CN109067579A - 面向底层节点失效的5g网络切片拓扑设计及可靠映射方法 - Google Patents

面向底层节点失效的5g网络切片拓扑设计及可靠映射方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种面向底层节点失效的5G网络切片拓扑设计及可靠映射方法，属于移动通信技术领域。该方法包括：建立5G网络切片可靠映射模型，虚拟网络运营商VNO周期性检测底层节点的资源和可靠性信息；根据网络切片的整体可靠性要求获得单个虚拟网络功能实例的可靠性目标；根据实时节点信息，判断切片的映射方案；若存在满足资源限制而单节点可靠性无法达到要求时，就要重构网络切片；若资源与可靠性均达到要求，根据最小化需求可靠性与可实现可靠性的差值的同时最小化带宽资源消耗的准则，确定最优的映射方案；否则，直接拒绝切片请求。本发明在实现网络切片可靠映射时，在用户体验的同时降低运营商的成本支出。

Description

面向底层节点失效的5G网络切片拓扑设计及可靠映射方法
技术领域
本发明属于移动通信技术领域，涉及一种面向底层节点失效的5G网络切片拓扑设计及可靠映射方法。
背景技术
5G时代将出现丰富多样的应用场景以及差异化的业务需求,通过单一网络同时为不同类型应用场景提供服务,会导致网络架构异常复杂、网络管理效率和资源利用效率低下。网络切片(Network Slice,NS)是5G时代的理想网络架构,通过网络功能虚拟化(Network Function Virtualization,NFV)技术,实现对NS的集中管理和快速部署，从而提高资源利用率，降低成本。NS是共享底层基础设施但逻辑上完全隔离的专有网络,使得不同应用场景可以按照各自的需求定制网络功能和特性。
网络切片映射(Network Slice Embedding,NSE)是网络切片生成的一个关键步骤，其目的是在底层物理网络中找到满足映射约束的节点和路径实现虚拟网络功能VNF的部署和互通。现存发明成果主要集中于针对理想网络状态下提高切片映射成功率和优化带宽资源利用率。
但是在网络环境下，系统故障或者遭遇攻击和意外的情况经常出现，难以避免，这就使得底层的物理网络并不能时刻处于理想无故障状态。此外，数据中心的物理服务器通常是低成本购入的，因此这些服务器不具有高可靠性，而底层基础设施的单一设备失效就会影响到部署在其上的VNF，同时由于NS请求中的流量是依次经过相应的网络功能，所以其中任意一个VNF失效都会引起整个切片失效。
在本发明的研究过程中，通过对相关研究的深入分析，发现现有技术针对非理想网络在以下三方面存在不足：底层网络的资源利用效用差；VNF可靠性无法保证；NS映射成功率低。
发明内容
有鉴于此，本发明的第一目的在于提供一种面向底层节点失效的5G网络切片拓扑设计及可靠映射方法，从用户和网络运营商两方面综合考虑，在满足用户可靠性的保证的基础上，以“恰到好处的可靠性”避免用户以低价享受高可靠性资源的方式使得运营商的资源消耗最小化。
本发明的第二目的在于提供一种利用可靠性分配(Reliability Allocation,RA)的VNF可靠性度量方法，该方法不仅能够保证NS整体可靠性要求，还能够保证每个VNF的可靠性要求。基于RA的网络切片映射方案为NSE提供了一种新的轻量级的可靠性保障手段，补充了现有的对VNF可靠性的研究。
本发明的第三目的在于提供基于可靠性感知的NS重构方法，虚拟网络运营商VNO周期性检测底层网络的资源能力和可靠性，从而为NS方案的重构提供更加全面的底层网络信息。基于NS重构，有效地提高虚拟网络映射的成功率。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种面向底层节点失效的5G网络切片拓扑设计及可靠映射方法，具体包括以下步骤：
S1：建立5G网络切片可靠映射模型，并且虚拟网络运营商VNO周期性检测底层节点的资源和可靠性信息；
S2：针对每个网络切片，基于可靠性分配理论，根据网络切片的整体可靠性要求获得单个虚拟网络功能实例的可靠性目标；根据实时节点信息，判断切片的映射方案；
S3：若存在满足资源限制而单节点可靠性无法达到要求时，则重构网络切片；
S4：若资源与可靠性均达到要求，根据最小化需求可靠性与可实现可靠性的差值的同时最小化带宽资源消耗的准则，确定最优的映射方案；否则，直接拒绝切片请求。
进一步，步骤S1中，所述建立的5G网络切片可靠映射模型为：
底层物理网络由带权无向图Gs＝(Ns,Ls)表示，其中Ns＝{n1,n2,...,nM}为物理节点集，物理节点ni的计算资源ci和可靠性为Ls＝{lij|ni,nj∈Ns}表示物理链路集，lij表示底层物理网络上具体的物理节点i,j的物理链路，其中物理链路lij分配的带宽资源为bij；另外设表示节点ni剩余的可用资源，表示链路lij的剩余可用带宽；
网络切片请求g由表示，其中为切片请求g所经过的VNF节点序列，Kg表示切片请求g中VNF节点数量，Eg＝{ek|vk,vk+1∈Vg}为虚拟链路集，表示切片请求g第k条虚拟链路，表示虚拟网络功能VNF节点vk∈Vg的计算资源需求，为切片g中VNF节点vk与vk+1之间的带宽需求；切片请求g的源节点和目的节点为sg和tg；每个到达的NS请求，有特定的可靠性要求
Pg＝[P(Vg),P(Eg)]表示映射方案；表示部署的VNF功能节点的映射方案，表示切片请求g虚拟链路的映射方案。
进一步，最小化NS映射方案Pg的实际可靠性与NS需求可靠性之间的差距Rgap，阻止用户以低价享受高质量的网络服务，以“恰到好处的可靠性”来克服资源浪费；
所述5G网络切片可靠映射模型是利用有效度定量分析服务器的可靠性，由服务器平均修复时间(Mean Time To Repair，MTTR)和平均故障间隔时间(Mean Time BetweenFailures，MTBF)来衡量，所述的有效度为：
其中，表示物理节点ni的平均故障间隔时间，表示物理节点ni的平均修复时间；
所述的NS映射方案Pg的实际可靠性为：
进一步，虚拟链路映射时在物理链路满足虚拟链路的带宽资源需求的前提下，NS中的一个虚拟链路可以映射到一个物理链路上或几个物理链路上。VNO如果链路映射优选比较短的路径，NS映射方案的带宽成本可显著降低。
找到既满足用户可靠性要求又降低资源消耗成本的网络切片映射方案模型，及目标函数为：
minwrRgap+wcbg
其中，bg表示选择映射方案Pg时带宽资源消耗；wr,wc为权重因子，实现用户体验与带宽资源之间平衡；所述目标函数前半部分表示：最小化NS所要求的可靠性与实际实现的可靠性的差值；所述目标函数后半部分表示：最小化映射方案的底层网链路带宽消耗。
进一步，步骤S2中，所述的基于可靠性分配理论，根据网络切片的整体可靠性要求获得单个虚拟网络功能实例的可靠性目标具体为：切片可靠性需求给定为分配给每个子系统的可靠性为：
其中，表示切片g分配给子系统i的可靠性指标；表示切片g子系统i的标准化权重指标，定义为子系统i的得分值与切片g总得分的比值；
所述的可靠性分配理论为：当子系统有Ni个组件并联时,子系统i的第j个功能子组件的可靠性分配为：
进一步，步骤S2中，所述的根据实时节点信息，判断切片的映射方案具体步骤为：
(1)底层节点没有足够资源实例化的虚拟网络功能节点，则直接拒绝切片请求；
(2)节点有足够的资源但是单设备达到虚拟网络功能节点的可靠性需求，则要重构切片，再寻找最优的映射方案Pg；
(3)节点资源与可靠性均达到要求直接找到最优的映射方案Pg。
进一步，步骤(2)中，所述的重构切片具体为：通过采用虚拟网路功能组件并联配置降低对单个设备的可靠性需求；重构包括在切片请求中增加有相同计算资源需求的备份节点，为了保证当主节点失效后，网络还能连通。即只要主节点与某一个功能节点有边连接，备份节点与必须也有边连接。
进一步，步骤(3)中，所述寻找最优的映射方案Pg，具体步骤为：
1)满足切片虚拟网络功能节点资源需求的物理节点集中，根据最小化的准则Rgap，确定节点映射Pg(vk),
2)基于虚拟功能节点映射和链路资源约束，根据最小化带宽资源消耗的准则，确定通信链路映射Pg(ek)。
进一步，步骤1)中，所述的确定节点映射Pg(vk),具体为：
①底层所有物理节点n均初始化为对满足的物理节点依次执行其中Cn、Rn分别表示物理节点n的CPU资源量，可靠性；分别表示NS请求g中第k个VNF的CPU资源需求，可靠性需求；rn表示物理节点n的可靠性与NS请求g中第k个VNF所需求的可靠性的差值；
②根据计算得到rn策略值，得到VNF节点的映射节点为
③设置相关参数Pg(vk)←rmim。
进一步，步骤2)中，所述的确定链路映射Pg(ek)，具体为：
①根据Pg(vk),匹配相对应的物理节点；
②找出满足链路资源约束的路径集Pg(ek)；
③如果选择最短路径确定链路映射，映射成功后，更新生于可用的物理资源；否则，则拒绝切片请求g映射失败。
本发明的有益效果在于：本发明在实现网络切片可靠映射时，阻止用户以低价享受高质量的网络服务，以“恰到好处的可靠性”来克服资源浪费，找到既满足用户可靠性要求又降低资源消耗成本的网络切片映射方案，从而在用户体验的同时降低运营商的成本支出。
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为本发明所述方法的应用场景示意图；
图2为本发明中的系统队列模型图；
图3为本发明链路映射一对多示意图；
图4为本发明中基于时间窗的网络切片动态映射过程；
图5为本发明中网络切片请求在线映射流程示意图；
图6为本发明中虚拟节点映射流程示意图。
图7为本发明中虚拟链路映射流程示意图。
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。
底层的物理网络以及基础设施时刻保持在一种动态变化着的网络环境中，针对这种情况，本发明构造出一个底层资源及其属性处于动态变化的网络切片在线映射模型表示为其中Qa为新到达的切片请求队列，为当前时刻t的物理网络，Qe为存储成功映射的切片请求。
所述的网络切片在线映射模型，VNO以周期Tv检测得到底层物理资源与节点可靠性信息，估算可实现的可靠性。所述Qa内到达的每个网络切片请求映射包括：基于可靠性分配理论，根据网络切片的整体可靠性要求获得单个虚拟网络功能实例的可靠性目标；根据实时节点信息，判断切片的映射方案；寻找最优的映射方案Pg。
图1为可应用本发明实施例的基于SDN/NFV的5G网络切片集中映射架构的示意图。如图1所示，不同线型的切片表示不同的业务类型，端到端NS将终端设备、接入网资源、核心网资源及管理系统等进行有机组合。接入网包括无线接入点和切片请求缓存节点。VNO依据获取的网络信息，利用映射方法以此实例化切片,为不同商业场景或者业务类型提供能够独立运维的、相互隔离的完整网络。虚拟基础设施管理器(Virtual InfrastructureMonitor，VIM)周期性的检测网络信息包括资源状态和可靠性。
图2为本发明中的切片映射方案可靠性与成本折衷示例。如图2所示，密集虚线映射方案可靠性为0.95，资源消耗215；稀疏虚线映射方案可靠性为0.97，资源消耗160。假设切片可靠性需求为0.90，稀疏虚线将为用户提供最好的体验，但是高质量的服务增加了VNO的成本，而密集虚线将为两者之间带来更好的平衡，因为在保证用户可靠性要求的同时网络可以容纳更多的切片请求，资源利用率提高，这将为VNO带来更大的潜在利润。网络切片的可靠性需求不一致，在每次切片映射时，若在满足切片可靠性需求的前提下都选择当前最可靠的映射方案不但增加了切片请求的拒绝率还提高了VNO的成本。因此，寻找物理网络利用效率与提高切片可靠性的折中方案成为新问题，避免用户以低价享受高质量的网络服务，即以“恰到好处的可靠性”来克服资源浪费带来的不利影响。
图3为本发明中网络切片的两个具体实例，如图3所示，NS1为在虚拟数据中心的用户，当虚拟机与外界通信过程中需要考虑负载与安全问题，首先经过负载均衡来提供虚IP服务进行负载分担，然后通过防火墙的域间策略服务进行访问控制，或者NS2运营商利用深度包检测通过对网络的关键点处流量和报文内容进行检测分析实现网络可视化等,最后通过虚拟路由器的虚拟专用网络服务与外界通信。
表1为本发明针对图3的两个具体实例，基于可靠性分配，利用综合评分法对NS内的三个因素：共享性，状态性，MTTR分别评分。获得VNF的可靠性分配值与权重指标。
表1
图4为本发明中基于并联备份的增强保护实例。如图4所示，切片2由功能节点防火墙与负载均衡两类功能节点组成，并且假设带宽资源需求为20单元。将其部署到节点可靠性分别为R1＝0.92,R2＝0.96,R3＝0.94,R4＝0.94,R5＝0.92,R6＝0.94的物理网络中，网络总带宽资源为410，其中物理节点1与6分别源节点和目的节点。根据3.2节可知该切片要求整体可靠性不低于0.9，如果只考虑NS的整体可靠性,切片2可行的映射方案P2为图中红色实现所表示部分，路径为n1→n2→n4→n6，防火墙部署在节点n2和负载均衡部署在n4,计算实际可实现的可靠性为带宽资源消耗为b1＝60/410＝14.6％。由表1得到各功能节点的可靠性要求当前映射方案P2无法满足负载均衡节点可靠性的需求，VNO根据获得当前的物理网络节点可靠性信息，没有满足要求的可选节点。此时，VNO并不会立即拒绝该NS请求，而是对切片结构重设计，将无法满足可靠性要求的节点并联配置并联的节点与原节点实现同样功能类型，且资源需求完全一样，当失效时启动此时功能节点的可靠性需求为当前网络中R3＝0.94，R5＝0.92均满足可靠性约束条件，因为且带宽资源消耗选择b(R5)＜b(R3)，其中|R|表示R的模，b(R)表示选择R为备份节点的带宽消耗。综上所述，备份部署到物理节点R5＝0.92，路径为n1→n2→n4/n5→n6。此时网络切片的整体可靠性带宽资源消耗为b2＝100/410＝24.4％。VNO的带宽资源消耗增加了9.8％，但是通过该方法减少了NS请求的拒绝率，并且利用低成本的节点实现了高可靠性需求，从而获得了收益。
图5为本发明中网络切片请求可靠映射流程示意图。如图5所示，具体步骤如下：
步骤501：随机生成物理拓扑结构，不同类型的切片，其中每一种类型网络切片请求的到达时间，时间间隔，生命周期，资源需求都是随机的；
步骤502：VNO周期性检测底层节点资源与可靠性信息；
步骤503：判断网络切片请求队列是否有切片，若有继续执行，如果没有方法结束；
步骤504：根据切片整体可靠性需求利用可靠性分配获得VNF的可靠性目标；
步骤505：针对每个VNF判断是否有满足其资源约束的底层节点，若没有则拒绝网络切片请求，此次映射结束，开始新的切片请求映射，回到503；
步骤506：若504成功，针对每个VNF判断是否有满足其可靠性约束的底层节点；
步骤507：若506失败，VNO重构切片，并联配置该VNF节点，回到503，开始新的切片请求映射；
步骤508：若506成功，利用最小化可靠性要求与实际实现可靠性差值，确定VNF部署；
步骤509：最小化带宽资源消耗，确定通信链路映射方案；
步骤510：若509成功，此网络切片请求映射成功，更新底层物理资源，否则回到503。
图6为本发明中VNF节点部署流程示意图，如图6所示，具体步骤如下：
步骤601：确定网络切片请求的VNF部署方案；
步骤602：确保在同一次虚拟网络请求中，没有物理节点被映射两次，底层所有物理节点n均初始化为
步骤603：寻找底层是否有同时满足VNF节点资源需求和可靠性需求的物理节点集，如果没有，则回到601，开始新的节点映射；
步骤604：对满足的物理节点依次执行
步骤605：VNF节点的映射节点为映射成功后，设置相关参数Pg(vk)←rmim。
图7为本发明中虚拟链路映射流程示意图，如图7所示，具体步骤如下：
步骤701：确定网络切片请求的的虚拟链路ek；
步骤702：根据Pg(vk),匹配相对应的物理节点；
步骤703：找出满足链路资源约束的短路径Pg(ek)；
步骤704：如果选择最短的路劲映射，映射成功后，更新生于可用的物理资源；否则，则拒绝切片请求g映射失败。
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 (10)

1.一种面向底层节点失效的5G网络切片拓扑设计及可靠映射方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
S1：建立5G网络切片可靠映射模型，并且虚拟网络运营商(Virtual NetworkOperation,VNO)周期性检测底层节点的资源和可靠性信息；
S2：针对每个网络切片(Network Slice,NS)，基于可靠性分配理论，根据网络切片的整体可靠性要求获得单个虚拟网络功能实例的可靠性目标；根据实时节点信息，判断切片的映射方案；
S3：若存在满足资源限制而单节点可靠性无法达到要求时，则重构网络切片；
S4：若资源与可靠性均达到要求，根据最小化需求可靠性与可实现可靠性的差值的同时最小化带宽资源消耗的准则，确定最优的映射方案；否则，直接拒绝切片请求。
2.根据权利要求1所述的面向底层节点失效的5G网络切片拓扑设计及可靠映射方法，其特征在于，步骤S1中，所述建立的5G网络切片可靠映射模型为：
底层物理网络由带权无向图Gs＝(Ns,Ls)表示，其中Ns＝{n1,n2,...,nM}为物理节点集，物理节点ni的计算资源ci和可靠性为Ls＝{lij|ni,nj∈Ns}表示物理链路集，lij表示底层物理网络上具体的物理节点i,j的物理链路，其中物理链路lij分配的带宽资源为bij；另外设表示节点ni剩余的可用资源，表示链路lij的剩余可用带宽；
网络切片请求g由表示，其中为切片请求g所经过的VNF节点序列，Kg表示切片请求g中VNF节点数量，Eg＝{ek|vk,vk+1∈Vg}为虚拟链路集，表示切片请求g第k条虚拟链路，表示虚拟网络功能VNF节点vk∈Vg的计算资源需求，为切片请求g中VNF节点vk与vk+1之间的带宽需求；切片请求g的源节点和目的节点为sg和tg；每个到达的NS请求，有特定的可靠性要求
Pg＝[P(Vg),P(Eg)]表示映射方案；表示部署的VNF功能节点的映射方案，表示切片请求g虚拟链路的映射方案。
3.根据权利要求2所述的面向底层节点失效的5G网络切片拓扑设计及可靠映射方法，其特征在于，最小化NS映射方案Pg的实际可靠性与NS需求可靠性之间的差距阻止用户以低价享受高质量的网络服务；
所述5G网络切片可靠映射模型是利用有效度定量分析服务器的可靠性，由服务器平均修复时间(Mean Time To Repair，MTTR)和平均故障间隔时间(Mean Time BetweenFailures，MTBF)来衡量，所述的有效度为：
其中，表示物理节点ni的平均故障间隔时间，表示物理节点ni的平均修复时间；
所述的NS映射方案Pg的实际可靠性为：
4.根据权利要求3所述的面向底层节点失效的5G网络切片拓扑设计及可靠映射方法，其特征在于，找到既满足用户可靠性要求又降低资源消耗成本的网络切片映射方案模型，及目标函数为：
其中，bg表示选择映射方案Pg时带宽资源消耗；wr,wc为权重因子，实现用户体验与带宽资源之间平衡；所述目标函数前半部分表示：最小化NS所要求的可靠性与实际实现的可靠性的差值；所述目标函数后半部分表示：最小化映射方案的底层网链路带宽消耗。
5.根据权利要求4所述的面向底层节点失效的5G网络切片拓扑设计及可靠映射方法，其特征在于，步骤S2中，所述的基于可靠性分配理论，根据网络切片的整体可靠性要求获得单个虚拟网络功能实例的可靠性目标具体为：切片可靠性需求给定为分配给每个子系统的可靠性为：
其中，表示切片g分配给子系统i的可靠性指标；表示切片g子系统i的标准化权重指标，定义为子系统i的得分值与切片g总得分的比值；
所述的可靠性分配理论为：当子系统有Ni个组件并联时，子系统i的第j个功能子组件的可靠性分配为：
6.根据权利要求5所述的面向底层节点失效的5G网络切片拓扑设计及可靠映射方法，其特征在于，步骤S2中，所述的根据实时节点信息，判断切片的映射方案具体步骤为：
(1)底层节点没有足够资源实例化的虚拟网络功能节点，则直接拒绝切片请求；
(2)节点有足够的资源但是单设备达到虚拟网络功能节点的可靠性需求，则要重构切片，再寻找最优的映射方案Pg；
(3)节点资源与可靠性均达到要求直接找到最优的映射方案Pg。
7.根据权利要求6所述的面向底层节点失效的5G网络切片拓扑设计及可靠映射方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的重构切片具体为：通过采用虚拟网路功能组件并联配置降低对单个设备的可靠性需求；重构包括在切片请求中增加有相同计算资源需求的备份节点，即只要主节点与某一个功能节点有边连接，备份节点与必须也有边连接。
8.根据权利要求7所述的面向底层节点失效的5G网络切片拓扑设计及可靠映射方法，其特征在于，步骤(3)中，所述寻找最优的映射方案Pg，具体步骤为：
1)满足切片虚拟网络功能节点资源需求的物理节点集中，根据最小化的准则确定节点映射
2)基于虚拟功能节点映射和链路资源约束，根据最小化带宽资源消耗的准则，确定通信链路映射Pg(ek)。
9.根据权利要求8所述的面向底层节点失效的5G网络切片拓扑设计及可靠映射方法，其特征在于，步骤1)中，所述的确定节点映射具体为：
①底层所有物理节点n均初始化为对满足的物理节点依次执行其中Cn、Rn分别表示物理节点n的CPU资源量和可靠性；分别表示NS请求g中第k个VNF的CPU资源需求和可靠性需求；rn表示物理节点n的可靠性与NS请求g中第k个VNF所需求的可靠性的差值；
②根据计算得到rn策略值，得到VNF节点的映射节点为
③设置相关参数
10.根据权利要求9所述的面向底层节点失效的5G网络切片拓扑设计及可靠映射方法，其特征在于，步骤2)中，所述的确定链路映射Pg(ek)，具体为：
①根据匹配相对应的物理节点；
②找出满足链路资源约束的路径集Pg(ek)；
③如果选择最短路径确定链路映射，映射成功后，更新生于可用的物理资源；否则,则拒绝切片请求g映射失败。
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