CN110087250A - 一种基于多目标联合优化模型的网络切片编排方案及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多目标联合优化模型的网络切片编排方案，包括多目标联合优化模型和网络切片编排系统，多目标联合优化模型所求的解为网络切片中的VNF与NFVI上的服务节点的映射关系，和网络切片中的VL与NFVI上的网络链路的映射关系。网络切片编排系统包括相互通信的网络切片编排模块、VNF管理模块以及资源管理模块。本发明该方案能在创建网络切片的过程中考虑网络切片的所需的资源成本，从而使得生成的网络切片既具有较好的网络QoS，又能够降低网络运营商创建网络切片所消耗的成本，从而达到网络切片的多维度优化的目的。

Description

一种基于多目标联合优化模型的网络切片编排方案及其方法

技术领域

本发明属于5G网络切片技术领域，具体涉及一种基于多目标联合优化模型的网络切片编排方案及其方法。

背景技术

网络切片是实现5G面向不同应用场景进行差异化服务的关键。而网络切片的实现主要依赖于网络功能虚拟化(Network Functions Virtualization，NFV)技术。NFV利用软件技术将底层硬件平台中的软件资源和硬件资源解耦，通过对网络功能与服务的抽象和虚拟化实现对计算、存储和网络等物理硬件资源的共享。所以网络切片就是由一组不同类型和数量的虚拟网络功能(Virtual Network Function,VNF)经过排列和连接构建的一个具有特定服务场景的端到端逻辑网络。

网络切片的编排是5G网络切片中重要的研究内容。网络切片的编排是指根据业务场景的需求和模型，在进行切片实例化时为切片中的VNF在基础资源设施上寻找合适的服务节点为VNF分配相关的资源。因为从上可知，网络切片是一个由若干个VNF以及连接这些VNF的虚拟链路(Virtual Link，VL)组成的虚拟网络，并且此虚拟网络的拓扑结构是有向链式结构。所以网络切片编排可以参考NFV中虚拟网络在网络功能虚拟化基础设施(NetworkVirtualization Function Infrastructure，NFVI)上的映射模型来进行实现，即网络切片在NFVI上的映射。

网络切片映射过程分为VNF映射与和VL映射：VNF映射就是将VNF映射到NFVI服务节点的过程，在此过程中要满足VNF对CPU资源，内存资源和存储资源的需求；VL映射就是将VL映射到NFVI网络链路的过程，在此过程中要满足VL对网络带宽和网络服务质量(Qualityof Service，Qos)需求。

在网络切片的生命周期内，网络切片的映射方案又分为初始阶段和迁移阶段：初始阶段即生成网络切片时，切片的VNF和VL在NFVI上的映射的初始服务节点和网络链路；而随着网络切片在运行过程中的业务流量的增加，用户需要对网络切片中的VNF或VL进行扩容(增加VNF或VL运行所需的相关资源量)操作，当VNF/VL扩容所增加的资源量超过了其初始服务节点/网络链路的可用资源量限制时，这时就需要将VNF/VL进行迁移，即为VNF/VL在NFVI上寻找新的服务节点或网络链路映射位置，这就是迁移阶段的网络切片映射方案。初始阶段的切片映射方案的目的是使生成的网络切片具最优的网络Qos；迁移阶段映射方案的目的是根据流量变化对网络切片进行自适应调整，以保证网络切片Qos和NFVI的可靠性。

现有技术中对于生成的网络切片优化目标较为单一，因为在5G现实环境中NFVI中的服务节点可能由不同的基础设施提供商运营或处于不同的地理位置而导致服务节点上的资源成本不同，若不考虑服务节点的资源成本因素，一味地追求网络时延的最小化，可能会使得网络切片运营商运营切片资金消耗带来巨大压力。并且对于网络切片编排方案的具体实施，为给出完整的系统技术解决方案。

发明内容

本发明针对现有的网络切片编排方案的优化目标单一的缺点，提出了一种基于多目标联合优化模型的网络切片编排方案。该方案能在创建网络切片的过程中考虑网络切片的所需的资源成本，从而使得生成的网络切片既具有较好的网络QoS，又能够降低网络运营商创建网络切片所消耗的成本，从而达到网络切片的多维度优化的目的。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种基于多目标联合优化模型的网络切片编排方案，包括多目标联合优化模型和网络切片编排系统；

所述多目标联合优化模型所求的解为网络切片中的VNF与NFVI上的服务节点的映射关系，和网络切片中的VL与NFVI上的网络链路的映射关系；

所述多目标联合优化模型具体为：

假设使用表示一个由若I个VNF和J条VL组成的网络切片，使用表示一个由K个服务节点和M条网络链路构成的NFVI；所以VNF与服务节点的映射关系为v_i映射在N_k上时为1，否则为0；VL与网络链路的映射关系为l_j映射在L_m上时为1，否则为0；

所述网络切片编排系统包括相互通信的网络切片编排模块、VNF管理模块以及资源管理模块；

所述网络切片编排模块负责与用户交互，用户通过网络切片编排模块来进行网络切片的创建、修改、删除、查询；

所述VNF管理模块负责对网络切片中包含的VNF/VL进行创建、修改、删除、查询操作；

所述资源管理模块负责运行在NFVI上的VNF和VL分配、释放、修改计算资源和带宽资源。

进一步的，所述多目标联合优化模型的目标值如公式1所示：

Target＝w×C+(1-w)×D (1)

目标值Target主要包括生成网络切片的资源成本C和切片时延D，资源成本C主要包括网络切片中VNF运行所需的计算资源成本C^com和VL所需的带宽资源成本C^bw，即C＝C^com+C^bw，C^com、C^bw的表示如公式2和公式3所示，

计算资源成本表示为网络切片中VNF所需的计算资源量与其映射的服务节点的资源单价之积的和；

带宽资源成本表示为网络切片中VL所需的带宽资源量与其映射的网络链路的资源单价之积的和；

公式1中的w表示资源成本C在目标值中所占的权值比重，w的值可根据网络切片的等级来设定，即当网络切片等级较高时，可以减少资源成本C在目标值中的比重，使得生成网络切片映射方案时更关注于提高网络切片的Qos(减小时延)；当网络切片等级较低时，可以提高资源成本在目标值中的比重，使得生成网络切片映射方案时更关注于节省成本。

进一步的，多目标联合优化模型的约束条件主要有两个：第一，当时，v_i所需的计算资源小于服务节点N_k上的可用计算资源量；第二，当时，l_j所需的带宽资源小于网络链路L_m的可用带宽资源量。

进一步的，所述网络切片编排模块包括以下六个子模块：切片验证、编排计算、资源监控、切片管理、网络切片数据库和资源信息缓存；

所述切片验证子模块负责对用户发来的网络切片请求的格式进行验证，只有验证通过的网络切片请求才能够进行后续的处理；

所述编排计算子模块负责网络切片的编排方案，即VNF在NFVI上服务节点的映射位置，VL在NFVI上网络链路的映射位置，编排计算子模块会根据用户发来的网络切片请求中的信息和NFVI信息，根据多目标联合优化模型，使用启发式算法即如遗传算法、蚁群算法求解出网络切片编排方案；

所述资源监控子模块负责向资源管理模块查询NFVI资源信息，然后将NFVI资源信息存入资源信息缓存子模块中，以供进行资源分析和向编排计算子模块提供NFVI信息；

所述切片管理子模块通过与网络切片数据库子模块结合负责已创建的网络切片的信息的管理。

进一步的，所述VNF管理模块包括VNF管理执行子模块、VNF数据库子模块、VL管理执行子模块和VL数据库子模块；

所述VNF管理模块收到网络切片编排模块发来的编排方案时，VNF管理执行子模块会先创建VNF存入VNF数据库，VL管理执行子模块会创建VL存入VL数据库中，然后再向资源管理模块发起为VNF申请分配计算资源和为VL申请分配带宽资源的请求。

进一步的，所述资源管理模块包括计算资源管理子模块、计算资源数据库子模块、带宽资源管理子模块和带宽资源数据库子模块；

所述计算资源管理子模块会将NFVI上服务节点上的硬件资源即CPU、内存、存储进行统一化抽象为计算资源并存入计算资源数据库子模块；

所述带宽资源管理子模块会将通信网络所包含的光纤、交换机、路由器进行统一化抽象为带宽资源并存入带宽资源数据库子模块。

一种基于多目标联合优化模型的网络切片编排方案的方法，包括如下步骤：

步骤1：首先网络切片编排模块中的切片验证子模块对用户发来的网络切片请求中的信息格式进行验证，然后将网络切片信息转发给编排计算子模块；

步骤2：所述资源监控子模块从资源管理模块查询NFVI资源信息，将NFVI资源信息存入资源信息缓存子模块，然后编排计算模块根据网络切片信息和NFVI资源信息，基于多目标联合优化模型，使用智能算法计算出网络切片编排方案；

步骤3：切片管理子模块首先将生成的网络切片存入网络切片数据库，再根据网络切片编排方案，为网络切片中的VNF或VL向VNF/VL管理模块发起创建VNF或VL的请求；

步骤4：VNF/VL管理模块在收到VNF或VL的创建请求之后，会先将VNF和VL请求分发给VNF管理执行子模块、VL管理执行子模块，VNF管理执行子模块先将VNF的信息存入VNF数据库子模块，VL管理执行子模块将VL的信息存入VL数据库子模块，再向资源管理模块为VNF和VL发起计算资源和带宽资源分配申请；

步骤5：资源管理模块收到计算资源和带宽资源分配请求之后先在服务节点和网络链路上执行资源分配，然后再更新计算资源数据库子模块和带宽资源数据库子模块中的信息。

本发明的有益效果为：

本发明根据用户的网络切片请求信息和NFVI上的资源信息，根据多目标联合优化模型来求解网络切片在NFVI上的编排方案。通过在多目标联合优化模型中引入切片成本因素，能够使得网络切片运营商生成的切片不仅能够符合用户的对网络切片的Qos(时延)要求，还能够有效降低运营商创建切片的成本；并且通过引入切片成本权重，来使得运营商能够根据切片等级，为不同等级的用户提供定制化的网络切片。

附图说明

图1是本发明网络切片编排系统的框图；

图2是本发明实例简要流程示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

如图1所示，一种基于多目标联合优化模型的网络切片编排方案，包括多目标联合优化模型和网络切片编排系统。

多目标联合优化模型所求的解为网络切片中的VNF与NFVI上的服务节点的映射关系，和网络切片中的VL与NFVI上的网络链路的映射关系。

多目标联合优化模型具体为：

假设使用表示一个由若I个VNF和J条VL组成的网络切片，使用表示一个由K个服务节点和M条网络链路构成的NFVI；所以VNF与服务节点的映射关系为v_i映射在N_k上时为1，否则为0；VL与网络链路的映射关系为l_j映射在L_m上时为1，否则为0。

v_i表示的是一个编号为i的VNF，I表示的网络切片包含的VNF的总个数，v_I表示一个编号为I的VNF，即编号最大的VNF(i大于等于1，小于等于I)。l_j表示一条编号为j的VL(虚拟链路)，J表示网络切片包含的VL的总条数，l_J表示一个编号为J的VL，即编号最大的VL。并且上式中VNFs表示网络切片中包含的VNF的集合，VLs表示网络切片中包含的VL的集合(j大于等于1，小于等于J)。

Nodes表示NFVI上包含的服务节点的集合，N_k表示编号为k的服务节点，K为服务节点的总个数，N_K表示编号为K的服务节点，即编号最大的那个服务节点。(k大于等于1，小于等于K)。Links表示NFVI上包含的网络链路的集合，L_m表示编号为m的网络链路，M表示网络链路的总条数，L_M表示编号最大的那个网络链路(m大于等于1，小于等于M)

多目标联合优化模型的目标值如公式1所示：

Target＝w×C+(1-w)×D (1)

目标值Target主要包括生成网络切片的资源成本C和切片时延D，资源成本C主要包括网络切片中VNF运行所需的计算资源成本C^com和VL所需的带宽资源成本C^bw，即C＝C^com+C^bw，C^com、C^bw的表示如公式2和公式3所示，

计算资源成本表示为网络切片中VNF所需的计算资源量与其映射的服务节点的资源单价之积的和；

带宽资源成本表示为网络切片中VL所需的带宽资源量与其映射的网络链路的资源单价之积的和；

公式1中的w表示资源成本C在目标值中所占的权值比重，w的值可根据网络切片的等级来设定，即当网络切片等级较高时，可以减少资源成本C在目标值中的比重，使得生成网络切片映射方案时更关注于提高网络切片的Qos(减小时延)；当网络切片等级较低时，可以提高资源成本在目标值中的比重，使得生成网络切片映射方案时更关注于节省成本。

多目标联合优化模型的约束条件主要有两个：第一，当时，v_i所需的计算资源小于服务节点N_k上的可用计算资源量；第二，当时，l_j所需的带宽资源小于网络链路L_m的可用带宽资源量。

本发明网络切片编排系统如图1所示，包括相互通信的网络切片编排模块、VNF管理模块以及资源管理模块。这三个功能模块在网络切片的编排过程中分别承担不同的功能，并且这些模块是独立的、互不影响的，模块之间通过服务接口进行通信。下面从上至下对这些功能模块进行阐述：

(1)网络切片编排模块：

网络切片编排模块负责与用户交互，用户通过网络切片编排模块来进行网络切片的创建、修改、删除、查询。网络切片编排模块包括以下六个子模块：切片验证、编排计算、资源监控、切片管理、网络切片数据库和资源信息缓存。

切片验证子模块负责对用户发来的网络切片请求的格式进行验证，只有格式符合表1所示的结构才能通过验证，并且只有验证通过的网络切片请求才能够进行后续的处理。切片验证子模块，能够过滤一些不合规则的网络切片请求，使整个网络切片编排功能模块的工作更加高效。

表1网络切片请求的格式

编排计算子模块负责网络切片的编排方案，即VNF在NFVI上服务节点的映射位置，VL在NFVI上网络链路的映射位置，编排计算子模块会根据用户发来的网络切片请求中的信息和NFVI信息，根据多目标联合优化模型，使用启发式算法(如遗传算法、蚁群算法等)求解出网络切片编排方案。

资源监控子模块负责向资源管理模块查询NFVI资源信息，然后将NFVI资源信息存入资源信息缓存子模块中，以供进行资源分析和向编排计算子模块提供NFVI信息；

切片管理子模块通过与切片信息数据库结合负责已创建的网络切片的信息的管理。

(2)VNF管理模块：

VNF管理模块包括VNF管理执行子模块、VNF数据库子模块、VL管理执行子模块和VL数据库子模块。

VNF管理模块收到网络切片编排模块发来的编排方案时，VNF管理执行子模块会先创建VNF存入VNF数据库，VL管理执行子模块会创建VL存入VL数据库中，然后再向资源管理模块发起为VNF申请分配计算资源和为VL申请分配带宽资源的请求。

(3)资源管理模块：

资源管理模块运行在NFVI上的VNF和VL分配、释放、修改计算资源和带宽资源。

资源管理模块包括计算资源管理子模块、计算资源数据库子模块、带宽资源管理子模块和带宽资源数据库子模块。

计算资源管理子模块会将NFVI上服务节点上的硬件资源即CPU、内存、存储进行统一化抽象为计算资源并存入计算资源数据库子模块。

带宽资源管理子模块会将通信网络所包含的光纤、交换机、路由器进行统一化抽象为带宽资源并存入带宽资源数据库子模块。

本发明基于多目标联合优化模型的网络切片编排方案的方法，包括如下步骤：

步骤1：首先网络切片编排模块中的切片验证子模块对用户发来的网络切片请求中的信息格式进行验证，然后将网络切片信息转发给编排计算子模块；

步骤2：资源监控子模块从资源管理模块查询NFVI资源信息，将NFVI资源信息存入资源信息缓存子模块，然后编排计算模块根据网络切片信息和NFVI资源信息，基于多目标联合优化模型，使用智能算法计算出网络切片编排方案；

步骤3：切片管理子模块首先将生成的网络切片存入网络切片数据库，再根据网络切片编排方案，为网络切片中的VNF或VL向VNF/VL管理模块发起创建VNF或VL的请求；

步骤4：VNF/VL管理模块在收到VNF或VL的创建请求之后，会先将VNF和VL请求分发给VNF管理执行子模块、VL管理执行子模块，VNF管理执行子模块先将VNF的信息存入VNF数据库子模块，VL管理执行子模块将VL的信息存入VL数据库子模块，再向资源管理模块为VNF和VL发起计算资源和带宽资源分配申请；

步骤5：资源管理模块收到计算资源和带宽资源分配请求之后先在服务节点和网络链路上执行资源分配，然后再更新计算资源数据库子模块和带宽资源数据库子模块中的信息。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于多目标联合优化模型的网络切片编排方案，其特征在于：包括多目标联合优化模型和网络切片编排系统；

所述多目标联合优化模型所求的解为网络切片中的VNF与NFVI上的服务节点的映射关系，和网络切片中的VL与NFVI上的网络链路的映射关系；

所述多目标联合优化模型具体为：

假设使用表示一个由若I个VNF和J条VL组成的网络切片，使用表示一个由K个服务节点和M条网络链路构成的NFVI；所以VNF与服务节点的映射关系为v_i映射在N_k上时为1，否则为0；VL与网络链路的映射关系为l_j映射在L_mn上时为1，否则为0；

所述网络切片编排系统包括相互通信的网络切片编排模块、VNF管理模块以及资源管理模块；

所述网络切片编排模块负责与用户交互，用户通过网络切片编排模块来进行网络切片的创建、修改、删除、查询；

所述VNF管理模块负责对网络切片中包含的VNF/VL进行创建、修改、删除、查询操作；

所述资源管理模块负责运行在NFVI上的VNF和VL分配、释放、修改计算资源和带宽资源。

2.如权利要求1所述的一种基于多目标联合优化模型的网络切片编排方案，其特征在于：所述多目标联合优化模型的目标值如公式1所示：

Target＝w×C+(1-w)×D (1)

目标值Target主要包括生成网络切片的资源成本C和切片时延D，资源成本C主要包括网络切片中VNF运行所需的计算资源成本C^com和VL所需的带宽资源成本C^bw，即C＝C^com+C^bw，C^com、C^bw的表示如公式2和公式3所示，

计算资源成本表示为网络切片中VNF所需的计算资源量与其映射的服务节点的资源单价之积的和；

带宽资源成本表示为网络切片中VL所需的带宽资源量与其映射的网络链路的资源单价之积的和；

公式1中的w表示资源成本C在目标值中所占的权值比重，w的值可根据网络切片的等级来设定，即当网络切片等级较高时，可以减少资源成本C在目标值中的比重，使得生成网络切片映射方案时更关注于提高网络切片的Qos(减小时延)；当网络切片等级较低时，可以提高资源成本在目标值中的比重，使得生成网络切片映射方案时更关注于节省成本。

3.如权利要求2所述的一种基于多目标联合优化模型的网络切片编排方案，其特征在于：多目标联合优化模型的约束条件主要有两个：第一，当时，v_i所需的计算资源小于服务节点N_k上的可用计算资源量；第二，当时，l_j所需的带宽资源小于网络链路L_m的可用带宽资源量。

4.如权利要求1所述的一种基于多目标联合优化模型的网络切片编排方案，其特征在于：所述网络切片编排模块包括以下六个子模块：切片验证、编排计算、资源监控、切片管理、网络切片数据库和资源信息缓存；

所述切片验证子模块负责对用户发来的网络切片请求的格式进行验证，只有验证通过的网络切片请求才能够进行后续的处理；

所述编排计算子模块负责网络切片的编排方案，即VNF在NFVI上服务节点的映射位置，VL在NFVI上网络链路的映射位置，编排计算子模块会根据用户发来的网络切片请求中的信息和NFVI信息，根据多目标联合优化模型，使用启发式算法即如遗传算法、蚁群算法求解出网络切片编排方案；

所述资源监控子模块负责向资源管理模块查询NFVI资源信息，然后将NFVI资源信息存入资源信息缓存子模块中，以供进行资源分析和向编排计算子模块提供NFVI信息；

所述切片管理子模块通过与网络切片数据库子模块结合负责已创建的网络切片的信息的管理。

5.如权利要求1所述的一种基于多目标联合优化模型的网络切片编排方案，其特征在于：所述VNF管理模块包括VNF管理执行子模块、VNF数据库子模块、VL管理执行子模块和VL数据库子模块；

所述VNF管理模块收到网络切片编排模块发来的编排方案时，VNF管理执行子模块会先创建VNF存入VNF数据库，VL管理执行子模块会创建VL存入VL数据库中，然后再向资源管理模块发起为VNF申请分配计算资源和为VL申请分配带宽资源的请求。

6.如权利要求1所述的一种基于多目标联合优化模型的网络切片编排方案，其特征在于：所述资源管理模块包括计算资源管理子模块、计算资源数据库子模块、带宽资源管理子模块和带宽资源数据库子模块；

所述计算资源管理子模块会将NFVI上服务节点上的硬件资源即CPU、内存、存储进行统一化抽象为计算资源并存入计算资源数据库子模块；

所述带宽资源管理子模块会将通信网络所包含的光纤、交换机、路由器进行统一化抽象为带宽资源并存入带宽资源数据库子模块。

7.一种基于权利要求1-6所述的基于多目标联合优化模型的网络切片编排方案的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：首先网络切片编排模块中的切片验证子模块对用户发来的网络切片请求中的信息格式进行验证，然后将网络切片信息转发给编排计算子模块；

步骤2：所述资源监控子模块从资源管理模块查询NFVI资源信息，将NFVI资源信息存入资源信息缓存子模块，然后编排计算模块根据网络切片信息和NFVI资源信息，基于多目标联合优化模型，使用智能算法计算出网络切片编排方案；

步骤3：切片管理子模块首先将生成的网络切片存入网络切片数据库，再根据网络切片编排方案，为网络切片中的VNF或VL向VNF/VL管理模块发起创建VNF或VL的请求；

步骤4：VNF/VL管理模块在收到VNF或VL的创建请求之后，会先将VNF和VL请求分发给VNF管理执行子模块、VL管理执行子模块，VNF管理执行子模块先将VNF的信息存入VNF数据库子模块，VL管理执行子模块将VL的信息存入VL数据库子模块，再向资源管理模块为VNF和VL发起计算资源和带宽资源分配申请；

步骤5：资源管理模块收到计算资源和带宽资源分配请求之后先在服务节点和网络链路上执行资源分配，然后再更新计算资源数据库子模块和带宽资源数据库子模块中的信息。