CN108616394A - 一种虚拟网络功能备份和部署方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种虚拟网络功能备份和部署方法，所述方法包括：步骤1：确定虚拟网络功能的优先级和特殊性，以及服务器的特殊性对考虑备份的VNFE问题的影响，得到部署的原则；步骤2：根据部署的原则，将考虑备份的VNFE问题形式化为非线性0‑1规划数学模型，在满足可用性约束下最小化VNF备份和部署的资源消耗；步骤3：针对上述数学模型，设计启发式算法解决考虑备份的VNFE问题；解决现有方法未考虑VNF和底层边缘服务器的多样性的问题，实现了高可用性和高效率的VNF部署，提高了网络的资源利用率和可用性。

Description

一种虚拟网络功能备份和部署方法

技术领域

本发明涉及网络功能虚拟化研究领域，具体地，涉及一种虚拟网络功能备份和部署方法。

背景技术

近年来，边缘计算已经成为了为移动设备(如手机和物联网设备)提供实时数据处理和存储服务的重要解决方案之一。为了建立城市边缘计算架构，许多边缘计算节点被部署并连接为边缘网络。由于来自终端设备的大量的不同的计算请求，边缘服务器需要提供大量的定制任务的计算服务。网络功能虚拟化(NFV)作为一种能够提高网络的灵活性和可扩展性的技术，可有效的管理大规模和多样化的边缘计算服务。除此之外，NFV也使得网络服务的部署也变得更容易。在NFV中，计算服务被抽象为虚拟网络功能(VNF)，虚拟网络功能部署(VNFE)是建立用于边缘计算的NFV的基本问题。基础设施提供商(InP)将VNF部署到边缘节点，并需要满足服务提供商(SP)所要求的服务等级协议(SLA)。显然，InP想要在一定的物理设备上尽可能多地部署VNF。但是，由于SLA中的可用性要求，部分物理设备需要用于备份VNF，因为如果一个服务器发生故障，所有部署在它上面的网络功能都将不可用。现有的关于可备份的虚拟网络功能部署问题的研究往往忽视了网络功能和底层边缘服务器的多样性。

发明内容

本发明提供了一种虚拟网络功能备份和部署方法，解决现有方法未考虑VNF和底层边缘服务器的多样性的问题，实现了高可用性和高效率的VNF部署，提高了网络的资源利用率和可用性。

现有的关于可备份的虚拟网络功能部署问题的研究往往忽视了网络功能和底层边缘服务器的多样性，而本申请的方法同时考虑到了这两方面，以及一些边缘网络功能具有特定的部署位置限制的要求。具体来说，1)不同的网络功能具有不同的效用，导致它在可用性和资源利用率方面的重要性不同。2)不同的网络功能在部署的虚拟网络中有不同的拓扑位置。如果一个节点比其他节点具有更重要的位置，则备份该节点将花费更少的资源并获得更高的可用性。3)一些边缘网络功能具有特定的位置限制，即要求部署在特定的服务器上，本申请将这种要求转化成网络功能和服务器的特殊性在部署时进行优化。本申请通过量化这些影响并将其纳入算法来考虑网络功能的多样性。

在给定的位置限制和可用性要求的条件下，本申请需要最小化将虚拟节点(v_n)和虚拟链路(v_l)备份、部署在物理设施上所带来的资源消耗。一个VNF代表了某种类型的网络功能(例如database)，而一个虚拟节点是VNF在虚拟网络(VN)中的一个实例，互相之间由虚拟链路链接，C_vn和S_vn分别表示它需要的计算和存储资源的数量。本申请将每条服务链(SC)具有的可用性要求表示为A_sc，每个虚拟节点(v_n)具有的可用性要求表示为A_vn。虚拟链路v_l＝＜v_n1,v_n2＞，V_vl表示它的带宽容量需求，A_vl表示它的可用性要求。在本发明提出的方法中，本申请假设SC中的v_n应该被部署到不同的底层服务器即物理节点s_n上，而且每个原节点最多有一个备份。本申请首先量化VNF和服务器对备份的影响，得到备份和部署的原则；然后将考虑备份的VNFE问题建立为非线性0-1规划数学模型，以最大程度地减少资源消耗并满足可用性约束，此问题是NP-hard的；于是，本申请提出了一种轻量且有效的启发式方法，以便实现高可用性和高效率的VNF部署，其中设计了两种用于VNF和服务器优先级划分的新颖度量标准。本申请最终通过模拟实验实现了启发式算法。

为了充分利用VNF服务器多样性实现高可用性和高效率的VNF部署，提高网络的资源利用率和可用性，本发明提出的基于网络功能和设施的影响且可备份的虚拟网络功能部署方法所采取的具体的技术方案如下：

主要步骤为：

确定VNF的优先级和特殊性以及底层服务器的特殊性对考虑备份的VNFE问题的影响、根据量化的影响将考虑备份的VNFE问题建立为非线性0-1规划数学模型、通过启发式算法解决考虑备份的VNFE问题。

各阶段详细内容如下：

1)确定网络功能的优先级，由此选择备份的v_n。网络功能的优先级的一部分来自它在网络拓扑中的位置，另一部分则来自于它的功能特点。因此，在备份时应同时考虑网络功能的拓扑位置和它的效用带来的优先级差异。

确定网络功能和边缘服务器的特殊性，得到部署原则。不同的边缘服务器具有不同类型和数量的资源，如果一个网络功能只能部署在特定的服务器上，本申请称这种网络功能为特殊的网络功能，能部署特殊网络功能的这些服务器被视为特殊的服务器。具体而言，特殊的v_n的特殊值度量标准P_vn被定义为它可以部署的服务器的数量，特殊的边缘服务器的特殊值P_sn定义为可以部署在该服务器上的特殊的v_n的数量，不特殊的v_n或者边缘服务器其特殊值为0。部署原则有三点：①、先部署特殊的网络功能，后部署普通的网络功能。②、在部署特殊的v_n时，先选择P_vn较小的v_n，部署到P_sn较小的服务器上。③、部署普通的网络功能时，优先部署到普通的服务器上，如果没有满足要求的普通服务器，则按照特殊v_n的部署原则部署。

2)将考虑备份的VNFE问题建模为非线性0-1规划问题，根据备份方案和部署原则，该模型同时纳入了VNF与底层边缘服务器的影响，并在可用性约束下将资源消耗最小化。模型主要考虑的因素包括：

可用性定义：计算物理服务器的可用性，由此计算出网络功能备份和部署后的实际可用性。服务链SC_i的实际可用性A′_sci为服务链中所有虚拟节点(v_n)的实际可用性A′_vna与虚拟链路(v_l)的实际可用性A′_vlc的乘积。

优化目标：本申请的目标是最大程度地减少VNF部署的资源消耗。部署成本包含两部分，分配给v_n的资源(包括备份)与发生故障导致的额外损失。

约束条件：Ⅰ.每个服务器上的资源消耗不能超过资源数量，包括虚拟节点的计算、存储资源和虚拟链路的资源。Ⅱ.v_n和SC的要求的可用性约束和SC的延迟约束。Ⅲ.v_n的位置约束，以及与其实例数目相关的约束。Ⅳ.虚拟链路和备份链路的流量一致约束。

3)根据数学模型设计了一种启发式算法来解决考虑备份的VNFE问题，从而提高了仿真实验中的网络可用性和VNF部署效率。本申请在部署之前更新可用性要求，以增加首先备份重要v_n的机会。算法的主要工作包括：

A.更新虚拟节点的可用性要求。在部署之前更新v_n的可用性要求，使得重要v_n的A_vn有机会高于不重要的v_n，从而增加重要v_n先备份的机会。本申请在算法中更新了v_n的可用性要求A_vn。

B.部署虚拟节点。根据部署的原则，本申请选择最先部署特殊值最小的特殊v_n。如果没有特殊的v_n，则随机选择一个普通的v_n。

C.部署虚拟链路。如果虚拟网络中的任意两个虚拟节点之间存在虚拟链路，本申请应该在部署虚拟节点的服务器之间部署链接。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1)本申请确定了网络功能优先级和特殊性，以及服务器的特殊性对考虑备份的VNFE问题的影响，提出了一个新的方案将其量化。

2)本申请将可备份的VNFE问题建模为非线性0-1规划问题，该问题同时考虑了网络功能与底层边缘服务器的多样性带来的影响，在可用性约束下将VNF部署的资源消耗最小化。

3)本申请提出了一种启发式方法来解决考虑备份的VNFE问题，从而提高了解决这个问题的效率，实现了高可用性和高效率的网络功能的部署。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1是本申请中虚拟网络功能备份和部署方法的流程示意图；

图2是本申请中在阐述确定网络功能优先级的步骤时的网络拓扑示例。

具体实施方式

本发明提供了一种虚拟网络功能备份和部署方法，解决现有方法未考虑VNF和底层边缘服务器的多样性的问题，实现了高可用性和高效率的VNF部署，提高了网络的资源利用率和可用性。

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

请参考图1，本申请提供了本发明中备份和部署虚拟网络功能的方法，主要步骤依次为：确定网络功能的优先级和特殊性以及底层服务器的特殊性对考虑备份的VNFE问题的影响、将考虑备份的VNFE问题建立为非线性0-1规划数学模型、通过启发式算法解决该问题。其中，

1)确定网络功能的优先级和特殊性，以及服务器的特殊性对考虑备份的VNFE问题的影响：

量化网络功能的优先级，在选择应备份的v_n时，本申请首先考虑网络功能的优先级。网络功能的优先级的一部分来自它的实例v_n在网络拓扑中的位置。一个虚拟网络(VN)由多个服务链(SC)构成，而每条服务链由一系列网络功能的实例通过虚拟链路连接而成；而底层网络(SN)为网络功能的部署提供物理资源，它包括边缘服务器集群和他们之间的物理链路。因此虚拟网络功能的部署与备份问题的输入在于VN和SN。假设要部署图2中的虚拟网络，所有的网络功能和服务链的可用性要求是相同的，所有的网络功能需要的资源量相同，资源的可用性相同。例如，当现在仅有一份资源可以用于给网络功能备份时，如果备份图中的交叉节点即Firewall，可以同时提升两条服务链的可用性，所以此时备份Firewall是一个最优的选择，即网络功能的优先级一部分来自它们在网络拓扑中的位置。

网络功能的优先级另一部分来自于它的功能特点。例如，在前文假设的情况下，当有两份资源可以用于备份时，除了优先备份的Firewall外，本申请还需要找到另一个v_n来备份。本申请可以根据他们的可用性要求(A_vn)来选择，给具备最高A_vn的v_n备份，或者根据服务链的可用性要求(A_sc)来备份，给有更高A_sc的服务链中的v_n备份。然而，在本申请假设的所有A_vn和A_sc相同的情况下，备份不同服务链的网络功能将使得到备份的那条服务链的可用性提升同样的程度，备份不同的v_n也会使得到备份的v_n可用性提升相同的程度，但是不同的备份方案可能会带来不同的结果。仍以图2为例，给同一条服务链中的不同网络功能备份，如备份代理和备份数据库可能有不同的影响，因为数据库出错可能带来更大的经济损失。备份同种类型的网络功能也可能会有不同的结果，比如同样是数据库，金融数据库出错比普通数据库出错带来的经济损失可能更大。因此，在备份时也应考虑到网络功能的效用带来的优先级差异。

确定网络功能和边缘服务器的特殊性，以得到相应的部署原则。不同的边缘服务器具有不同类型和数量的资源，如果一个网络功能只能部署在特定的服务器上，本申请称这种网络功能为特殊的网络功能，能部署特殊网络功能的这些服务器被视为特殊的服务器。具体而言，特殊的v_n的特殊值度量标准P_vn被定义为它可以部署的服务器的数量，特殊的边缘服务器的特殊值P_sn定义为可以部署在该服务器上的特殊的v_n的数量，不特殊的v_n或者边缘服务器其特殊值为0。部署原则有三点：①、先部署特殊的网络功能，后部署普通的网络功能。②、在部署特殊的v_n时，先选择P_vn较小的v_n，部署到P_sn较小的服务器上。③、部署普通的网络功能时，优先部署到普通的服务器上，如果没有满足要求的普通服务器，则按照特殊v_n的部署原则部署。

2)将考虑备份的VNFE问题建立为非线性0-1规划数学模型：

根据备份和部署原则将该问题建立为非线性0-1规划问题模型，该模型同时纳入了网络功能与底层边缘服务器的影响，并在可用性约束下将VNF部署的资源消耗最小化。此方法中，本申请默认物理链路的可用性是一定的且能够满足虚拟链路的可用性要求，本申请将v_l的实际可用性定义为A′_vlc。模型主要考虑到以下因素：

A.可用性定义：计算物理服务器的可用性，本申请将服务器的可用性(A_sn)定义为其可用的概率，计算为其中MTBF是平均故障间隔时间，MTTR是平均修复时间。网络功能部署之后所得实际可用性为它部署所在的服务器的可用性，备份之后所得的实际可用性与备份所在的服务器可用性相同，综合可得虚拟节点(v_n)在备份和部署之后的实际可用性A′_vna。

服务链SC_i的实际可用性A′_sci为服务链中所有虚拟节点(v_n)的实际可用性A′_vna与虚拟链路(v_l)的实际可用性A′_vlc的乘积。

B.优化目标：本申请的目标是最大程度地减少部署的资源消耗。部署成本包含两部分，分配给v_n的资源(包括备份)与发生故障所导致的额外损失。目标可表示为

在模型中，Θ表示通过v_n故障引起的额外损失来表示v_n的功能上的优先级，因为本申请进行了资源优化，该模型将自动找到结构重要的节点。Δ表示部署使用的所有服务器的特殊值之和，为了将v_n优先部署到P_sn较小的服务器上，需将Δ最小化。Φ表示网络资源的实际消耗，包括虚拟节点所需的计算资源C_vna、存储资源S_vna和虚拟链路所需的带宽资源V_vlc。

C.约束条件：

Ⅰ.每个物理设备上的资源消耗不能超过其拥有的各类资源总数，包括边缘服务器的计算资源(C_snb)、存储资源(S_snb)和物理链路的带宽资源(V_sld)。

Ⅱ.v_n和SC的可用性要求约束和SC的延迟约束。

Ⅲ.v_n的位置约束，以及与其实例数目相关的约束。

Ⅳ.虚拟链路和备份链路的流量的约束。

3)设计一种启发式算法来解决VNFE问题：

针对数学模型，本申请设计启发式算法来解决VNFE问题。本申请提出的算法中假设一个v_n可以有多个备份，且多个不同的v_n可以部署到同一个s_n上。因为当同一SC中有多个不同的v_n部署到同一个s_n时，SC的可用性将高于它们部署到不同的s_n的情况，而单个v_n的可用性不会受到影响。算法的主要工作包括：

A.本申请在部署之前更新v_n的可用性要求，使得重要v_n的A_vn有机会高于不重要的v_n，从而增加重要v_n先备份的机会。

首先，从v_n在虚拟网络中的拓扑位置和它的功能效用两个方面来判断其重要性。在这项工作中，位置的重要程度是通过节点的度来衡量的，此外还有其他一些指标如核数、介数和中心性等可以使用。功能效用上的重要性可以通过设置优先等级来体现，级别越高越重要。将这两部分归一化，计算并与给定的参数r进行比较，得到一个指标以显示v_n是否重要。

现在，假设SC_i中的重要节点数目为N_i。本申请将重要节点的可用性要求A_vn表示为A_ivn，普通节点的可用性要求A_vn表示为A_ovn。本申请先计出算SC中重要节点的可用性阈值A_it。如果A_it小于1，本申请将它与A_ivn进行比较，并选择二者中较大的值作为A_ivn的新值；否则，将一个较大的值t(t<1)赋给A_it并计算出SC中普通节点的可用性阈值A_nt。然后，本申请将A_it和A_nt与v_n相应的VNF类型要求的可用性A_ivn或A_ovn进行比较，并选择较大的那个值作为此节点的新可用性要求。总之，根据不同网络功能的优先级，本申请将A_sc转换为不同功能的可用性要求。

B.部署虚拟节点。根据本发明中方法提出的部署原则，本申请先部署特殊值最小的特殊的v_n。如果没有特殊的v_n，则随机选择一个普通的v_n。为了方便，本申请定义了一个中间变量A_vt，并将其初始化为A_vn的值。当循环操作找到一个服务器其A_sn等于A_vt时，在此服务器上部署v_n的实例可满足A_vn要求。

接下来，本申请根据数学模型中提出的资源需求和位置约束找到一组可以部署v_n的服务器集合，集合中的每台服务器都应满足v_n的资源需求和位置限制。如果v_n已经部署了至少一个实例，则该集合不能包含部署有它的现有实例的服务器，因为原节点和备份节点不能同时部署在同一个服务器上。当该集合不为空时，本申请选择具有特殊值最小的服务器进行部署。如果存在多个这样的候选对象，那么在至少有一个服务器满足可用性要求A_vt时，选择满足A_vt的A_sn最小的服务器；或者在没有服务器满足可用性要求A_vt时，选择A_sn最大的服务器。在前一种情况下，可以节省高可用性服务器的资源，以备后续可用性要求较高的其他v_n的需要。在后一种情况下，v_n需要备份，为了减少备份的数量，应当优先选择高可用性的服务器。

在选择要部署的服务器之后，v_n获得的实际可用性会更新为A′_vn＝1-(1-A′_vn)(1-A_sn)，本申请需要检查v_n的可用性要求是否得到满足。如果满足，本申请可以开始部署下一个v_n。如果没有满足，本申请应该添加一个位置限制，并将A_vt更新为下一个实例的可用性阈值。然后本申请可以部署v_n的另一个实例，直到达到可用性要求。

C.部署虚拟链路。如果虚拟网络中的任意两个虚拟节点之间存在虚拟链路，本申请应该在部署虚拟节点的底层服务器之间部署物理链路。

根据节点部署的结果，本申请可以找出所有需要部署链路的服务器对以及这些链路的带宽需求。选择要部署的链路后，根据该链路的带宽需求修改SN。删除不符合带宽要求的物理链路。然后，假设SN中每个物理链路的距离为1，使用Dijkstra算法计算得到SN中的服务器之间的最短路径部署。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种虚拟网络功能备份和部署方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：确定虚拟网络功能的优先级和特殊性，以及服务器的特殊性对考虑备份的VNFE问题的影响，得到部署的原则；

步骤2：根据部署的原则，将考虑备份的VNFE问题形式化为非线性0-1规划数学模型，在满足可用性约束下最小化VNF备份和部署的资源消耗；

步骤3：针对上述数学模型，设计启发式算法解决考虑备份的VNFE问题。

2.根据权利要求1所述的虚拟网络功能备份和部署方法，其特征在于，v_n为虚拟网络功能实例，特殊的v_n的特殊值度量标准P_vn被定义为可以用于该特殊v_n部署的服务器的数量，特殊的边缘服务器的特殊值P_sn被定义为可以部署在该服务器上的特殊的v_n的数量，不特殊的v_n或者边缘服务器其特殊值为0；部署原则包括：

先部署特殊的网络功能，后部署普通的网络功能；

在部署特殊的v_n时，先选择P_vn较小的v_n，部署到P_sn较小的服务器上；

部署普通的虚拟网络功能时，优先部署到普通的服务器上，如果没有满足要求的普通服务器，则按照特殊v_n的部署原则部署。

3.根据权利要求1所述的虚拟网络功能备份和部署方法，其特征在于，数学模型考虑的因素包括：可用性定义、优化目标、模型的约束条件；

可用性定义：计算物理服务器的可用性，由此得到网络功能部署后的实际可用性；服务链SC_i的实际可用性A′_sci为服务链中所有虚拟节点v_n的实际可用性A′_vna与虚拟链路v_l的实际可用性A′_vlc的乘积；

优化目标：目标是最大程度地减少VNF部署的资源消耗，部署成本包含两部分，分配给v_n的资源与发生故障导致的额外损失；目标表示为：

在模型中，Θ表示通过v_n故障引起的额外损失来表示v_n的功能上的优先级；Δ表示部署使用的所有服务器的特殊值之和，为了将v_n优先部署到P_sn较小的服务器上，需将Δ最小化；Φ表示网络资源的实际消耗，包括虚拟节点所需的计算资源C_vna、存储资源S_vna和虚拟链路所需的带宽资源V_vlc；

模型的约束条件：每个服务器上的资源消耗不超过资源数量，包括虚拟节点的计算、存储资源和虚拟链路的资源；v_n和SC的要求的可用性约束和SC的延迟约束，SC为每条服务链；v_n的位置约束，以及与其实例数目相关的约束；虚拟链路和备份链路的流量一致约束。

4.根据权利要求1所述的虚拟网络功能备份和部署方法，其特征在于，启发式算法的内容包括：

更新虚拟节点的可用性要求：在部署之前更新v_n的可用性要求，使得重要v_n的A_vn有机会高于不重要v_n的A_vn，从而增加重要v_n先备份的机会，在算法中更新v_n的可用性要求A_vn；

部署虚拟节点：基于获得的部署原则，选择最先部署特殊值最小的特殊的v_n；如果没有特殊的v_n，则随机选择一个普通的v_n；

部署虚拟链路：如果虚拟网络中的任意两个虚拟节点之间存在虚拟链路，则在部署虚拟节点的服务器之间部署链接。