CN110535705A - 一种自适应用户时延要求的服务功能链构建方法 - Google Patents

Abstract

一种自适应用户时延要求的服务功能链构建方法，基于资源优化模型构建当前虚拟网络中占用资源成本最小的服务功能链；利用测试数据包对当前虚拟网络中占用资源成本最小的服务功能链进行时延检测；如果不出现时延违规，返回检测；如果出现时延违规，则通过自适应时延要求的资源调整策略进行调整，再进行时延检测，若不出现时延违规，返回检测；如果出现时延违规，则结束。本发明利用LatencyFilter平衡资源配置与时延间的关系，实现时延要求的自适应，使得虚拟网络能够对时延敏感型服务保持高接受率。同时，为不同时延要求的服务请求提供服务质量保障，同时保证对底层物理资源的高效利用以及对资源碎片化的有效避免。

Description

一种自适应用户时延要求的服务功能链构建方法

技术领域

本发明涉及一种服务功能链构建方法，具体涉及一种自适应用户时延要求的服务功能链构建方法。

背景技术

网络功能虚拟化(NFV,network function virtualization)是基础设施提供商利用运行虚拟网络功能(VNF,virtual network function)的标准商用服务器取代私有专用的网络设备的技术，以实现投资和运营成本的降低。软件定义网络(SDN,software definednetwork)利用OpenFlow技术将网络的控制平面和数据平面分离，通过软件实现集中控制，加速网络的创新周期。服务功能链(SFC,service function chains)作为网络虚拟技术中的一种常见用例，使网络运营商和基础设施提供商能够在软件定义的虚拟网络上的各个位置灵活的协调VNF。现如今，为了更好地应对多样化的应用场景和差异化的服务质量要求，SDN/NFV协同的未来网络架构作为第5代移动通信(5G,5th generation mobile networks)网络技术领域中的基础架构已取得广泛共识。

随着2020年5G商用服务的到来，一大批新兴应用对服务功能链的时延保障问题提出了新的要求。以4k技术为例，其要求的网络时延需在12-17ms之间；VR技术所要求端到端时延需小于7ms；而对于超高可靠超低时延通信场景(uRLLC,ultra reliable&low latencycommunication)要求业务端到端时延为3-5ms；最后，以时延更为敏感的车联网场景为例，业界公认的端到端时延需小于3ms。不同服务请求对时延的要求各有不同，并且未来新兴应用将具有更低的端到端时延要求，所以可以根据网络实时状态自适应用户不同时延请求的服务功能链构建问题亟待解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自适应用户时延要求的服务功能链构建方法。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种自适应用户时延要求的服务功能链构建方法，包括以下步骤

1)基于资源优化模型构建当前虚拟网络中占用资源成本最小的服务功能链；

2)利用测试数据包对当前虚拟网络中占用资源成本最小的服务功能链进行时延检测；

3)如果不出现时延违规，返回步骤2)；

如果出现时延违规，则通过自适应时延要求的资源调整策略进行调整，再进行时延检测，若不出现时延违规，返回步骤2)；如果出现时延违规，则结束。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中基于资源优化模型构建当前虚拟网络中占用资源成本最小的服务功能链的具体过程如下：

定义物理网络的描述由图形(N,L)给出，每一个节点服务器n∈N具有一定的CPU和存储资源配置，物理链路l_nn′∈L，配置不同大小的带宽资源，用户服务请求由一系列子服务组成，满足子服务要求的虚拟网络功能v∈V，对于虚拟链路l_vv′∈l_nn′；

资源优化模型的目标函数如公式(1)所示：

其中，为二进制决策变量，表示虚拟链路l_vv′是否成功部署在物理链路l_nn′上，x_n,v为二进制决策的变量，表示虚拟网络功能v是否成功部署在物理节点n上；代表虚拟链路l_vv′所需带宽资源配置；d_x,v代表VNF所需的CPU和存储资源，C_x,n和分别代表每占用节点服务器的处理存储资源和链路的带宽资源的单位成本；C_x,n代表每占用节点服务器的CPU和存储资源产生的单位成本；代表每占用链路带宽资源的单位成本；ω₁和ω₂为权重系数；

资源优化模型中的约束如公式(2)、公式(3)、公式(4)和公式(5)所示：

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，如果出现时延违规，则通过资源调整策略进行调整的具体过程如下：

3.1)调整节点内的资源

首先基础设施提供商对低资源利用率的VNF降低调整值单位的资源配置，然后对高资源利用率的VNF增加调整值单位的资源配置；

3.2)进行时延检测，若不出现时延违规，返回步骤2)。

本发明进一步的改进在于，若出现时延违规，则通过VNF延SFC迁移部署进行调整。

本发明进一步的改进在于，通过VNF延SFC迁移部署进行调整的具体过程如下：

首先判断目的节点能否为能够处于高资源利用率的VNF提供需要的资源配置，如果目的节点能够提供资源配置，则执行迁移操作，再对当前虚拟网络中占用资源成本最小的服务功能链进行时延检测，如果不出现时延违规，进行步骤2)；如果出现时延违规，则结束。

本发明进一步的改进在于，调整值通过以下过程得到：

首先定义如下变量：

在t时刻部署在节点n的虚拟网络功能v所使用的CPU和存储资源；

在t时刻为部署在节点n的虚拟网络功能v配置的CPU和存储资源；

p(q),q∈{1,2,3}：QoS等级为q的权重值；

然后定义VNF理想的资源配置为当时，代表VNF处于高资源利用率状态；当时，代表VNF处于低资源利用率状态，所以对处于高资源利用率状态或低资源利用率状态的VNF进行调整时调整值如下式(6)所示：

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：基于服务功能链的资源配置与其时延间的关系，本发明在服务功能链的构建过程中，首先利用资源优化模型实现SFC对底层资源成本占用的最小化，然后为保障用户的时延要求通过资源调整策略平衡资源配置与时延间的关系，实现对用户时延要求的自适应。本发明利用启发式算法设计LatencyFilter平衡资源配置与时延间的关系，实现时延要求的自适应，使得虚拟网络能够对时延敏感型服务保持高接受率。该服务功能链构建方法的目标是为不同时延要求的服务请求提供服务质量保障，同时保证对底层物理资源的高效利用以及对资源碎片化的有效避免。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

参见图1，本发明的一种自适应用户时延要求的服务功能链构建方法，具体过程如下：

1)首先通过识别用户的QoS要求，获得链路端到端时延要求，然后基于资源优化模型构建SFC以完成初始化配置，即基于资源优化模型构建当前虚拟网络中占用资源成本最小的服务功能链(SFC)；

2)考虑到资源配置与时延间的关系，利用测试数据包对该SFC进行时延检测；

3)如果不出现时延违规，返回步骤2)；如出现时延违规，则通过自适应时延要求的资源调整策略进行调整，即通过资源调整策略实现用户时延要求的自适应，调整后再进行时延检测，若不出现时延违规，返回步骤2)；如果出现时延违规，则拒绝用户请求，结束。

步骤3)中，通过自适应时延要求的资源调整策略进行调整具体包括两种调整方式实现端到端时延的降低，一是节点内的资源调整通过改善链路中VNF的CPU和存储资源配置降低所需处理时延；二是通过将VNF延当前SFC进行迁移部署降低传输时延。

本发明的方法涉及的是强调时延质量要求的应用场景所对应的服务功能链的构建，其本质上是一种基于时延要求的资源平衡策略。所述资源成本即对包括CPU、存储和带宽在内的资源配置进行量化的结果。

其中，基于资源优化模型构建SFC的具体过程如下：

定义物理网络的描述由图形(N,L)给出，每一个节点服务器n∈N具有一定的CPU和存储资源配置，物理链路l_nn′∈L，配置不同大小的带宽资源，用户服务请求由一系列子服务组成，而满足子服务要求的虚拟网络功能v∈V，对于虚拟链路l_vv′∈l_nn′。

基于资源优化模型的SFC构建其益处在于保证了SFC对底层资源的高效利用。

该资源优化模型的目标函数如公式(1)所示，表示最小化服务功能链占用的物理资源成本，包括CPU资源、存储资源以及链路带宽资源。

其中公式(1)中参数含义为：为二进制决策变量，表示虚拟链路l_vv′是否成功部署在物理链路l_nn′上，x_n,v为二进制决策的变量，表示虚拟网络功能v是否成功部署在物理节点n上；代表虚拟链路l_vv′所需带宽资源配置；d_x,v代表VNF所需的CPU和存储资源，C_x,n和分别代表每占用节点服务器的处理存储资源和链路的带宽资源的单位成本；C_x,n代表每占用节点服务器的CPU和存储资源产生的单位成本；代表每占用链路带宽资源的单位成本；ω₁和ω₂为权重系数；

同时资源优化模型中的约束如下所述。公式(2)和(3)要求所有部署在节点n上的VNF处理和存储资源配置之和需小于该物理节点所固有的资源。

同样的，公式(4)要求当虚拟链路成功映射到对应的底层物理链路上时，其所需带宽资源不应超过物理链路所拥有的带宽资源配置。

公式(5)为实例化约束确保每个物理节点有且仅有一个该类型的VNF被成功部署。

步骤3)中，通过自适应时延要求的资源调整策略进行调整的具体过程如下：

3.1)调整节点内的资源

检测SFC端到端时延，如果检测当前SFC端到端时延违规，可以通过节点内的资源调整降低处理时延以实现端到端时延的降低。在实际的网络环境中，一个节点服务器中会被部署多个VNF，每个VNF占用一定大小的CPU资源和存储资源。同一节点内不同VNF对分配资源的利用率有高有低，高资源利用率的VNF存在因资源过载增加额外处理时延的情况，低资源利用率的VNF其资源配置远大于实际使用的情况。为降低处理时延，对链路中VNF所在的物理服务器执行节点内的资源调整：首先基础设施提供商对低资源利用率的VNF降低调整值单位的资源配置，然后对高资源利用率的VNF增加调整值单位的资源配置，其中增加或降低的资源配置需遵循一定的原则，首先定义如下变量：

在t时刻部署在节点n的虚拟网络功能v所使用的CPU和存储资源；

在t时刻为部署在节点n的虚拟网络功能v配置的CPU和存储资源；

p(q),q∈{1,2,3}：QoS等级为q的权重值，q越大p(q)数值越大。

然后定义VNF理想的资源配置为所以节点内的资源调整公式如下所示。

公式(6)即为上述调整值的计算公式，调整值的正负表示方向，即时表示节点n处的虚拟网络功能v需增加单位的资源配置，相反表示该VNF可降低单位的资源配置。

3.2)进行时延检测，若不出现时延违规，返回步骤2)；如果出现时延违规，则判断目的节点能否提供调整值为正值的VNF需要的资源配置；

3.3)VNF延SFC迁移部署

如果目的节点能够提供调整值为正值的VNF需要的资源配置，则执行迁移操作，再对当前虚拟网络中占用资源成本最小的服务功能链进行时延检测，如果不出现时延违规，进行步骤2)；如果出现时延违规，则结束。

如果目的节点不能提供调整值为正值的VNF需要的资源配置，则不执行迁移操作。

通过节点内的资源调整降低一部分的端到端时延，但是仍存在时延违规的情况，此时为自适应用户的时延要求，执行VNF延SFC的迁移部署，通过将VNF从原始节点卸载重部署到目的节点实现传输时延的降低。迁移原理是通过合并链路中VNF到同一物理节点减少数据包在VN中的传输过程，以避免因局部网络拥塞增加的传输时延。

迁移中遵循的原则是如果目的节点无法提供所选VNF需要的资源配置则不执行迁移操作。即如果目的节点无法提供所选VNF需要的资源配置则不执行迁移操作；如果目的节点能够提供所选VNF需要的资源配置，则进行以下迁移的目的节点选择过程，因为默认服务功能链是链式有序的，所以延SFC选择该VNF上一跳所部署的节点服务器和下一跳对应的节点服务器。

在VNF延SFC迁移部署后对该SFC进行时延违规判断，如果SFC不再出现时延违规，表明经过资源调整实现了该用户时延要求的自适应，但是为了更好适应实时变化的网络环境，跳转至SFC端到端时延检测处继续执行；如果SFC仍处于时延违规状态表明当前网络环境无法为该用户请求提供服务故拒绝该用户请求。

在以往的相关研究中，提出一种优化目标为最小化所有服务请求的最大完成时间的服务功能链构建方法，用于解决低时延用户请求的服务交付任务，该方法在实际的网络环境中会使得资源配置向高等级用户集中，进而出现资源配置的不平衡，降低服务功能链对底层资源的利用率。所以在实际的服务功能链构建过程中，网络服务提供商应在保障用户端到端时延要求的前提下，尽可能的降低该用户所占用的物理资源以保证资源的合理利用，而不是为单个服务追求尽可能低的时延造成对底层资源过度的占用。每一条服务功能链与用户服务请求一一对应，而服务功能链的端到端时延包括VNF处理时延和传输时延，VNF处理时延取决于所部署节点的资源配置，包括该服务器的CPU资源和存储资源，而传输时延主要取决于网络拥塞程度，于是可以通过优化计算和存储资源的配置降低VNF处理时延，通过平衡链路带宽资源利用率避免交换机的拥塞排队以降低传输时延。

基于上述服务功能链的资源配置与其时延间的关系，本发明在服务功能链的构建过程中，首先利用资源优化模型实现SFC对底层资源成本占用的最小化，然后为保障用户的时延要求通过资源调整策略平衡资源配置与时延间的关系，实现对用户时延要求的自适应。

为了满足新兴网络技术在时延要求方面日益增长的需求，本发明在SDN/NFV协同的未来网络架构下针对服务功能链的构建过程进行了研究，提出了一种自适应不同用户时延要求的服务功能链构建策略。服务功能链的构建基于资源优化模型，利用一种启发式算法设计LatencyFilter平衡资源配置与时延间的关系，实现时延要求的自适应，使得虚拟网络能够对时延敏感型服务保持高接受率。该服务功能链构建方法的目标是为不同时延要求的服务请求提供服务质量保障，同时保证对底层物理资源的高效利用以及对资源碎片化的有效避免。

Claims (6)

1.一种自适应用户时延要求的服务功能链构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)基于资源优化模型构建当前虚拟网络中占用资源成本最小的服务功能链；

2)利用测试数据包对当前虚拟网络中占用资源成本最小的服务功能链进行时延检测；

3)如果不出现时延违规，返回步骤2)；

如果出现时延违规，则通过自适应时延要求的资源调整策略进行调整，再进行时延检测，若不出现时延违规，返回步骤2)；如果出现时延违规，则结束。

2.根据权利要求1所述的一种自适应用户时延要求的服务功能链构建方法，其特征在于，步骤1)中基于资源优化模型构建当前虚拟网络中占用资源成本最小的服务功能链的具体过程如下：

定义物理网络的描述由图形(N,L)给出，每一个节点服务器n∈N具有一定的CPU和存储资源配置，物理链路l_nn′∈L，配置不同大小的带宽资源，用户服务请求由一系列子服务组成，满足子服务要求的虚拟网络功能v∈V，对于虚拟链路l_vv′∈l_nn′；

资源优化模型的目标函数如公式(1)所示：

其中，为二进制决策变量，表示虚拟链路l_vv′是否成功部署在物理链路l_nn′上，x_n,v为二进制决策的变量，表示虚拟网络功能v是否成功部署在物理节点n上；代表虚拟链路l_vv′所需带宽资源配置；d_x,v代表VNF所需的CPU和存储资源，C_x,n和分别代表每占用节点服务器的处理存储资源和链路的带宽资源的单位成本；C_x,n代表每占用节点服务器的CPU和存储资源产生的单位成本；代表每占用链路带宽资源的单位成本；ω₁和ω₂为权重系数；

资源优化模型中的约束如公式(2)、公式(3)、公式(4)和公式(5)所示：

3.根据权利要求1所述的一种自适应用户时延要求的服务功能链构建方法，其特征在于，步骤3)中，如果出现时延违规，则通过资源调整策略进行调整的具体过程如下：

3.1)调整节点内的资源

首先基础设施提供商对低资源利用率的VNF降低调整值单位的资源配置，然后对高资源利用率的VNF增加调整值单位的资源配置；

3.2)进行时延检测，若不出现时延违规，返回步骤2)。

4.根据权利要求3所述的一种自适应用户时延要求的服务功能链构建方法，其特征在于，若出现时延违规，则通过VNF延SFC迁移部署进行调整。

5.根据权利要求4所述的一种自适应用户时延要求的服务功能链构建方法，其特征在于，通过VNF延SFC迁移部署进行调整的具体过程如下：

首先判断目的节点能否为能够处于高资源利用率的VNF提供需要的资源配置，如果目的节点能够提供资源配置，则执行迁移操作，再对当前虚拟网络中占用资源成本最小的服务功能链进行时延检测，如果不出现时延违规，进行步骤2)；如果出现时延违规，则结束。

6.根据权利要求3所述的一种自适应用户时延要求的服务功能链构建方法，其特征在于，调整值通过以下过程得到：

首先定义如下变量：

在t时刻部署在节点n的虚拟网络功能v所使用的CPU和存储资源；

在t时刻为部署在节点n的虚拟网络功能v配置的CPU和存储资源；

p(q),q∈{1,2,3}：QoS等级为q的权重值；

然后定义VNF理想的资源配置为当时，代表VNF处于高资源利用率状态；当时，代表VNF处于低资源利用率状态，所以对处于高资源利用率状态或低资源利用率状态的VNF进行调整时调整值如下式(6)所示：