CN108965014A - QoS感知的服务链备份方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种QoS感知的服务链备份方法及系统。该服务链备份方法包括：对QoS感知的服务链备份问题进行数学建模，设置该服务链备份问题的QoS约束条件和目标函数；根据所述服务链备份问题的QoS约束条件，对可靠性低于可靠性阈值的服务链进行虚拟网络功能的备份，若待备份的虚拟网络功能已存在，则优先选择已有的备份虚拟网络功能作为共享备份，若不存在待备份的虚拟网络功能，则新建一个备份；根据该服务链备份问题的QoS约束条件和目标函数确定最终的服务链备份方案。所述QoS感知的服务链备份方法及系统，将QoS需求与备份过程相结合，同时考虑备份网络功能的共享性，从而减少过度备份VNF，提高服务链的资源利用效率和可靠性。

Description

QoS感知的服务链备份方法及系统
技术领域
本发明是关于多业务承载网领域，特别是关于一种QoS感知的服务链备份方法及系统。
背景技术
网络功能虚拟化(NFV)借助标准的IT虚拟化技术，通过采用工业化标准的大容量服务器、存储器和交换机承载各种各样软件化网络功能(NF)，实现了网络功能软件的灵活加载与实例化，降低了业务部署的复杂度。将软件化网络功能与专用硬件设备解耦，实现了网络功能的虚拟化和硬件资源的共享。同时，NFV技术还向运营商提供管理和编排功能以实现网络部署的灵活性和敏捷性，提高了网络设备的统一化、通用化。在NFV中，端到端的服务通过遍历一组有序的虚拟网络功能(VNF)，即服务链来实现。单个VNF的故障将直接影响到服务的正常进行。通过备份VNF能有效地避免故障对服务的影响。现有的冗余备份方案采取一对一进行VNF备份方式，该方式将引入额外的开销，对资源共享的考虑不足，导致资源利用率低下，而且忽略了服务的QoS要求，致使备份方案并不能满足服务的QoS要求。因此，如何在保证资源利用效率的前提下，有效地提高服务的可靠性成为一个亟待解决的问题。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种QoS感知的服务链备份方法及系统，将QoS需求与备份过程相结合，同时考虑备份网络功能的共享性，从而减少过度备份VNF，提高服务链的资源利用效率和可靠性。
为实现上述目的，本发明提供了一种QoS感知的服务链备份方法。所述服务链包括多个虚拟网络功能，该服务链备份方法包括：对QoS感知的服务链备份问题进行数学建模，设置该服务链备份问题的QoS约束条件和目标函数；根据所述服务链备份问题的QoS约束条件，对可靠性低于可靠性阈值的服务链进行虚拟网络功能的备份，若待备份的虚拟网络功能已存在，则优先选择已有的备份虚拟网络功能作为共享备份，若不存在待备份的虚拟网络功能，则新建一个备份；根据该服务链备份问题的QoS约束条件和目标函数确定最终的服务链备份方案。
在一优选的实施方式中，所述QoS约束条件包括服务链的带宽约束、服务链的时延约束、服务链的可靠性约束、服务链中的虚拟网络功能以及服务器节点的约束。
在一优选的实施方式中，对QoS感知的服务链备份问题进行数学建模包括：用加权无向图G＝(V,L)表示服务链的底层物理网络，其中V和L分别为服务链的物理网络节点集和链路集；用N表示该物理网络节点集中的用作承载虚拟网络功能的服务器节点的数量；用cap(ni)表示任意服务器节点ni所承载的虚拟网络功能的容量；用lij表示服务器节点ni和nj的物理链路，其中lij∈L，用bij表示服务器节点ni到nj的带宽，用dij表示服务器节点ni到nj的传输时延；用V＝{v1,v2,...vk}表示虚拟网络功能的集合，K表示虚拟网络功能的数量，S＝{s1,s2,...sm}表示服务链的集合，M表示服务链的数量；用cap(vi)表示虚拟网络功能vi所消耗的服务器端的物理资源；用di，ri分别表示虚拟网络功能vi的处理时延以及可靠性；用表示虚拟网络功能之间的虚拟链路；用Breq、Dreq、Rreq分别表示每个服务链的最小带宽、最大容忍时延和最小可靠性。
在一优选的实施方式中，所述服务链的带宽约束被设置为：服务链的带宽BS小于该服务链的最小带宽Breq；所述服务链的时延约束被设置为：服务链的时延DS小于该服务链的最大容忍时延Dreq，所述时延其中，dl表示该服务链的所有链路的传输时延，dn表示该服务链的所有节点的处理时延；所述服务链的可靠性约束被设置为：服务链的可靠性RS大于该服务链的最小可靠性Rreq，其中RS为该服务链中的所有虚拟网络功能的可靠性的乘积，单个虚拟网络功能的可靠性其中，MTBF和MTTR分别表示该虚拟网络功能的平均故障时间间隔和平均修复时间。
在一优选的实施方式中，所述服务链中的虚拟网络功能的约束被设置为：其中xi，j是二进制变量，表示备份的虚拟网络功能vi是否安装到服务器节点nj上。
在一优选的实施方式中，所述服务器节点的约束被设置为：且其中，Zi,j是二进制变量，表示服务器节点ni是否承载虚拟网络功能Vj。
在一优选的实施方式中，该服务链备份问题的目标函数为：其中，C1表示备份的虚拟网络功能的安装成本，C2表示备份虚拟网络功能所消耗的链路带宽的成本，xi，j是二进制变量，表示备份的虚拟网络功能vi是否安装到服务器节点nj上，yi，j是二进制变量，表示备份的虚拟网络功能之间的虚拟链路是否映射到物理链路lij上。
在一优选的实施方式中，根据所述服务链备份问题的QoS约束条件，对可靠性低于可靠性阈值的服务链进行虚拟网络功能的备份包括：对同一个时间窗内到达的服务按照其时延最大允许值由小到大进行排序，按照该排序顺序对可靠性低于可靠性阈值的服务链进行虚拟网络功能的备份。
在一优选的实施方式中，根据该服务链备份问题的QoS约束条件和目标函数确定最终的服务链备份方案包括：将选择扩展的虚拟网络功能的链路的权重设置为时延和负载均衡指标的加权和，首先时延权重设置为0，按照负载均衡指标进行选路，对于某个备份虚拟网络功能，根据所述QoS约束条件中的服务链的带宽约束、服务链的时延约束、服务链的可靠性约束通过深度优先搜索算法得出主虚拟网络功能与备份虚拟网络功能之间的链路，如果满足所述QoS约束条件，则该路径即为扩展的虚拟网络功能的链路，若不满足所述QoS约束条件，则增加时延的权重，经过数次迭代，得出满足所述QoS约束条件的扩展链路，服务链备份结束。
在一优选的实施方式中，该服务链备份方法还包括：设置故障处理机制，当多个虚拟网络同时出现故障时启动该故障处理机制，该故障处理机制包括：将出现故障的虚拟网络功能所在的服务链按照其端到端时延要求进行排序，优先处理时延要求高的服务，直至故障全部处理完成。
本发明还提供一种QoS感知的服务链备份系统，所述服务链包括多个虚拟网络功能，该服务链备份系统包括：建模模块、QoS约束条件和目标函数设置模块、虚拟网络功能备份模块、服务链备份方案确定模块。建模模块用于对QoS感知的服务链备份问题进行数学建模。QoS约束条件和目标函数设置模块与所述建模模块相耦合，用于设置该服务链备份问题的QoS约束条件和目标函数。虚拟网络功能备份模块与所述QoS约束条件和目标函数设置模块相耦合，用于根据所述服务链备份问题的QoS约束条件，对可靠性低于可靠性阈值的服务链进行虚拟网络功能的备份，若待备份的虚拟网络功能已存在，则优先选择已有的备份虚拟网络功能作为共享备份，若不存在待备份的虚拟网络功能，则新建一个备份。服务链备份方案确定模块与所述虚拟网络功能备份模块相耦合，根据该服务链备份问题的QoS约束条件和目标函数确定最终的服务链备份方案。
在一优选的实施方式中，所述建模模块包括：底层物理网络建模模块、服务器节点参数设置模块、虚拟网络功能建模模块、服务链建模模块。底层物理网络建模模块用于将服务链的底层物理网络表示为加权无向图G＝(V,L)，其中V和L分别为服务链的物理网络节点集和链路集。服务器节点参数设置模块用于设置服务器节点的参数，该服务器节点的参数包括所述物理网络节点集中的用作承载虚拟网络功能的服务器节点的数量N、任意服务器节点ni所承载的虚拟网络功能的容量cap(ni)、服务器节点ni和nj的物理链路lij、服务器节点ni到nj的带宽设置为bij、服务器节点ni到nj的传输时延dij。虚拟网络功能建模模块用于建立虚拟网络功能集合的模型以及设置虚拟网络功能的参数，所述虚拟网络功能集合的模型被表示为V＝{v1,v2,...vk}，所述虚拟网络功能的参数包括：虚拟网络功能的数量K，虚拟网络功能vi所消耗的服务器端的物理资源cap(vi)，虚拟网络功能vi的处理时延di以及可靠性ri，虚拟网络功能之间的虚拟链路服务链建模模块用于建立服务链的模型以及设置服务链的参数，所述服务链的集合被表示为S＝{s1,s2,...sm}，所述服务链的参数包括：服务链的数量M。
在一优选的实施方式中，所述QoS约束条件和目标函数设置模块包括：服务链的带宽约束设置模块、服务链的时延约束设置模块、服务链的可靠性约束设置模块。服务链的带宽约束设置模块用于设置服务链的带宽约束，该带宽约束为所述服务链的带宽BS小于该服务链的最小带宽Breq。服务链的时延约束设置模块用于设置服务链的时延约束，所述时延约束为所述服务链的时延DS小于该服务链的最大容忍时延Dreq，所述时延其中，dl表示该服务链的所有链路的传输时延，dn表示该服务链的所有节点的处理时延。服务链的可靠性约束设置模块用于设置服务链的可靠性约束，所述可靠性约束为所述服务链的可靠性RS大于该服务链的最小可靠性Rreq，其中RS为该服务链中的所有虚拟网络功能的可靠性的乘积，单个虚拟网络功能的可靠性其中，MTBF和MTTR分别表示该虚拟网络功能的平均故障时间间隔和平均修复时间。
在一优选的实施方式中，所述QoS约束条件和目标函数设置模块还包括虚拟网络功能约束模块。虚拟网络功能约束模块用于设置虚拟网络功能的约束，所述虚拟网络功能的约束为其中xi，j是二进制变量，表示备份的虚拟网络功能vi是否安装到服务器节点nj上。
在一优选的实施方式中，所述QoS约束条件和目标函数设置模块还包括服务器节点约束模块。服务器节点约束模块用于设置服务器节点的约束，所述服务器节点的约束为且其中，Zi,j是二进制变量，表示服务器节点ni是否承载虚拟网络功能Vj。
在一优选的实施方式中，所述QoS约束条件和目标函数设置模块还包括目标函数设置模块。目标函数设置模块用于设置服务链备份问题的目标函数，该目标函数为：其中，C1表示备份的虚拟网络功能的安装成本，C2表示备份虚拟网络功能所消耗的链路带宽的成本，xi，j是二进制变量，表示备份的虚拟网络功能vi是否安装到服务器节点nj上，yi，j是二进制变量，表示备份的虚拟网络功能之间的虚拟链路是否映射到物理链路lij上。
在一优选的实施方式中，所述虚拟网络功能备份模块包括排序模块、备份模块。排序模块用于对同一个时间窗内到达的服务按照其时延最大允许值由小到大进行排序。备份模块与所述排序模块相耦合，用于按照该排序顺序对可靠性低于可靠性阈值的服务链进行虚拟网络功能的备份。
在一优选的实施方式中，所述服务链备份方案确定模块包括权重设置模块和选路模块。权重设置模块用于将选择扩展的虚拟网络功能的链路的权重设置为时延和负载均衡指标的加权和。选路模块与所述权重设置模块相耦合，用于根据所述首先时延权重设置为0，按照负载均衡指标进行选路，对于某个备份虚拟网络功能，根据所述QoS约束条件中的服务链的带宽约束、服务链的时延约束、服务链的可靠性约束通过深度优先搜索算法得出主虚拟网络功能与备份虚拟网络功能之间的链路，如果满足所述QoS约束条件，则该路径即为扩展的虚拟网络功能的链路，若不满足所述QoS约束条件，则增加时延的权重，经过数次迭代，得出满足所述QoS约束条件的扩展链路，服务链备份结束。
在一优选的实施方式中，所述服务链备份系统还包括故障处理机制设置模块。故障处理机制设置模块用于设置故障处理机制从而在多个虚拟网络同时出现故障时进行故障处理，该故障处理机制包括：将出现故障的虚拟网络功能所在的服务链按照其端到端时延要求进行排序，优先处理时延要求高的服务，直至故障全部处理完成。
与现有技术相比，根据本发明的QoS感知的服务链备份方法及系统，通过设置该服务链备份问题的QoS约束条件和目标函数，将QoS需求考虑到服务链备份问题中，使得该服务链备份方法能够有效满足QoS需求。在建立虚拟网络功能的备份时，优先选择已有的备份虚拟网络功能作为共享备份，从而减少过度备份，使得资源利用率提升。在进行扩展链路的选择时，考虑到链路的负载均衡，优先选择负载较小的链路，保证了链路的负载均衡。通过故障处理机制，解决了共享一个备份的多个虚拟网络功能同时故障而竞争备份的问题。所述QoS感知的服务链备份方法及系统在满足QoS需求的前提下大大提高服务链的资源利用效率。
附图说明
图1是根据本发明一实施方式的QoS感知的服务链备份方法流程图；
图2是根据本发明一实施方式的共享备份方法和现有的一对一备份方法的比较示意图；
图3是根据本发明一实施方式的服务链备份算法流程图；
图4是根据本发明一实施方式的三种备份方案在不同业务数量下的服务链备份成本；
图5是根据本发明一实施方式的三种备份方案在不同业务数量下的负载均衡状况；
图6是根据本发明一实施方式的QoS感知的服务链备份系统的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
本发明提出了一种QoS感知的服务链冗余备份方法及系统，将QoS需求与备份过程相结合，同时考虑备份网络功能的共享性，从而减少过度备份VNF，提高服务链的资源利用效率和可靠性，还提出了一种故障处理机制，来解决共享备份时发生竞争的问题。
图1是根据本发明一实施方式的QoS感知的服务链备份方法流程图。
该实施方式中，该服务链备份方法包括步骤S1-S3。
在步骤S1中进行数学建模并设置QoS约束条件和目标函数：对QoS感知的服务链备份问题进行数学建模，设置该服务链备份问题的QoS约束条件和目标函数。
具体的数学建模过程如下：底层物理网络用加权无向图G＝(V,L)表示，其中V和L分别为物理网络节点集和链路集。物理网络节点集用作承载VNF的服务器节点的数量表示为N，对于任意服务器节点ni，其承载VNF的容量为cap(ni)，可以代表诸如CPU处理能力、内存和存储空间等的物理资源。对任意连接节点ni和nj的物理链路lij∈L，其带宽为bij，传输时延为dij。
每一个业务请求都包含一个有一系列VNF组成的服务链s，V＝{v1,v2,...vk}表示网络功能的集合，K表示VNF的数量，S＝{s1,s2,...sm}表示服务链的集合，M表示服务链数量。需要服务器节点承载，同时消耗服务器端物理资源cap(vi)，具有处理时延di，可靠性ri，同样的，VNF之间的虚拟链路映射到物理链路lij，需要消耗相应的带宽资源。一个服务链具有最小带宽需求Breq、最大容忍时延Dreq和最小可靠性Rreq三个属性。
具体的服务链备份问题的QoS约束条件和目标函数设置如下：
由于服务具有差异化的QoS需求，通常包含最小带宽需求、最大端到端时延和服务可靠性等指标。所以该QoS约束条件包括服务链的带宽约束、服务链的时延约束、服务链的可靠性约束、服务链中的虚拟网络功能以及服务器节点的约束。
服务链的带宽约束为：服务链的带宽BS小于该服务链的最小带宽Breq。
服务链的时延约束为：服务链的时延DS小于该服务链的最大容忍时延Dreq，所述时延其中，dl表示该服务链的所有链路的传输时延，dn表示该服务链的所有节点的处理时延。在完成VNF的备份后，附加的链路会增加业务的端到端时延，当备份服务链的时延超过最大容忍时延，备份服务链的存在将变得毫无意义，因此必须保证附加时延仍在可容忍范围内。
服务链的可靠性约束为：服务链的可靠性RS大于该服务链的最小可靠性Rreq，其中RS为该服务链中的所有虚拟网络功能的可靠性的乘积，单个虚拟网络功能的可靠性其中，MTBF和MTTR分别表示该虚拟网络功能的平均故障时间间隔和平均修复时间。
服务链中的虚拟网络功能的约束被设置为：其中xi,j是二进制变量，表示备份的虚拟网络功能vi是否安装到服务器节点nj上。
服务器节点的约束被设置为：且其中，Zi,j是二进制变量，表示服务器节点ni是否承载虚拟网络功能Vj。
该服务链备份问题的目标函数为：其中，C1表示备份的虚拟网络功能的安装成本，C2表示备份虚拟网络功能所消耗的链路带宽的成本，xi，j是二进制变量，表示备份的虚拟网络功能vi是否安装到服务器节点nj上，yi，j是二进制变量，表示备份的虚拟网络功能之间的虚拟链路是否映射到物理链路lij上。
在步骤S2中进行虚拟网络功能的备份：根据所述服务链备份问题的QoS约束条件，对可靠性低于可靠性阈值的服务链进行虚拟网络功能的备份，若待备份的虚拟网络功能已存在，则优先选择已有的备份虚拟网络功能作为共享备份，若不存在待备份的虚拟网络功能，则新建一个备份。
可靠性的计算：单个网络功能的可靠性通过其平均故障间隔时间和平均修复时间进行估算，表示为：
MTBF和MTTR分别表示平均故障时间间隔和平均修复时间。
业务的可靠性表示为该业务服务链中所有网络功能可靠性的乘积，所以服务链的可靠性表示为：
RS＝Pr[all VNFs are reliable]
＝Πr。
在复杂网络功能的故障的情况下，业务的可靠性很难得到保障，传统的网络功能一对一备份将引入额外的开销，本实施方式的服务链冗余备份方法考虑备份的共享性。如图2所示，与传统的网络功能一对一备份方法相比，本方案考虑共享性进行备份，在确保业务的可靠性的同时，能节省1个VNF的相关费用。一对一备份方法中三条服务链s1、s2、s3中的VNF2分别进行了备份，备份之后存在3个相同的VNF2备份，每个服务链中的VNF2的可靠性均为0.9975。共享备份方法中三条服务链s1、s2、s3中的VNF2备份了2个VNF2，每个服务链中的VNF2的可靠性均为0.9999。
优选地，在步骤S2中，对可靠性低于可靠性阈值的服务链进行虚拟网络功能的备份时按照可靠性从小到大的顺序进行备份。
优选地，在步骤S2中，对可靠性低于可靠性阈值的服务链进行虚拟网络功能的备份前，对同一个时间窗内到达的服务按照其Dreq由小到大进行排列，服务链按照该队列顺序进行备份。这样的做的原因是考虑到用户的服务请求是一个动态产生的过程，因此，在研究VNF备份的过程中必须考虑实时性。同时，共享一个备份的多个VNF同时发生故障时，执行备份会存在竞争现象，进而产生排队时延。时延要求高的业务优先得到备份，处于队列后面的岁时延不敏感的服务延迟选择共享备份，以此保证当共享该备份的VNF同时故障时，尽可能使得每个VNF能在时延允许范围内得到处理。
在步骤S3中确定最终的服务链备份方案：根据该服务链备份问题的QoS约束条件和目标函数确定最终的服务链备份方案。
具体过程如下：将选择扩展的虚拟网络功能的链路的权重设置为时延和负载均衡指标的加权和，首先时延权重设置为0，按照负载均衡指标进行选路，对于某个备份虚拟网络功能，根据所述QoS约束条件中的服务链的带宽约束、服务链的时延约束、服务链的可靠性约束通过深度优先搜索算法得出主虚拟网络功能与备份虚拟网络功能之间的链路，如果满足所述QoS约束条件，则该路径即为扩展的虚拟网络功能的链路，若不满足所述QoS约束条件，则增加时延的权重，经过数次迭代，得出满足所述QoS约束条件的扩展链路，服务链备份结束。
优选地，所述QoS感知的服务链冗余备份方法还包括设置故障处理机制来避免多个VNF同时故障时，备份的VNF资源不足的问题。该故障处理机制具体如下：若该备份只为一个VNF服务，此时因为不存在竞争的问题，所以直接执行备份，完成故障处理；若该备份同时为多个VNF服务，此时存在竞争问题，我们将故障服务按照其端到端时延要求进行排序：Line＝{si,sj,...,sk},Dreq(si)<Dreq(sj)<...<Dreq(sk)，按照上述队列，优先处理时延要求高的服务，直至故障全部处理完成。这样做可行的原因在于，我们在选共享备份时，考虑了排队时延的存在，共享同一个备份的服务是可以容忍最坏情况下的排队时延。
图3是根据本发明一实施方式的服务链备份算法流程图。
首先读取当前时间窗内服务并进行排队处理，对同一个时间窗内到达的服务按照其Dreq由小到大进行排列，服务链按照该队列顺序开启备份过程。根据可靠性计算模型RS＝Pr[all VNFs are reliable]计算服务链的可靠性，以此来判断是否备份。对VNF按照可靠性由低到高排序，优先备份可靠性低的VNF。
然后在备份过程中，选择已存在的同类型的备份VNF作为备份，同时需要满足和三个约束条件；当不存在已有备份时需要建立新的备份网络功能。
在备份完成之后，网络的链路权值设置为时延和负载均衡指标的加权和，初始时只按照负载均衡要求，即现将负载均衡指标的权重设为1，进行选路，确定要使用的备份后，通过深度优先搜索算法得出主VNF与备份之间的链路，如果该链路不满足时延要求，则增加时延的权重，经过数次迭代，计算扩展链路；当时延权重为1时仍未得到扩展链路，则不存在满足时延要求的可行链路解，转至处理下一服务。如果该链路满足时延要求，则该路径即为扩展链路，当满足Rs＝Πri≥Rreq时，服务链的可靠性达到要求，服务得到资源，完成处理，然后转至处理下一服务。该扩展链路的选择考虑到链路的负载均衡，优先选择负载较小的链路，即剩余带宽较大的链路，避免网络局部出现堵塞。
下面以仿真实例说明本发明的优势。选择采用最小成本算法(MinCost)、单路径算法(Single-path)这两种备份方案跟本发明的QoS感知的服务链冗余备份算法(RSCO)作为比较对象来说明。
图4中展示了三种备份方案在不同业务数量下的服务链备份成本。如图所示，本发明的算法所得出方案的成本(COST)始终低于另外两种算法。以业务数量(Number ofService Chains)800为例，本发明的算法相对于最小成本算法和单路径算法分别节省了18％、35％的成本。即使业务数量达到1400，本发明的算法仍然保持着最低的备份成本。这是因为本发明的算法充分考虑了备份的共享性，提高了资源的利用率。
图5中展示了上述三种备份方案在不同业务数量下的网络负载均衡状况。本发明的算法所得出方案的链路使用率方差(Variance of Link Usage Rate)始终低于另外两种算法。以业务数量(Number of Service Chains)800为例，本发明的算法的链路使用率方差相对于最小成本算法和单路径算法分别低了14％、29％。即使业务数量达到1400，本发明的算法仍然保持着最低的链路使用率方差。这是因为本发明的算法选择链路时始终优先选择负载较小的链路，保证了链路的负载均衡。
本发明还提供了一种QoS感知的服务链备份系统。图6是根据本发明一实施方式的QoS感知的服务链备份系统的示意图。
该服务链备份系统包括：建模模块10、QoS约束条件和目标函数设置模块20、虚拟网络功能备份模块30、服务链备份方案确定模块40。
建模模块10用于对服务链备份问题进行数学建模。
具体地，所述建模模块10包括：底层物理网络建模模块10a、服务器节点参数设置模块10b、虚拟网络功能建模模块10c、服务链建模模块10d。
底层物理网络建模模块10a用于将服务链的底层物理网络表示为加权无向图G＝(V,L)，其中V和L分别为服务链的物理网络节点集和链路集。
服务器节点参数设置模块10b用于设置服务器节点的参数，该服务器节点的参数包括所述物理网络节点集中的用作承载虚拟网络功能的服务器节点的数量N、任意服务器节点ni所承载的虚拟网络功能的容量cap(ni)、服务器节点ni和nj的物理链路lij、服务器节点ni到nj的带宽设置为bij、服务器节点ni到nj的传输时延dij。
虚拟网络功能建模模块10c用于建立虚拟网络功能集合的模型以及设置虚拟网络功能的参数，所述虚拟网络功能集合的模型被表示为V＝{v1,v2,...vk}，所述虚拟网络功能的参数包括：虚拟网络功能的数量K，虚拟网络功能vi所消耗的服务器端的物理资源cap(vi)，虚拟网络功能vi的处理时延di以及可靠性ri，虚拟网络功能之间的虚拟链路
服务链建模模块10d用于建立服务链的模型以及设置服务链的参数，所述服务链的集合被表示为S＝{s1,s2,...sm}，所述服务链的参数包括：服务链的数量M。
QoS约束条件和目标函数设置模块20用于设置该服务链备份问题的QoS约束条件和目标函数。其包括：服务链的带宽约束设置模块20a、服务链的时延约束设置模块20b、服务链的可靠性约束设置模块20c、虚拟网络功能约束模块20d、服务器节点约束模块20e、目标函数设置模块20f。
服务链的带宽约束设置模块20a用于设置服务链的带宽约束，该带宽约束为所述服务链的带宽BS小于该服务链的最小带宽Breq。
服务链的时延约束设置模块20b用于设置服务链的时延约束，所述时延约束为所述服务链的时延DS小于该服务链的最大容忍时延Dreq，所述时延其中，dl表示该服务链的所有链路的传输时延，dn表示该服务链的所有节点的处理时延。
服务链的可靠性约束设置模块20c用于设置服务链的可靠性约束，所述可靠性约束为所述服务链的可靠性RS大于该服务链的最小可靠性Rreq，其中RS为该服务链中的所有虚拟网络功能的可靠性的乘积，单个虚拟网络功能的可靠性其中，MTBF和MTTR分别表示该虚拟网络功能的平均故障时间间隔和平均修复时间。
虚拟网络功能约束模块20d用于设置虚拟网络功能的约束，所述虚拟网络功能的约束为其中xi，j是二进制变量，表示备份的虚拟网络功能vi是否安装到服务器节点nj上。
服务器节点约束模块20e用于设置服务器节点的约束，所述服务器节点的约束为且其中，Zi，j是二进制变量，表示服务器节点ni是否承载虚拟网络功能Vj。
目标函数设置模块20f用于设置该服务链备份问题的目标函数，该目标函数为：
其中，C1表示备份的虚拟网络功能的安装成本，C2表示备份虚拟网络功能所消耗的链路带宽的成本，xi，j是二进制变量，表示备份的虚拟网络功能vi是否安装到服务器节点nj上，yi，j是二进制变量，表示备份的虚拟网络功能之间的虚拟链路是否映射到物理链路lij上。
虚拟网络功能备份模块30用于根据所述服务链备份问题的QoS约束条件，对可靠性低于可靠性阈值的服务链进行虚拟网络功能的备份，若待备份的虚拟网络功能已存在，则优先选择已有的备份虚拟网络功能作为共享备份，若不存在待备份的虚拟网络功能，则新建一个备份。优选地，虚拟网络功能备份模块具有排序模块30a和备份模块30b，排序模块30a用于对同一个时间窗内到达的服务按照其时延最大允许值由小到大进行排序；备份模块30b用于按照该排序顺序对可靠性低于可靠性阈值的服务链进行虚拟网络功能的备份。
服务链备份方案确定模块40用于根据该服务链备份问题的QoS约束条件和目标函数确定最终的服务链备份方案。其具有权重设置模块40a和选路模块40b。
权重设置模块40a用于将选择扩展的虚拟网络功能的链路的权重设置为时延和负载均衡指标的加权和。
选路模块40b用于根据所述首先时延权重设置为0，按照负载均衡指标进行选路，对于某个备份虚拟网络功能，根据所述QoS约束条件中的服务链的带宽约束、服务链的时延约束、服务链的可靠性约束通过深度优先搜索算法得出主虚拟网络功能与备份虚拟网络功能之间的链路，如果满足所述QoS约束条件，则该路径即为扩展的虚拟网络功能的链路，若不满足所述QoS约束条件，则增加时延的权重，经过数次迭代，得出满足所述QoS约束条件的扩展链路，服务链备份结束。
优选地，该系统还设置了故障处理模块，其用于避免多个VNF同时故障时，备份的VNF资源不足的问题。该故障处理过程具体如下：若该备份只为一个VNF服务，此时因为不存在竞争的问题，所以直接执行备份，完成故障处理；若该备份同时为多个VNF服务，此时存在竞争问题，我们将故障服务按照其端到端时延要求进行排序：Line＝{si,sj,...,sk},Dreq(si)<Dreq(sj)<...<Dreq(sk)，按照上述队列，优先处理时延要求高的服务，直至故障全部处理完成。
综上，本发明设计了QoS感知的冗余方案进行备份，保证扩展链路满足时延要求，提高备份的合理性；着重考虑了备份网络功能的共享性，以减少过度备份VNF，同时提出故障处理机制，解决共享一个备份的多个VNF同时故障而竞争备份的问题；扩展链路的选择考虑到链路的负载均衡，优先选择负载较小的链路，避免网络局部出现堵塞。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (13)

1.一种QoS感知的服务链备份方法，所述服务链包括多个虚拟网络功能，其特征在于，该服务链备份方法包括：
对QoS感知的服务链备份问题进行数学建模，设置该服务链备份问题的QoS约束条件和目标函数；
根据所述服务链备份问题的QoS约束条件，对可靠性低于可靠性阈值的服务链进行虚拟网络功能的备份，若待备份的虚拟网络功能已存在，则优先选择已有的备份虚拟网络功能作为共享备份，若不存在待备份的虚拟网络功能，则新建一个备份；
结合该服务链备份问题的QoS约束条件和目标函数，对备份的虚拟网络功能进行链路的选择从而得到最终的服务链备份方案。
2.如权利要求1所述的QoS感知的服务链备份方法，其特征在于，所述QoS约束条件包括服务链的带宽约束、服务链的时延约束、服务链的可靠性约束、服务链中的虚拟网络功能的约束和服务器节点的约束。
3.如权利要求2所述的QoS感知的服务链备份方法，其特征在于，
所述服务链的带宽约束被设置为：服务链的带宽BS小于该服务链允许的最小带宽Breq；
所述服务链的时延约束被设置为：服务链的时延DS小于该服务链的最大容忍时延Dreq，所述时延其中，dl表示该服务链的所有链路的传输时延，dn表示该服务链的所有节点的处理时延；
所述服务链的可靠性约束被设置为：服务链的可靠性RS大于该服务链的最小可靠性Rreq，其中RS为该服务链中的所有虚拟网络功能的可靠性的乘积，单个虚拟网络功能的可靠性其中，MTBF和MTTR分别表示该虚拟网络功能的平均故障时间间隔和平均修复时间。
4.如权利要求2所述的QoS感知的服务链备份方法，其特征在于，所述服务链中的虚拟网络功能的约束被设置为：
其中xi,j是二进制变量，表示备份的虚拟网络功能vi是否安装到服务器节点nj上，d0为正整数，K表示虚拟网络功能的数量。
5.如权利要求2所述的QoS感知的服务链备份方法，其特征在于，所述服务器节点的约束被设置为：
且其中，Zi,j是二进制变量，表示服务器节点ni是否承载虚拟网络功能Vj，N表示承载虚拟网络功能的服务器节点的数量，cap(vj)表示虚拟网络功能Vj所消耗的服务器端的物理资源，cap(ni)表示任意服务器节点ni所承载的虚拟网络功能的容量，Z0为正整数。
6.如权利要求1所述的QoS感知的服务链备份方法，其特征在于，该服务链备份问题的目标函数为：
其中，C1表示备份的虚拟网络功能的安装成本，C2表示备份虚拟网络功能所消耗的链路带宽的成本，xi,j是二进制变量，表示备份的虚拟网络功能vi是否安装到服务器节点nj上，yij,uv是二进制变量，表示备份的虚拟网络功能之间的虚拟链路是否映射到物理链路lij上，K表示虚拟网络功能的数量，Breq是服务链的所允许的最小带宽。
7.如权利要求1所述的QoS感知的服务链备份方法，其特征在于，根据该服务链备份问题的QoS约束条件和目标函数确定最终的服务链备份方案包括：
将选择扩展的虚拟网络功能的链路的权重设置为时延和负载均衡指标的加权和，首先时延权重设置为0，按照负载均衡指标进行选路，对于每个备份虚拟网络功能，根据所述QoS约束条件中的服务链的带宽约束、服务链的时延约束、服务链的可靠性约束通过深度优先搜索算法得出主虚拟网络功能与备份虚拟网络功能之间的链路，如果满足所述QoS约束条件，则该路径即为扩展的虚拟网络功能的链路，若不满足所述QoS约束条件，则增加时延的权重，经过数次迭代，得出满足所述QoS约束条件的扩展链路，服务链备份结束。
8.一种QoS感知的服务链备份系统，所述服务链包括多个虚拟网络功能，其特征在于，该服务链备份系统包括：
建模模块，用于对QoS感知的服务链备份问题进行数学建模；
QoS约束条件和目标函数设置模块，与所述建模模块相耦合，用于设置该服务链备份问题的QoS约束条件和目标函数；
虚拟网络功能备份模块，与所述QoS约束条件和目标函数设置模块相耦合，用于根据所述服务链备份问题的QoS约束条件，对可靠性低于可靠性阈值的服务链进行虚拟网络功能的备份，若待备份的虚拟网络功能已存在，则优先选择已有的备份虚拟网络功能作为共享备份，若不存在待备份的虚拟网络功能，则新建一个备份；
服务链备份方案确定模块，与所述虚拟网络功能备份模块和所述QoS约束条件和目标函数设置模块均相耦合，结合该服务链备份问题的QoS约束条件和目标函数，对备份的虚拟网络功能进行链路的选择从而得到最终的服务链备份方案。
9.如权利要求8所述的QoS感知的服务链备份系统，其特征在于，所述QoS约束条件和目标函数设置模块包括：
服务链的带宽约束设置模块，用于设置服务链的带宽约束，该带宽约束为所述服务链的带宽BS小于该服务链的最小带宽Breq；
服务链的时延约束设置模块，用于设置服务链的时延约束，所述时延约束为所述服务链的时延DS小于该服务链的最大容忍时延Dreq，所述时延其中，dl表示该服务链的所有链路的传输时延，dn表示该服务链的所有节点的处理时延；
服务链的可靠性约束设置模块，用于设置服务链的可靠性约束，所述可靠性约束为所述服务链的可靠性RS大于该服务链的最小可靠性Rreq，其中RS为该服务链中的所有虚拟网络功能的可靠性的乘积，单个虚拟网络功能的可靠性其中，MTBF和MTTR分别表示该虚拟网络功能的平均故障时间间隔和平均修复时间。
10.如权利要求8所述的QoS感知的服务链备份系统，其特征在于，所述QoS约束条件和目标函数设置模块还包括：
虚拟网络功能约束模块，用于设置虚拟网络功能的约束，所述虚拟网络功能的约束为其中xi,j是二进制变量，表示备份的虚拟网络功能vi是否安装到服务器节点nj上，d0为正整数，K表示虚拟网络功能的数量。
11.如权利要求8所述的QoS感知的服务链备份系统，其特征在于，所述QoS约束条件和目标函数设置模块还包括：
服务器节点约束模块，用于设置服务器节点的约束，所述服务器节点的约束为且其中，Zi,j是二进制变量，表示服务器节点ni是否承载虚拟网络功能Vj，N表示承载虚拟网络功能的服务器节点的数量，cap(vj)表示虚拟网络功能Vj所消耗的服务器端的物理资源，cap(ni)表示任意服务器节点ni所承载的虚拟网络功能的容量，Z0为正整数。
12.如权利要求8所述的QoS感知的服务链备份系统，其特征在于，所述QoS约束条件和目标函数设置模块还包括：
目标函数设置模块，用于设置服务链备份问题的目标函数，该目标函数为：
其中，C1表示备份的虚拟网络功能的安装成本，C2表示备份虚拟网络功能所消耗的链路带宽的成本，xi,j是二进制变量，表示备份的虚拟网络功能vi是否安装到服务器节点nj上，yij,uv是二进制变量，表示备份的虚拟网络功能之间的虚拟链路是否映射到物理链路lij上，K表示虚拟网络功能的数量，Breq是服务链的所允许的最小带宽。
13.如权利要求8所述的QoS感知的服务链备份系统，其特征在于，所述服务链备份方案确定模块包括：
权重设置模块，用于将选择扩展的虚拟网络功能的链路的权重设置为时延和负载均衡指标的加权和；
选路模块，与所述权重设置模块相耦合，用于根据所述首先时延权重设置为0，按照负载均衡指标进行选路，对于某个备份虚拟网络功能，根据所述QoS约束条件通过深度优先搜索算法得出主虚拟网络功能与备份虚拟网络功能之间的链路，如果满足所述QoS约束条件，则该路径即为扩展的虚拟网络功能的链路，若不满足所述QoS约束条件，则增加时延的权重，经过数次迭代，得出满足所述QoS约束条件的扩展链路，服务链备份结束。
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