CN108243066B - 低延迟的网络服务请求部署方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低延迟的网络服务请求部署方法，其将用户服务请求转换工作流模型网络服务请求；当被处理集合非空且其内的VNF为源点，将源点部署于指定位置；当被处理集合非空，其内的VNF非源点，若被处理集合的VNF的父VNF已部署，将相应VNF存储至准备处理集合中；选取准备处理集合中的VNF作为待部署VNF，判断底层网络中是否存在可以部署待部署VNF部署的底层节点，若存在，将待部署VNF部署在底层节点上，将其存至已部署集合；当被处理集合已遍历完，删除被处理集合和准备处理集合中与已部署集合中相同的所有VNF，清空已部署集合；当删除的VNF非目的点，将其子VNF加入被处理集合；当被处理集合为空，输出部署方案。

Description

低延迟的网络服务请求部署方法

技术领域

本发明涉及网络服务请求的部署领域，具体涉及一种低延迟的网络服务请求部署方法。

背景技术

在目前已经有一些关于非SFC(服务功能链)型的网络服务的部署的算法出现，有关研究人员提出了多提供商的网络服务嵌入问题的完整解决方案。他们将网络服务嵌入问题分解成以下两个问题：1)网络功能图划分；2)将网络功能子图映射到数据中心网络中。该研究为了采用近乎最优的方式解决以上两个问题，提出了一个整数线性规划模型。

该技术方案详细说明了网络功能图的划分方式以及网络功能子图的映射方法。采用该模型进行服务功能链部署时，该模型虽然能节约服务成本和资源开销，但是其在划分成子图的过程中将会产生虚拟网关的资源开销以及产生相应的一些额外的链路，额外的链路会产生大量的带宽和计算资源开销。

发明内容

为了达到上述发明目的，本发明提供的低延迟的网络服务请求部署方法可以为网络运营商们提供高效率、低延迟的网络服务映射方案，同时提升用户的服务体验质量。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种低延迟的网络服务请求部署方法，其包括：

获取底层网络及用户服务请求和服务请求中虚拟网络功能间数据流流向；

根据数据流流向连接服务请求中的虚拟网络功能、目的点和源点，形成工作流模型网络服务请求；

初始化被处理集合和准备处理集合为源点及初始化已部署集合为空；

当被处理集合不为空集时，若其内的虚拟网络功能为源点，则将源点指定部署的底层节点作为待部署虚拟网络功能的底层节点，并将源点的部署位置存储至部署方案；

当被处理集合不为空集时，若其内的虚拟网络功能非源点，则遍历被处理集合中的虚拟网络功能，若被处理集合的虚拟网络功能的上一个虚拟网络功能已部署，则将相应虚拟网络功能存储至准备处理集合中；

根据虚拟网络功能部署的优先级大小关系选取准备处理集合中的虚拟网络功能作为待部署虚拟网络功能，并判断底层网络中是否存在满足设定条件、且到其上一个虚拟网络功能部署的部署位置总延迟最小的底层节点：

若存在，则将待部署虚拟网络功能部署在底层节点上，并将其存至已部署集合，同时将虚拟网络功能的部署位置和部署路径存储至部署方案；否则，输出底层网络不能成功部署用户服务请求的部署方案；

删除被处理集合和准备处理集合中与已部署集合中相同的所有虚拟网络功能，并清空已部署集合的虚拟网络功能；

当删除的虚拟网络功能不是目的点时，将其在工作流模型网络服务请求中的下一个虚拟网络功能加入被处理集合，并判断被处理集合是否为空；

当被处理集合为空时，输出存储有虚拟网络功能的部署位置和部署路径的部署方案。

与现有技术的服务请求部署方法，本发明的有益效果为：

(1)部署阻塞率低：本方案在进行虚拟网络部署时，由于每部署一个虚拟网络功能以及一条虚拟链路时都会考虑到全网的资源情况，因此对于每一个部署到底层网络中的服务请求的部署方案都是接近全局最优的，这样可以腾出更多的资源来承载后面到来的请求。

(2)部署效率高：由于本方案每条虚拟路径在底层网络中的部署路径越长，意味着最后的响应时间也将越大，因此，在寻找合适的节点部署虚拟网络功能时会尽可能靠近其前面一个虚拟网络功能的部署位置，因此大大的节约了全网搜索合适节点的时间，从而降低了请求部署的时间。

(3)响应时间低。与部署效率高这一点提到的原因相同，由于虚拟链路部署的路径短，再加上本方案考虑并行处理实现虚拟网络功能，因此可以极大地降低整个服务请求的响应延迟。

附图说明

图1为低延迟的网络服务请求部署方法的流程图。

图2为选取满足设定条件、且到待部署虚拟网络功能上一个虚拟网络功能部署的位置点总延迟最小的底层节点的方法的流程图。

图3为工作流模型网络服务请求的示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，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。

参考图1，图1示出了低延迟的网络服务请求部署方法的流程图；如图1所示，该方法100包括步骤101至步骤115。

在步骤101中，获取底层网络及用户服务请求和服务请求中虚拟网络功能间数据流流向。

其中，底层网络的拓扑图采用G_T＝(V_T,E_T)建模表示，其中V_T＝{v₁,v₂…v_|VT|}表示底层网络节点集合，|V_T|表示底层节点的数量；E_T＝{e₁,e₂,…,e_|ET|}表示底层网络中边的集合，|E_T|表示物理链路的数量。

用户服务请求SRC由一个VNF(虚拟网络功能)集合NFs＝{f₁,f₂,…,f_n}，一个源点s，一个目的点t，一个VNF依赖关系集合D_f组成，即SRC＝{NFs,s,t,D_f}，其中VNF依赖关系集合D_f为服务请求中虚拟网络功能间数据流流向

NFs集合中下标n表示SRC请求中VNF的数量。以下即为其中一种SRC的形式：NFs＝{f₁,f₂,f₃,f₄}，D_f＝{f₁->f₂,f₃->f₄}。其中f₁->f₂表示数据流必须从虚拟网络功能f₁流向虚拟网络功能f₂。

NFs中的每个VNFf_i都有一些特定的属性：所需要的CPU计算资源C_f,i，处理延迟D_p,i，出度带宽资源B_f,i以及出度传输时延D_t,i。为了方便计算总的资源以及时延开销，在本发明中源点s也有与上述VNF一样的特定属性B_f,i和D_t,i，但是其并不具备功能性，所以没有CPU计算资源需求和处理延迟。

在步骤102中，根据数据流流向连接服务请求中的虚拟网络功能、目的点和源点，形成工作流模型网络服务请求。

在本发明的一个实施例中，根据数据流流向连接服务请求中的虚拟网络功能、目的点和源点，形成工作流模型网络服务请求进一步包括：

根据数据流流向连接虚拟网络功能，形成多条链路；

将每条链路的第一个虚拟网络功能与源点连接，将每条链路的最后一个虚拟网络功能与目的点连接，形成工作流模型网络服务请求。

下面结合附图3对工作流模型网络服务请求的形成进行说明：

假设服务请求的NFs＝{f₁,f₂,f₃,f₄}以及D_f＝{f₁->f₂,f₃->f₄}，首先根据D_f中的数据流流向f₁->f₂连接虚拟网络功能f₁和虚拟网络功能f₂，之后根据数据流流向f₃->f₄连接虚拟网络功能f₃和虚拟网络功能f₄形成两条链路。

之后找到两条链路中的第一个虚拟网络功能f₁和虚拟网络功能f₃，将虚拟网络功能f₁和虚拟网络功能f₃分别与源点连接。

之后找到两条链路中的最后一个虚拟网络功能f₂和虚拟网络功能f₃，将虚拟网络功能f₂和虚拟网络功能f₄分别与目的点连接。

在步骤103中，初始化被处理集合和准备处理集合为源点及初始化已部署集合为空。

在步骤104中，判断被处理集合是否为空集，若是为空集进入步骤105，若是非空集，则进入步骤106中。

在步骤105中，输出存储有虚拟网络功能的部署位置和部署路径的部署方案。

在步骤106中，判断被处理集合内的虚拟网络功能是否为源点，若是为源点，则进入步骤107中，否则进入步骤108中。

在步骤107中，将源点指定部署的底层节点作为待部署虚拟网络功能的底层节点，并将源点的部署位置存储至部署方案。

在步骤108中，遍历被处理集合中的虚拟网络功能，若被处理集合的虚拟网络功能的上一个虚拟网络功能已部署，则将相应虚拟网络功能存储至准备处理集合中。虚拟网络功能的上一个虚拟网络功能也可以表述为父VNF功能，虚拟网络功能的下一个虚拟网络功能也可以表述为子VNF。

在步骤109中，根据虚拟网络功能部署的优先级大小关系选取准备处理集合中的虚拟网络功能作为待部署虚拟网络功能。此处的优先级大小关系优选用由大至小的选取方式。

实施时，本方案优选虚拟网络功能部署的优先级的计算公式为：

其中，grade(f_i)为虚拟网络功能f_i的优先级；child(f_i)为虚拟网络功能f_i的子虚拟网络功能集合，B_i,j为连接虚拟网络功能f_i与虚拟网络功能f_j的虚拟链路所需要的带宽资源；grade(f_j)为虚拟网络功能f_j的优先级。

在步骤110中，判断底层网络中是否存在满足设定条件、且到其上一个虚拟网络功能部署的部署位置总延迟最小的底层节点，若存在则进入步骤112，否则进入步骤111。

在步骤111中，输出底层网络不能成功部署用户服务请求的部署方案。

在步骤112中，将待部署虚拟网络功能部署在底层节点上，并将其存至已部署集合，同时将虚拟网络功能的部署位置和部署路径存储至部署方案。

在步骤113中，判断被处理集合中的虚拟网络功能是否已遍历完，若是遍历完了，则进入步骤114，否则进入步骤108。

在步骤114中，删除被处理集合和准备处理集合中与已部署集合中相同的所有虚拟网络功能，并清空已部署集合的虚拟网络功能。

在步骤115中，当删除的虚拟网络功能不是目的点时，将其在工作流模型网络服务请求中的下一个虚拟网络功能加入被处理集合，并进入步骤104。

在实施时，本方案优选设定条件包括计算资源约束条件、带宽资源约束条件及非目的点指定部署的底层节点。

其中，计算资源约束条件包括：(1)底层节点的可用CPU计算资源必须大于等于所有部署在其上的虚拟网络功能所需要的资源总和，(2)虚拟网络功能f_i流向虚拟网络功能f_j的数据流不能超过部署虚拟网络功能f_j的底层节点v_k的处理能力。

计算资源约束条件还可以包括：(3)某个VNF是否部署在指定的底层节点上，如果VNF f_i部署在底层节点v_k上，则输出1，否则输出0。

资源约束条件的第一点(1)可以用一小表达式进行表达：

资源约束条件的第二点(2)可以用一小表达式进行表达：

资源约束条件的第三点(3)可以用一小表达式进行表达：

其中，f_i为虚拟网络功能；v_k为当前底层节点；为一个表示虚拟网络功能部署情况的变量，如果NFs中的VNFf_i部署在底层节点v_k上，那么该变量值就为1，否则该值就为0。NFs为用户服务请求中的虚拟网络功能集合；SRC_s为用户服务请求；C_f,i为待部署虚拟网络功能的CPU计算资源；为当前底层节点可用的CPU计算资源；V_T为底层网络的底层节点集合；Data_flow,i,j为从虚拟网络功能f_i流向虚拟网络功能f_j的数据流；P_flow,i,j为从从虚拟网络功能f_i流向虚拟网络功能f_j的数据流的数目；

为底层节点v_k的数据流处理能力。

在实施时，本方案优选计算带宽资源约束条件包括：(1)所有部署在底层边e_x上的链路的带宽需求总和必须小于等于底层边e_x的可用带宽资源，及(2)连接VNFf_i与VNFf_j的虚拟链路l_i,j是否部署在底层边e_x上，如果l_i,j部署在e_x上，则输出1，否则输出0。

计算带宽资源约束条件的第二点(2)可以用一小表达式进行表达：

计算带宽资源约束条件的第二点(2)可以用一小表达式进行表达：

其中，

是表示虚拟链路部署情况的变量，其中如果虚拟链路l_i,j部署在底层边e_x上，那么该变量值就为1，否则为0；f_i为虚拟网络功能；l_i,j为从f_i连接到f_j的虚拟链路；e_x为底层边；Data_flow,i,j为从虚拟网络功能f_i流向虚拟网络功能f_j的数据流；

为底层边ex的所有带宽资源；E_T为底层网络中的底层边集合；B_f,i为VNFf_i需要的初度带宽资源。

参考图2，图2示出了选取满足设定条件、且到待部署虚拟网络功能上一个虚拟网络功能部署的位置点总延迟最小的底层节点的方法的流程图；图2所示，该方法200包括步骤201至步骤218。

在步骤201中，获取待部署虚拟网络功能的上一个虚拟网络功能的部署位置，并将其上一个虚拟网络功能存储至父集合；

在步骤202中，判断待部署虚拟网络功能时否为目的点，若是则进入步骤203，否则进入步骤207。

由于在步骤106和步骤107已对源点的部署方式进行了说明，那么在后续步骤108至步骤115及方法200中的步骤201至步骤208中均已排除源点的部署方式。

在步骤203中，依次遍历父集合中的虚拟网络功能，采用Dijkstra算法计算父集合中的虚拟网络功能到目的点的每条路径的总延迟。

在步骤204中，判断父集合中的每个虚拟网络功能是否具有最小总延迟的路径，若有，则进入步骤205，否则进入步骤206中。在步骤205中，将相应路径加入部署方案中，并将目的点指定部署的底层节点作为待部署虚拟网络功能的底层节点。

在步骤206中，输出底层网络中不存在部署待部署虚拟网络功能的底层节点。

在步骤207中，遍历底层网络中的底层节点，并初始化当前底层节点的max变量＝-1。

在步骤208中，判断当前底层节点是否满足设定条件中计算资源约束条件及非目的点指定部署的底层节点，若是满足则进入步骤209，否则，返回步骤207遍历底层网络中的下一个底层节点。

在步骤209中，遍历父集合中的虚拟网络功能，并初始化当前底层节点的delay＝0；

在步骤210中，判断当前底层节点是否满足预设条件，若是满足，则进入步骤211，否则，返回步骤207遍历底层网络中的下一个底层节点。

实施时，本方案的预设条件可以设置为底层节点不是待部署虚拟网络功能前方的虚拟网络功能的部署位置。

实施时，本方案的预设条件还可以设置为底层节点不是待部署虚拟网络功能前方的虚拟网络功能的部署位置及不是与待部署虚拟网络功能同级的虚拟网络功能的部署位置。

在步骤211中，在当前底层节点满足设定条件中的带宽资源约束条件时，采用Dijkstra算法计算当前底层节点到父集合中的虚拟网络功能的每条路径的总延迟。

在步骤212中，判断当前底层节点到父集合中的虚拟网络功能是否有最小总延迟min的最小路径，若有，则进行步骤214，否则进行步骤213。

在步骤213中，不更新当前底层节点的delay。

在步骤214中，令当前底层节点的delay＝min。

在步骤215中，当当前底层节点的max变量小于其delay时，则令当前底层节点的max变量等于其delay。

在步骤216中，判断父集合中虚拟网络功能是否已遍历完，若是已遍历完，则进入步骤217，否则，返回步骤209。

在步骤217中，判断底层网络中的所有底层节点时否已遍历完，若已遍历完，则进入步骤218，否则返回步骤207。

在步骤218中，搜索底层网络中拥有最小max变量的底层节点，并将拥有最小max变量的底层节点作为待部署虚拟网络功能的底层节点。

下面对本方案设计的低延迟的网络服务请求部署方法的实施部署场景进行说明：

该发明技术可以运用于大数据处理过程中，将用户的需求转化成收集大量原始数据，并通过workflow模型的服务请求方式来部署在由云数据中心以及各类服务器构成的底层网络上，经过一系列的大数据存储，分类，分析等不同的服务功能处理后最终得到一个结果集反馈给用户。用户可以根据这个结果集做出各种前景预测分析并进一步推动科技的发展。与此同时，由于这个workflow模型的服务请求处理方式采用并行处理的方式来实现各个阶段的数据处理，因此虽然大数据所需要处理的数据量非常大，但是采用这种模式进行数据分析将会大大降低整个服务请求响应时间，一方面为研究人员节约了大量的时间来进行重复的数据分析以验证结果的正确性，另一方面可以帮助用户更快的享受到大数据处理带来的方便快捷。

同时该发明技术也可以部署在SDN网络(网络运营商网络)中，以实现网络服务请求低响应延迟的部署，并节约服务部署时间。SDN网络——相对于传统网络架构而言，SDN是一种革命性的变革。它将控制功能从网络交换设备中分离出来，将其移入逻辑上独立的控制环境——网络控制系统之中，并且SDN网络基于OpenFlow协议传输报文。该系统可在通用的服务器上运行，任何用户可随时、直接进行控制功能编程。因此，控制功能既不再局限于路由器中，也不再局限于只有设备的生产厂商才能够编程和定义。SDN的本质是逻辑集中控制层的可编程化。

SDN有助于实现网络的虚拟化，从而实现了网络的计算和存储资源的整合，最终使得只要通过一些简单的软件工具组合，就能实现对整个网络的控制和管理。这是SDN网络的众多优势之一，也是决定可以用它实现低响应延迟的网络服务请求部署的关键因素。

下面对低延迟的网络服务请求部署方法实施部署进行说明：

网络运营商可以将本专利所提出的低延迟的网络服务请求部署方法部署在SDN的控制路由器中的控制层上，SDN控制路由器可以调度自身带有的控制管理功能收集整个底层网络的信息，获取网络中的所有节点以及链路资源的情况，以及节点之间的连接拓扑情况。通过这种集中式的控制方式该路由器就可以获取全网的拓扑以及相应的资源信息。

当有多个来自用户的网络服务请求在相同或不同时间到来时，SDN控制器可以根据自己掌握的全网信息，调度部署在该控制器上的低延迟的服务请求部署算法，将原始的网络服务请求设计成workflow模型的请求方式，并将设计好后的请求部署在全网拓扑中，计算出部署所需要的部署时间，服务请求在网络中的响应时间，服务请求的接受率等关键参数，并反馈给网络运营商。

Claims (9)

1.低延迟的网络服务请求部署方法，其特征在于，包括：

获取底层网络及用户服务请求和服务请求中虚拟网络功能间数据流流向；

根据数据流流向连接服务请求中的虚拟网络功能、目的点和源点，形成工作流模型网络服务请求；

初始化被处理集合和准备处理集合为源点及初始化已部署集合为空；

当被处理集合不为空集时，若其内的虚拟网络功能为源点，则将源点指定部署的底层节点作为待部署虚拟网络功能的底层节点，并将源点的部署位置存储至部署方案；

当被处理集合不为空集时，若其内的虚拟网络功能非源点，则遍历被处理集合中的虚拟网络功能，若被处理集合的虚拟网络功能的上一个虚拟网络功能已部署，则将相应虚拟网络功能存储至准备处理集合中；

根据虚拟网络功能部署的优先级大小关系选取准备处理集合中的虚拟网络功能作为待部署虚拟网络功能，并判断底层网络中是否存在满足设定条件、且到其上一个虚拟网络功能部署的部署位置总延迟最小的底层节点：

若存在，则将待部署虚拟网络功能部署在底层节点上，并将其存至已部署集合，同时将虚拟网络功能的部署位置和部署路径存储至部署方案；否则，输出底层网络不能成功部署用户服务请求的部署方案；

当被处理集合中的虚拟网络功能已遍历完，删除被处理集合和准备处理集合中与已部署集合中相同的所有虚拟网络功能，并清空已部署集合的虚拟网络功能；

当删除的虚拟网络功能不是目的点时，将其在工作流模型网络服务请求中的下一个虚拟网络功能加入被处理集合，并判断被处理集合是否为空；

当被处理集合为空时，输出存储有虚拟网络功能的部署位置和部署路径的部署方案。

2.根据权利要求1所述的低延迟的网络服务请求部署方法，其特征在于，所述设定条件包括计算资源约束条件、带宽资源约束条件及非目的点指定部署的底层节点。

3.根据权利要求2所述的低延迟的网络服务请求部署方法，其特征在于，选取底层网络中满足设定条件、且到待部署虚拟网络功能上一个虚拟网络功能部署的位置点总延迟最小的底层节点的方法包括：

获取待部署虚拟网络功能的上一个虚拟网络功能的部署位置，并将其上一个虚拟网络功能存储至父集合；

当待部署虚拟网络功能为目的点时，依次遍历父集合中的虚拟网络功能，采用Dijkstra算法计算父集合中的虚拟网络功能到目的点的每条路径的总延迟；

判断父集合中的每个虚拟网络功能是否具有最小总延迟的路径：

若有，则将相应路径加入部署方案中，并将目的点指定部署的底层节点作为待部署虚拟网络功能的底层节点；否则，输出底层网络中不存在部署待部署虚拟网络功能的底层节点；

当待部署虚拟网络功能非目的点或源点时，遍历底层网络中的底层节点，并初始化当前底层节点的max变量＝-1；

当当前底层节点满足设定条件中计算资源约束条件及非目的点指定部署的底层节点时，遍历父集合中的虚拟网络功能，并初始化当前底层节点的delay＝0；

判断当前底层节点是否满足预设条件：

若不满足，则返回遍历底层网络的下一个底层节点；否则，在当前底层节点满足设定条件中的带宽资源约束条件时，采用Dijkstra算法计算当前底层节点到父集合中的虚拟网络功能的每条路径的总延迟；

判断当前底层节点到父集合中的虚拟网络功能是否有最小总延迟min的最小路径：

若有，则令当前底层节点的delay＝min，否则不更新当前底层节点的delay；

当当前底层节点的max变量小于其delay时，则令当前底层节点的max变量等于其delay；

当父集合中虚拟网络功能未遍历完，返回遍历底层网络的下一个底层节点；

当父集合中虚拟网络功能已遍历完，且当底层网络中的所有底层节点已遍历完时，搜索底层网络中拥有最小max变量的底层节点，并将拥有最小max变量的底层节点作为待部署虚拟网络功能的底层节点。

4.根据权利要求3所述的低延迟的网络服务请求部署方法，其特征在于，所述预设条件为底层节点不是待部署虚拟网络功能前方的虚拟网络功能的部署位置。

5.根据权利要求3所述的低延迟的网络服务请求部署方法，其特征在于，所述预设条件为底层节点不是待部署虚拟网络功能前方的虚拟网络功能的部署位置及不是与待部署虚拟网络功能同级的虚拟网络功能的部署位置。

6.根据权利要求2-5任一所述的低延迟的网络服务请求部署方法，其特征在于，所述计算资源约束条件包括底层节点的可用CPU计算资源必须大于等于所有部署在其上的虚拟网络功能所需要的资源总和，虚拟网络功能f_i流向虚拟网络功能f_j的数据流不能超过部署虚拟网络功能f_j的底层节点v_k的处理能力。

7.根据权利要求2-5任一所述的低延迟的网络服务请求部署方法，其特征在于，所述带宽资源约束条件包括所有部署在底层边e_x上的链路的带宽需求总和必须小于等于底层边e_x的可用带宽资源。

8.根据权利要求1-5任一所述的低延迟的网络服务请求部署方法，其特征在于，所述虚拟网络功能部署的优先级的计算公式为：

其中，grade(f_i)为虚拟网络功能f_i的优先级；child(f_i)为虚拟网络功能f_i的子虚拟网络功能集合，B_i,j为连接虚拟网络功能f_i与虚拟网络功能f_j的虚拟链路所需要的带宽资源；grade(f_j)为虚拟网络功能f_j的优先级。

9.根据权利要求1-5任一所述的低延迟的网络服务请求部署方法，其特征在于，所述根据数据流流向连接服务请求中的虚拟网络功能、目的点和源点，形成工作流模型网络服务请求进一步包括：

根据所述数据流流向连接虚拟网络功能，形成多条链路；

将每条链路的第一个虚拟网络功能与源点连接，将每条链路的最后一个虚拟网络功能与目的点连接，形成工作流模型网络服务请求。

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