CN109474464B - 一种基于OpenNF机制的快速网络更新方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于OpenNF机制的快速网络更新方法，保证了多NF和多数据流更新的一致性；对于单个数据流，改变了传统基于OpenNF机制的网络更新方法中，顺序更新NF的做法，采用各自计算更新时间，一起更新的方法，从而有效地减少了单个流的更新时间，并通过预测缓冲包的最早释放时间对其进行优化，以减轻控制器的存储压力，提高多个流之间并行更新的可能性；对于多个流，在考虑了CPU、带宽和控制器内存等网络资源限制的情况下，通过安排多流更新顺序以快速更新网络。

Description

一种基于OpenNF机制的快速网络更新方法

技术领域

本发明涉及网络更新领域，具体地，涉及一种基于OpenNF机制的快速网络更新方法。

背景技术

移动设备的普及和无线网络的广泛部署，使得越来越多的人可以轻松访问互联网，3G/LTE 技术使得智能设备对多媒体流媒体的需求很高，然而，传统的基于硬件的媒体服务难以满足日益增长的用户需求。网络功能虚拟化(Network FunctionVirtualization，NFV)和软件定义网络(SDN)技术为降低媒体服务运营成本和提高网络灵活性提供了重大机遇，结合SDN和NFV，网络提供了灵活的交通转向和网络功能与资源的联合优化，然而，敏捷性为网络更新带来了新的挑战，网络更新定义为改变网络转发规则和更新NF状态。现有的一些工作只考虑了转发规则更新，而忽略了NF状态更新，一些工作等待现有流终止并只重新路由新流，这增加了更新时间和成本，一些工作同时考虑了多个流的更新和网络资源的限制，然而当一个流中同时有多个NFs更新时，他们忽略了加速更新的可能性，而且他们的方案粒度太粗，无法进一步优化更新时间。

发明内容

本发明提供了一种基于OpenNF机制的快速网络更新方法，一方面减少了单个流的更新时间，从而提高了多个流之间并行更新的可能性，另一方面在考虑了CPU、带宽和控制器内存等网络资源限制的情况下，通过安排多流更新顺序以快速更新网络。

为实现上述发明目的，本申请提供了一种基于OpenNF机制的快速网络更新方法，包括：

对于单个流，所述方法包括：

步骤A1：当一个流开始被更新，对第一个需要更新的网络功能NF，控制器找到该网络功能NF之前的一个路由器，修改该路由器的路由规则，将流导向控制器以存储数据包；

步骤A2：所有网络功能NF等待其前一个网络功能NF到其之间链路上的所有飞行数据包被处理完毕后，各自开始进行更新；

步骤A3：对于每一个需要更新的网络功能NF，计算其控制器释放时间，取最大值作为实际控制器释放时间；

对于多个流，所述方法包括：

步骤B1：按照单个流的更新方法估计每个流的更新时间，通过相加获得所有流的更新时间T，将T均分为S个时间段，若在时隙s中，存在流正在更新，则q_s＝1，否则为0，且当q_s＝0时表示网络更新已经完成，从而确定多个数据流最短更新时间的优化目标为

步骤B2：计算控制器存储资源m^s，链路e上的流量负载

每个NF的CPU使用率

时隙t时节点v上的最大流条目

确保关于q_s、

的限制条件；其中，

代表流i从旧路径更新到新路径的部分，

代表流i在时隙s的开始更新标志；

步骤B3：简化优化目标为更新过程中控制器存储资源空闲程度最低

其中，C代表控制器容量，在不违反步骤B2资源限制条件的情况下，求解优化目标。

进一步的，步骤A3中以优化方法计算其控制器释放时间，取最大值作为实际控制器释放时间，优化计算方法包括：

其中，Tr_old/new(n)代表NF_n和NF_n+1之间在新或旧路径上的传输时间，Pr_old/new(n) 代表在旧或新NF_n上每个数据包的处理时间，N代表NF的数量。

进一步的，对于多个流的步骤B2中的相关网络资源，计算如下：

式中，d_i代表流i的流量速率，K代表要更新的活动流数量，

代表流i从旧路径更新到新路径的部分，t_s代表时隙的大小，

代表在时隙s时

的起始缓存时间；

式中，

代表流i在时隙s的开始更新标志，

代表流i在时隙s的结束更新标志，

代表链路e上的初始流量负载，ε′_ie是链路e是否属于流i的新路径标志；ε_ie是链路e是否属于流i的旧路径标志；

式中，

代表NF的初始CPU利用率，c_i代表NF上用于处理流i的CPU负载，ζ′_iv代表v是否属于新路径，ζ_iv代表v是否属于旧路径；

式中，

代表节点v上的初始最大流条目，

代表服务器v上的旧规则是否可以被移除，

代表服务器v上是否可以被加入新规则，η′_iv代表v是否属于新路径。

进一步的，对于多个流的步骤B2中的关于q_s、

的限制条件，包括：

进一步的，步骤B3利用启发式算法求解该优化目标，包括：

检查是否有流已被更新或者有数据包已被释放；在不违反网络资源限制的情况下找到是否有可以被马上更新的流；找到拥有最大释放缓冲数据包时间的流a，如果流a能够开始更新，则将流a加入现有的更新流集中并更新网络，如果流a不能开始更新，则继续选择除流 a外拥有最大释放缓冲数据包时间的流，直至遍历所有流。

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)本发明不同于传统基于OpenNF机制的网络更新方法中，顺序更新NF的做法，采用一起更新所有NF的方法，从而有效地减少单个流的更新时间。

2)本发明通过优化计算方法，计算缓冲包的最早释放时间，从而减少了控制的存储压力，提高了多个流之间并行更新的可能性。

3)本发明同时考虑了多个流的更新和CPU、带宽和控制器内存等网络资源的限制，并确保了更新的一致性。

4)本发明将多流更新定义为细粒度的非线性规划问题，并提出一种启发式算法对其进行求解，使得整个网络的更新时间最小化。

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是本申请中基于OpenNF机制的快速网络更新方法对于单流更新的流程示意图；

图2是本申请中基于OpenNF机制的快速网络更新方法对于多流更新的流程示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于OpenNF(一种用于网络功能改变的控制平面架构)机制的快速网络更新方法，保证了多NF(网络功能)和多数据流更新的一致性。对于单个数据流，改变了传统基于OpenNF机制的网络更新方法中，顺序更新NF的做法，采用各自计算更新时间，一起更新的方法，从而有效地减少了单个流的更新时间，并通过预测缓冲包的最早释放时间对其进行优化，以减轻控制器的存储压力，提高多个流之间并行更新的可能性。对于多个流，在考虑了CPU、带宽和控制器内存等网络资源限制的情况下，通过安排多流更新顺序以快速更新网络。

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-图2，构建了一个包含50个节点的随机拓扑，所有节点的CPU使用率为1，表大小为10，所有链路均为10个单位。随机生成10个NF，更新时间介于10-100ms之间，CPU占用率介于0.2-0.6之间，处理单个数据包时间介于5-20ms之间。假设每个流从包含 10个NF的集合中随机选择3个，4个，5个，6个，7个NF构成服务链，且它们之间的顺序按照从小到大的更新时间进行排序，从而和当前的视频流服务链的网络功能复杂度一致。对于数据流的数量，随机选择20个一一对应的源和目标地址，并确定它们之间的最短路径，定义为一个数据流，并选择另外20个不同的路径，作为更新后的路径，每个流的流量速率在 1-5pkts/ms的范围内随机确定。

基于OpenNF机制的快速网络更新方法，对于单个流，包括以下步骤：

A当一个流开始被更新，控制器修改第一个NF之前的转换器的规则，以缓冲数据包。

B所有NFs等待它前一个NF到它之间链路上的所有飞行数据包被处理完毕后，各自开始进行更新。

C对于每一个需要更新的NF，以本发明提出的优化方法计算其控制器释放时间，取最大值作为实际控制器释放时间。

基于OpenNF机制的快速网络更新方法，对于多个流，包括以下步骤：

A按照单个流的更新方法估计每个流的更新时间，通过相加所有流的更新时间得T，将T均分为S个时间段，若在时隙s中，存在流正在更新，则q_s＝1，否则为0。定义定义旧转发路径{p₁，p₂，p₃…p_K}，新转发路径{p′₁，p′₂，p′₃…p′_K}，公式中涉及的符号及含义见下表1。

表1

B计算

C计算

D计算m^s：

E计算

如果满足

或者满足

为1，否则为0。

F计算

G计算

H计算

如果满足

和

为1，否则为0。

I计算

如果满足

和

为1，否则为0。

J计算

K利用启发式算法求解优化目标

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

1)本发明不同于传统基于OpenNF机制的网络更新方法中，顺序更新NF的做法，采用一起更新所有NF的方法，从而有效地减少单个流的更新时间。

2)本发明通过优化计算方法，计算缓冲包的最早释放时间，从而减少了控制的存储压力，提高了多个流之间并行更新的可能性。

3)本发明同时考虑了多个流的更新和CPU、带宽和控制器内存等网络资源的限制，并确保了更新的一致性。

4)本发明将多流更新定义为细粒度的非线性规划问题，并提出一种启发式算法对其进行求解，使得整个网络的更新时间最小化。

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 (3)

1.一种基于OpenNF机制的快速网络更新方法，其特征在于：

对于单个数据流，所述方法包括：

步骤A1：当一个数据流开始被更新，对第一个需要更新的网络功能NF，控制器找到该网络功能NF之前的一个路由器，修改该路由器的路由规则，将数据流导向控制器以存储数据包；

步骤A2：所有网络功能NF等待其前一个网络功能NF到其之间链路上的所有飞行数据包被处理完毕后，各自开始进行更新；

步骤A3：对于每一个需要更新的网络功能NF，计算其控制器释放时间，取最大值作为实际控制器释放时间；

对于多个数据流，所述方法包括：

步骤B1：按照单个数据流的更新方法估计每个数据流的更新时间，通过相加获得所有数据流的更新时间T，将T均分为S个时间段，若在时隙s中，存在数据流正在更新，则q_s＝1，否则为0，且当q_s＝0时表示网络更新已经完成，从而确定多个数据流最短更新时间的优化目标为

步骤B2：计算控制器存储资源m^s，链路e上的流量负载

每个NF的CPU使用率

时隙t时节点v上的最大流条目

确保关于q_s、

的限制条件；其中，

代表数据流i从旧路径更新到新路径的部分，

代表数据流i在时隙s的开始更新标志，q_s表示在时隙s网络中是否有更新存在；

步骤B3：简化优化目标为更新过程中控制器存储资源空闲程度最低

其中，C代表控制器容量，在不违反步骤B2资源限制条件的情况下，求解优化目标；

步骤A3中以优化方法计算其控制器释放时间，取最大值作为实际控制器释放时间，优化计算方法包括：

其中，Tr_old/new(n)代表NF_n和NF_n+1之间在新或旧路径上的传输时间，Pr_old/new(n)代表在旧或新NF_n上每个数据包的处理时间，N代表NF的数量；

步骤B3利用启发式算法求解该优化目标，包括：

检查是否有数据流已被更新或者有数据包已被释放；在不违反网络资源限制的情况下找到是否有可以被马上更新的数据流；找到拥有最大释放缓冲数据包时间的数据流a，如果数据流a能够开始更新，则将数据流a加入现有的更新数据流集中并更新网络，如果数据流a不能开始更新，则继续选择除数据流a外拥有最大释放缓冲数据包时间的数据流，直至遍历所有数据流。

2.根据权利要求1所述的基于OpenNF机制的快速网络更新方法，其特征在于，

对于多个数据流的步骤B2中的相关网络资源，计算如下：

式中，d_i代表数据流i的流量速率，K代表要更新的活动流数量，

代表数据流i从旧路径更新到新路径的部分，t_s代表时隙的大小，

代表在时隙s时

的起始缓存时间，

表示控制器在时隙s是否对

缓冲数据包；

式中，

代表数据流i在时隙s的开始更新标志，

代表数据流i在时隙s的结束更新标志，

代表链路e上的初始流量负载，ε'_ie是链路e是否属于数据流i的新路径标志；ε_ie是链路e是否属于数据流i的旧路径标志；

式中，

代表NF的初始CPU利用率，c_i代表NF上用于处理数据流i的CPU负载，ζ′_iv代表v是否属于新路径，ζ_iv代表v是否属于旧路径；

式中，

代表节点v上的初始最大流条目，

代表服务器v上的旧规则是否可以被移除，

代表服务器v上是否可以被加入新规则，η′_iv代表v是否属于新路径，r_i表示数据流在时隙s从旧路径更新到新路径的流量大小，η_iv代表v是否属于旧路径。

3.根据权利要求2所述的基于OpenNF机制的快速网络更新方法，其特征在于，对于多个数据流的步骤B2中的关于q_s、

的限制条件，包括：

Images