CN108259238A - 数据中心中网络功能服务链映射的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及网络功能服务链映射的方法,特别涉及一种数据中心中网络功能服务链映射的方法,包括:开始映射VNF,判断是否满足约束条件,若满足,则将VNF映射在具有相同VNF的服务器节点;判断是否有满足资源要求的服务器节点,若有则将不满足约束条件的VNF映射在选择因子最小的服务器节点;若没有满足资源要求的服务器节点,则将VNF拆分映射在符合拆分条件的服务器节点;在满足约束条件的情况下采用fit‑first思想来映射SFC链路;本发明综合考虑在数据中心中网络服务功能链映射的能耗与性能的关系,提出一种在减小能耗的情况下,性能表现最优的映射策略。
Description
技术领域
本发明涉及网络功能服务链映射的方法,特别涉及一种数据中心中网络功能服务链映射的方法。
背景技术
数据报文在网络中传递时,往往需要经过各种各样的业务节点,才能保证网络能够按照设计要求,提供给用户安全、快速、稳定的网络服务。这些业务节点(Service Node,SN)包括熟知的防火墙(FireWalls,FW)、入侵检测(Intrusion Prevention System,IPS)、负载均衡(Load Balancing,LB)等。通常,网络流量需要按照业务逻辑所要求的既定顺序穿过这些业务点,才能实现所需要的安全业务。由于网络功能虚拟化(Network FunctionVirtualization,NFV)的发展,因此可将网络服务与具体的硬件分开。因此,像网络地址解读(Network Address Translation,NAT)、防火墙、入侵检测、域名服务(Domain NameService,DNS)和缓存这些的网络服务,能够以软件的形式交付,并部署在通用的硬件平台上。软件定义网络(Software Define Networking,SDN)可以通过集中控制,使得控制器生成能够自动形成业务功能链的流表。在这两者(SDN和NFV)基础上建立的功能链就被称为服务功能链(Service Function Chain,SFC),这就为网络服务的设计、部署和管理带来了很大灵活性和弹性。
因此SFC的映射部署问题是现在很热门的一个研究问题,而目前的大多数研究并没有综合考虑并没有综合考虑能耗,包接受率,碎片资源利用率等性能指标,有些研究为了降低能耗,以使用最少的服务器和交换机为目的,而忽略了同一SFC中的NFV映射到同一服务器节点带来的低可用性,不同NFV之间的流量特性以及顺序的影响,并且忽略了热点效应的影响,使包接受率还有待提高,而有些研究为了负载均衡,并没有考虑到能耗问题,对于NFV的拆分映射,并没有考虑流量特性对拆分后的子服务功能映射的物理位置有影响。
发明内容
针对上述问题,本发明提出一种数据中心中网络功能服务链映射的方法,包括:
开始映射网络功能虚拟化VNF,首先判断是否有服务器节点上有与需要映射的VNF相同的VNF,若有则继续判断是否满足约束条件,若满足,则将VNF映射在具有相同VNF的服务器节点上,其中约束条件包括第一容量约束条件、第一映射约束条件、第一资源约束条件和第一宽带约束条件;
若不满足映射约束条件或者没有服务器节点有与需要映射的VNF相同的VNF,则继续判断是否有满足资源要求的服务器节点,若有,则将VNF映射在选择因子最小的服务器节点上;
若没有满足资源要求的服务器节点,则将VNF拆分映射在符合拆分条件的服务器节点上;
判断之前的映射是否成功,若不成功,则在未开启的物理服务器中找到可映射的物理节点;
在满足第一容量约束条件的情况下采用首次适应fit-first思想来映射SFC链路。
优选的,第一容量约束条件保证服务器上已经实例过功能f,则一定有一条SFC请求的该功能映射在这台服务器上,还保证了只要某条SFC请求的某个VNF被映射在上,则一定有对应的功能f在此台服务器上进行了配置,具体表示为:
其中,Gr表示所有功能链请求用加权有向图,Vr表示当前用户所需求的虚拟网络功能,表示请求r的第i个虚拟网络功能的功能类型,表示虚拟网络功能与物理节点的关系,表示请求r的第l个虚拟网络功能,表示物理节点集合中第j个物理节点,表示服务功能类型f与物理节点的关系,ω表示含有虚拟网络功能类型的功能链的条数。
优选的,选择因子为:
其中,R(u,v)表示关联度函数,Q(q)表示热点因子,a表示当前服务器节点的剩余资源与当前VNF所需资源的差值。
优选的,将VNF拆分映射在符合拆分条件的服务器节点上包括:
首先,若将VNF拆分映射,需要满足第一容量约束条件、第二映射约束条件、第二资源约束条件和第二带宽约束条件;
其次,若VNF被拆分后其虚拟链路也相应的被拆分,需要计算VNF被拆分后所需要的链路带宽;
最后,若当前需要映射的虚拟网络功能所需的节点资源向上取整的值为n,令n依次减去当前选择因子C最小的服务器的拆分因子,直到n等于零;
其中,拆分因子为选择因子C对应的服务器剩余资源数与当前n中未被分配资源数中的较小值。
本发明综合考虑在数据中心中网络服务功能链映射的能耗与性能的关系,提出一种在减小能耗的情况下,性能表现最优的映射策略。
附图说明
图1为本发明4元胖树型结构下数据中心中SFC映射的系统模型图;
图2为本发明信道状态信息估计的流程图;
图3为本发明的SNF请求示意图。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的内容,以下参考说明书附图并举实施例的,对本发明的具体实施例作进一步的阐述。
本发明提供一种数据中心中网络功能服务链映射的办法,如图1,模型中采用k元胖树模型,k元胖树型结构是指有k个核心交换机k个Pod交换机,每个Pod有k/2个汇聚层交换机节点和k/2个接入层交换机节点,每个接入层交换机与k/2个服务器相连,在本发明的实施方案中,令k=4,,网络用户产生或者有运营商提供相应策略来产生SFC请求,该SFC请求表示了该流所需流经的服务功能体的顺序,所述功能服务体为VNF或者服务功能(Service function,SF);定义SF的集合为SF={SF1,SF2,…SFi},其中每个服务功能体SFi代表了映射在网络中不同的服务功能,SFC请求所产生的流需要按特定的顺序流经不同的SF,例如,如图1,用户产生的SFC1请求,所需流经服务功能体为SF4、SF1和SF2;图3表示SFC1请求,其中ing/erg与虚拟网络功能之间的数值表示所需带宽资源,虚拟网络功能下方的数值表示所需节点资源。
本发明一种数据中心中网络功能服务链映射的办法,如图2,包括:
开始映射VNF,首先判断是否有服务器节点上有与需要映射的VNF相同的VNF,若有则继续判断是否满足约束条件,若满足,则将VNF映射在具有相同VNF的服务器节点上,其中约束条件包括第一容量约束条件、第一映射约束条件、第一资源约束条件和第一宽带约束条件;
若不满足映射约束条件或者没有服务器上有与需要映射的VNF相同的VNF,则继续判断是否有满足资源要求的服务器节点,若有,则将VNF映射在选择因子最小的服务器节点上;
若没有满足资源要求的服务器节点,则将VNF拆分映射在符合拆分条件的服务器节点上;
判断之前的映射是否成功,若不成功,则在未开启的物理服务器中找到可映射的物理节点;
在满足第一容量约束条件的情况下采用首次适应fit-first思想来映射SFC链路。
本发明将底层物理网络用加权无向图Gs(Vs,Es)来表示,Vs表示提供计算/存储/转换资源的物理节点,Es表示提供带宽资源的物理链路集合,rE(vs)表示节点的剩余可用资源,rE(ns,ms)表示链路的剩余可用带宽;所有功能链请求用加权有向图由Gr(Vr,Er)来表示,Vr表示当前用户所需求的虚拟网络功能,Er表示各个虚拟功能间虚拟链路集合。
开始映射VNF,判断是否满足第一容量约束条件,第一容量约束条件保证服务器上已经实例过功能f,则一定有一条SFC请求的该功能映射在这台服务器上,还保证了只要某条SFC请求的某个VNF被映射在上,则一定有对应的功能f在此台服务器上进行了配置,具体表示为:
其中,表示请求r的第i个虚拟网络功能的功能类型,表示虚拟网络功能与物理节点的关系,表示请求r的第l个虚拟网络功能,表示物理节点集合中第j个物理节点,表示服务功能类型f与物理节点的关系,ω表示含有虚拟网络功能类型的功能链的条数;
优选的,当请求r的第l个虚拟网络功能映射到物理节点上时为1,否则为0;当服务功能类型f已经在上实例化过时为1,否则为0;
为了保证用户SFC请求的搞可用性,属于同一SFC的VNF节点不能映射到同一物理节点上,即第一映射约束条件:
则每个服务器必须满足每个VNF的计算资源需求,即第一资源约束条件:
在映射过程中要满足映射带宽需求,即第一带宽约束条件:
其中,表示虚拟链路与物理链路(ns,ms)的关系,当虚拟链路映射在物理链路(ns,ms)上为1,否则为0;
若满足,则继续判断是否有服务器上有与需要映射的VNF相同的VNF,若有,则将VNF映射在具有相同VNF的服务器节点上,将每条SFC所需的节点资源之和从大到小排序得到集合S,再依次将每条SFC中的VNF所需节点资源从大到小排序得到集合N,按此顺序在约束条件下映射NVF,若有相同NFV服务器节点可映射,则映射到该节点,映射成功之后,继续映射下一个NFV。
若不满足约束条件或者没有服务器上有与需要映射的VNF相同的VNF,则继续判断是否有满足资源要求的服务器节点,若有,则将VNF映射在选择因子最小的服务器节点上,其中选择因子为:
其中,R(u,v)表示关联度函数,Q(q)表示热点因子,a表示表示当前服务器节点的剩余资源与当前VNF所需资源的差值。
优选的,关联度函数表示为:
其中,P(u,v)表示服务功能体u与服务功能体v间直连的概率,ki表示其他含有服务功能体u到服务功能体v链路的服务功能链请求,表示在这些其他功能链请求中的位于功能体u和v之间的其他功能体,SNFu,v表示网络服务功能链;
关联度函数R(u,v)表示功能体u下一条功能体为v的概率,因此把关联度高的VNF合并到相同服务器上,减少流量环路,减少拥塞。
热门节点的出现,会使缓存器处于高负荷工作时,会导致队列等待时间过长,增大丢包率,会导致网络节点出现拥塞;因此提出一个热点因子函数优选的,热点因子表示为:
其中,q表示当前所占的队列,QMAX表示最大的缓存空间;
Q(q)是小于1的比例值,会随着队列排队越大而变小;因此,为了提高碎片资源利用率,选择|a|小的节点;为了减少热点效应的影响,选择使Q(q)值大的节点;为了避免流量环路,选择关联度高的节点的服务器、选择选择因子C最小的节点作为映射节点。
若没有满足资源要求的服务器节点,则将VNF拆分映射在符合拆分条件的服务器节点上,具体包括:
首先,若VNF被拆分后其虚拟链路也相应的被拆分,需要计算VNF被拆分后所需要的链路带宽;
其次,若将VNF拆分映射,需要满足第一容量约束条件、第二映射约束条件、第二资源约束条件和第二带宽约束条件;
最后,若当前需要映射的虚拟网络功能所需的节点资源向上取整的值为n,令n依次减去当前选择因子C最小的服务器的拆分因子,直到n等于零;
其中,拆分因子为选择因子C对应的服务器剩余资源数与当前n中未被分配资源数中的较小值。
用dv(vr,K,k)表示虚拟网络功能节点vr被拆分成K个子虚拟网络网络功能节点后第k个子虚拟网络节点的资源需求,NFV被拆分后其虚拟链路也相应的被拆分,故拆分后所需要的链路带宽为:
若虚拟链路两端只有一端被拆分,则链路带宽为:
若虚拟链路两端都被拆分,则链路带宽为:
其中,dv(vr,K,k)表示虚拟网络功能节点vr被拆分成K个子虚拟网络网络功能节点后第k个子虚拟网络节点的资源需求,dv(nr)表示虚拟功能节点nr所需要的节点资源,dE(er)表示虚拟功能节点nr所需要的链路资源,dv(mr)表示表示虚拟功能节点mr所需要的节点资源,dE(er,K,k)表示虚拟功能nr被拆分成K个子虚拟网络功能节点后的第k个子虚拟网络网络功能节点的链路资源需求。
节点的第二映射约束条件为:
其中,表示拆分之后虚拟网络功能与物理节点的关系,表示第l个VNF与被拆分的子节点数数量的关系;
当请求r的第l个VNF被拆分Kl个子节点被映射物理节点vs上时为1,否则为0,第l个VNF被拆分成Kl子节点时为1,否则为0。
优选的,第二资源约束条件为:
其中,表示拆分后虚拟网络功能与物理节点vs的关系,表示虚拟功能被拆分成K个子虚拟网络功能节点后的第k个子虚拟网络网络功能节点的资源需求,表示物理节点集合中第j个物理节点的剩余节点资源,表示请求r的第l个虚拟网络功能,表示物理节点集合中第j个物理节点;
当请求r的第l个VNF被拆分为Kl个子节点被映射物理节点vs上时为1,否则为0。
优选的,第二带宽约束条件为:
其中,表示虚拟链路的第k条子虚拟链路映射与物理链路(ns,ms)的关系,表示虚拟功能被拆分成K个子虚拟网络功能节点后的第k个子虚拟网络网络功能节点的链路资源需求,rE(ns,ms)链路剩余可用带宽,(ns,ms)为物理节点,Kl表示第l个VNF被拆分的数量,表示请求r的第l个虚拟网络功能;
当虚拟链路的第k条子虚拟链路映射在物理链路(ns,ms)上时,为1,否则为0。
在未开启的服务器中,从左到右找到一个可映射的物理节点,映射该VNF。
采用first-fit思想,按照每条SFC所需的节点资源之和从大到小排序得到新的SFC集合S,依次将每个功能体的流量分配到最左边满足映射约束对的路径。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成,该程序可以存储于一计算机可读存储介质中,存储介质可以包括:ROM、RAM、磁盘或光盘等。
此外,术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量,由此,限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征,不能理解为对本发明的限制。
以上所举实施例,对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明,所应理解的是,以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.数据中心中网络功能服务链映射的方法,其特征在于,包括:
开始映射网络功能虚拟化VNF,首先判断是否有服务器节点上有与需要映射的VNF相同的VNF,若有则继续判断是否满足约束条件,若满足,则将VNF映射在具有相同VNF的服务器节点,其中约束条件包括第一容量约束条件、第一映射约束条件、第一资源约束条件和第一宽带约束条件;
若不满足映射约束条件或者没有服务器节点有与需要映射的VNF相同的VNF,则继续判断是否有满足资源要求的服务器节点,若有,则将VNF映射在选择因子最小的服务器节点上;
若没有满足资源要求的服务器节点,则将VNF拆分映射在符合拆分条件的服务器节点上;
判断VNF是否成功映射在服务器节点上,若不成功,则在未开启的物理服务器中找到可映射的物理节点;
在满足第一容量约束条件的情况下采用首次适应fit-first思想来映射SFC链路。
2.根据权利要求1所述的数据中心中网络功能服务链映射的方法,其特征在于,第一容量约束条件包括:
第一容量约束条件保证服务器的物理节点上已经实例过功能f,则一定有一条SFC请求的功能f映射在这台服务器上,还保证了SFC请求的VNF被映射在上,则一定有对应的功能f在此台服务器上进行了配置,具体表示为:
其中,Gr表示所有功能链请求用加权有向图,Vr表示当前用户所需求的虚拟网络功能的虚拟节点,表示请求r的第i个虚拟网络功能的功能类型,表示虚拟网络功能与物理节点的关系,表示请求r的第l个虚拟网络功能,表示物理节点集合中第j个物理节点,表示服务功能类型f与物理节点的关系,ω表示含有虚拟网络功能类型的功能链的条数。
3.根据权利要求1所述的数据中心中网络功能服务链映射的方法,其特征在于,所述第一映射约束条件、第一资源约束条件和第一宽带约束条件包括:
第一映射约束条件:
第一资源约束条件:
第一宽带约束条件:
其中,表示虚拟网络功能与物理节点的关系,Gr表示所有功能链请求用加权有向图,表示虚拟链路与物理链路(ns,ms)的关系,Vr表示当前用户所需求的虚拟网络功能的虚拟节点,Vs表示提供计算/存储/转换资源的物理节点,表示物理节点中第j个节点的剩余节点资源,dv(vr)表示表示虚拟功能节点vr所需要的节点资源,表示虚拟链路所需带宽资源,rE(ns,ms)表示链路的剩余可用带宽,表示请求r的第l个虚拟网络功能,表示物理节点集合Vs中第j个物理节点,ns、ms表示物理节点。
4.根据权利要求1所述的数据中心中网络功能服务链映射的方法,其特征在于,所述选择因子为:
其中,R(u,v)表示关联度函数,Q(q)表示热点因子,|a|表示当前服务器节点的剩余资源与当前VNF所需资源的差值a的绝对值。
5.根据权利要求4所述的数据中心中网络功能服务链映射的方法,其特征在于,所述关联度函数为:
其中,P(u,v)表示服务功能体u与服务功能体v间直连的概率,ki表示其他含有服务功能体u到服务功能体v链路的服务功能链请求,表示在这些其他功能链请求中的位于服务功能体u和服务功能体v之间的其他功能体,SFCu,v表示网络服务功能链。
6.根据权利要求4所述的数据中心中网络功能服务链映射的方法,其特征在于,所述热点因子为:
其中,q表示当前所占的队列,QMAX表示最大的缓存空间。
7.根据权利要求1所述的数据中心中网络功能服务链映射的方法,其特征在于,所述将VNF拆分映射在符合拆分条件的服务器节点包括:
首先,若VNF被拆分后其虚拟链路也相应的被拆分,需要根据拆分策略计算VNF被拆分后所需要的链路带宽;
其次,若将VNF拆分映射,需要满足第一容量约束条件、第二映射约束条件、第二资源约束条件和第二带宽约束条件;
最后,若当前需要映射的虚拟网络功能所需的节点资源向上取整的值为n,令n依次减去当前选择因子C最小的服务器的拆分因子,直到n等于零;
其中,拆分因子为选择因子C对应的服务器剩余资源数与当前n中未被分配资源数中的较小值。
8.根据权利要求1所述的数据中心中网络功能服务链映射的方法,其特征在于,所述根据拆分策略计算NFV被拆分后所需要的链路带宽包括:
若虚拟链路两端只有一端被拆分,则链路带宽为:
若虚拟链路两端都被拆分,则链路带宽为:
其中,表示虚拟网络功能节点mr被拆分成K个子虚拟网络网络功能节点后第k个子虚拟网络节点的资源需求,dv(nr)表示虚拟功能节点nr所需要的节点资源,表示虚拟功能nr被拆分成K个子虚拟网络功能节点后的第k个子虚拟网络网络功能节点的资源需求,dE(er)表示虚拟功能节点nr所需要的链路资源,dv(mr)表示表示虚拟功能节点mr所需要的节点资源,dE(er,K,k)表示虚拟功能nr被拆分成K个子虚拟网络功能节点后的第k个子虚拟网络网络功能节点的链路资源需求,表示拟功能nr被拆分成k个子虚拟网络功能节点mr是nr的邻接点,表示拟功能mr被拆分成k个子虚拟网络功能节点 表示虚拟链路被拆分成k条子虚拟链路er表示虚拟功能nr与mr之间的虚拟链路。
9.根据权利要求7所述的数据中心中网络功能服务链映射的方法,其特征在于,第二映射约束条件、第二资源约束条件和第二带宽约束条件包括:
第二映射约束条件为:
第二资源约束条件为:
1≤k≤Kl且1≤Kl≤K;
第二带宽约束条件为:
其中,表示拆分后虚拟网络功能与物理节点vs的关系,表示拆分后第l个VNF与Kl的关系,Vr表示当前用户所需求的虚拟网络功能,表示虚拟功能被拆分成K个子虚拟网络功能节点后的第k个子虚拟网络网络功能节点的资源需求,表示物理节点中第j个节点的剩余节点资源,表示请求r的第l个虚拟网络功能,表示物理节点中第j个节点,表示虚拟链路的第k条子虚拟链路映射与物理链路(ns,ms)的关系,表示虚拟功能被拆分成Kl个子虚拟网络功能节点后的第k个子虚拟网络网络功能节点的链路资源需求,rE(ns,ms)表示链路的剩余可用带宽,ns、ms表示物理节点,Kl表示第l个VNF被拆分的数量。
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