户流确定网络切片策略，即对各用户流k，令

为各流的资源分配策略，以用户流端到端时延及网络负载最小化为目标，优化确定网络切片策略，即：

7.根据权利要求1所述的一种基于网络切片的SDN联合路由选择及资源分配方法，其特征在于：在步骤S7中，所述判断各网络切片是否存在共用交换机和共用链路，即判断

是否成立，若成立，则存在共用交换机和共用链路。

8.根据权利要求1所述的一种基于网络切片的SDN联合路由选择及资源分配方法，其特征在于：在步骤S8中，所述判断共用交换机和共用链路是否满足交换机和链路资源约束，分别为：

判断交换机N_i的计算资源约束，若用户流占用该交换机的计算资源超过其计算资源量，即

则以交换机排队时延及交换机计算负载最小化为目标，优化确定用户流在N_j处的计算资源分配策略

判断交换机N_i的存储资源约束，若多个用户流占用该交换机的存储资源超过其存储资源量，即

则以交换机存储负载最小化为目标，优化确定用户流在N_j处的存储资源分配策略

判断链路L_i,j的带宽资源约束，若多个用户流占用该链路的带宽资源超过链路带宽资源量，即

则以链路传输时延及链路负载最小化为目标，优化确定用户流在L_i,j处的资源分配策略

9.根据权利要求1所述的一种基于网络切片的SDN联合路由选择及资源分配方法，其特征在于：在步骤S9中，所述用户流k的网络切片及资源分配策略即为

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