CN113411207A - 智慧网络服务功能链的服务功能流转编排基础平台及方法 - Google Patents

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CN113411207A CN202110591500.7A CN202110591500A CN113411207A CN 113411207 A CN113411207 A CN 113411207A CN 202110591500 A CN202110591500 A CN 202110591500A CN 113411207 A CN113411207 A CN 113411207A
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Abstract

本发明提供一种智慧网络服务功能链的服务功能流转编排基础平台及方法。该平台包括：入口服务分类器，用于对数据包进行分析，得到各个数据包所从属的网络服务功能并为每个数据包打上对应的网络服务功能标签；入口调度模块，用于根据各个数据包携带的网络服务功能标签制定各个数据包的调度方案；交换单元，用于根据调度方案将各个数据包在不同的网络服务功能模块之间进行流转；出口调度模块，用于对完成处理、流转的数据包进行编排后输出到出口服务分类器；出口服务分类器，用于根据数据包携带的网络服务功能标签将编排后的数据包传输至上层互联网用户；控制单元，用于对服务流转编排基础平台结构中的其他功能模块进行控制。

Description

智慧网络服务功能链的服务功能流转编排基础平台及方法
技术领域
本发明涉及计算机网络技术领域，尤其涉及一种智慧网络服务功能链的服务功能流转编排基础平台及方法。
背景技术
随着互联网的快速扩张与发展，当前网络架构与服务配置在一定程度上出现了“僵化”现象，难以适应未来网络服务的快速开发与部署。网络功能虚拟化(NetworkFunctions Virtualization，NFV)技术被认为是解决当前网络所面临的挑战的重要新兴技术。NFV致力于将网络功能与物理专有硬件分离，使网络功能虚拟化为软件的形式运行在单一、通用的物理平台上，从而减少甚至完全替代现有网络中部署的专有硬件设备。因此，为了在NFV网络中实现服务的敏捷开发与灵活部署，如何保证服务功能链(Service FunctionChains，SFC)高效合理的编排与动态优化是NFV研究中的关键问题。SFC编排指的是依据具体的业务需求与必要的约束条件，将虚拟网络功能(Virtual Network Functions，VNF)在网络中进行动态放置、按序链接与资源分配，从而为用户提供所需的网络服务。在特定的网络拓扑中，合理的SFC编排方案能够有效提高网络的资源利用率与降低服务的端到端时延，从而保障网络的服务质量。同时，物理网络的结构与环境常常由于扩容、故障和流量突发等原因而发生无法预测的变化。
为了提高SFC编排方案对网络变化的适应性，需要对已有的SFC编排结果进行动态地优化与调整，从而避免在SFC编排中出现类似的“僵化”现象，导致网络资源的浪费与端到端时延的增大，最终影响网络的服务质量。因此，为了充分发挥NFV网络的优势，需要设计出合理有效、基于服务质量的服务功能链编排和动态优化方法。
发明内容
针对现有NFV网络中的SFC流转和编排存在的僵化现象的问题，本发明提供一种智慧网络服务功能链的服务功能流转编排基础平台及方法，对网络服务功能流转编排模型和数据包处理模型及其所包含的各模块均实施并行化改造，可有效提高网络功能服务平台的综合功能，提升网络功能服务平台的数据处理能力。
一方面，本发明提供一种智慧网络服务功能链的服务功能流转编排基础平台，包括：入口服务分类器、入口调度模块、多个虚拟功能单元、交换单元、出口调度模块、出口服务分类器和控制单元；每个所述虚拟功能单元均包括多个网络服务功能模块；
入口服务分类器，用于对通过网络接口接入的由有线网络或无线网络传输的数据包进行分析，得到各个数据包所从属的网络服务功能并为每个数据包打上对应的网络服务功能标签；
入口调度模块，用于根据各个数据包携带的网络服务功能标签制定各个数据包的调度方案，以对所有数据包进行并行调度；
交换单元，用于根据调度方案将各个数据包在不同的网络服务功能模块之间进行流转，以供虚拟功能单元中的对应网络服务功能模块依次对数据包进行处理；
出口调度模块，用于对完成处理、流转的数据包进行编排后输出到出口服务分类器；
出口服务分类器，用于根据数据包携带的网络服务功能标签将编排后的数据包传输至上层互联网用户；
控制单元，用于对服务流转编排基础平台结构中的其他功能模块进行控制。
进一步地，所述入口调度模块，还用于对数据包进行分解，将数据包首部与数据字段进行分离；根据各个数据包携带的网络服务功能标签制定各个数据包首部的调度方案；以及将对应的数据字段进行存储；所述调度方案用于指示每个数据包首部所对应的虚拟功能单元，以及用于指示一个数据包首部在对应的虚拟功能单元中的各网络服务功能模块之间进行处理、流转的顺序；
对应地，交换单元，还用于根据调度方案将各个数据包首部在不同的网络服务功能模块之间进行流转，以供虚拟功能单元中的对应网络服务功能模块对各个数据包首部进行处理；
出口调度模块，还用于将完成处理、流转的数据包首部与对应的数据字段进行编排后输出到出口服务分类器。
进一步地，所述根据各个数据包携带的网络服务功能标签制定各个数据包的调度方案，具体包括：
设定SFC的端到端时延目标函数及其约束条件，其中：
目标函数为：
Figure BDA0003089453440000031
约束条件包括：
Figure BDA0003089453440000032
Figure BDA0003089453440000033
Figure BDA0003089453440000034
Figure BDA0003089453440000035
Figure BDA0003089453440000036
Figure BDA0003089453440000037
Figure BDA0003089453440000038
Figure BDA0003089453440000039
Figure BDA00030894534400000310
Figure BDA00030894534400000311
Figure BDA00030894534400000312
其中，
Figure BDA00030894534400000313
N表示网络中的物理节点集合，ni、nj分别表示N中编号为i、j的物理节点，F表示组成SFC的有序VNF集合，fk、fl分别表示F中编号为k、l的VNF，
Figure BDA00030894534400000314
表示SFC请求队列中fk在物理节点ni上的处理时延，L表示有权物理链路的集合，li,j表示物理节点ni与nj之间的物理链路，li,j∈L，
Figure BDA00030894534400000315
表示数据流量在物理链路li,j上的传播时延，E表示VNF之间有权有向的虚拟链路集合，ek,l表示fk与fl之间的虚拟链路，ek,l∈E，Dmax表示SFC的端到端的最大时延，T表示VNF实例类型集合，t表示T中的一个VNF实例类型的标识，Ct l表示类型t的VNF实例占用的节点资源；
Figure BDA0003089453440000041
表示ft是否部署到ni上，
Figure BDA0003089453440000042
表示物理节点ni上的计算资源总量；
Figure BDA0003089453440000043
表示VNF请求的物理节点ni的资源，Q表示SFC请求队列，qm表示Q中第m个SFC请求，
Figure BDA0003089453440000044
表示虚拟链路ek,l占用的物理带宽资源，
Figure BDA0003089453440000045
表示物理链路li,j具备的带宽资源，Np表示只作为网络服务的用户出口节点而不承担放置VNF作用的物理节点的集合，Fp表示SFC请求的起始端点和目的端点的集合。
进一步地，所述根据各个数据包携带的网络服务功能标签制定各个数据包的调度方案，具体还包括：
采用边相关的单点变异法进行SFC编排优化，具体为：
从亲代染色体中随机选择一个基因位点k，考察k左右两边的基因位点k+1和位点k-1；
求得基因位点k+1和k-1之间的最短路径，从所述最短路径中选择出一个与所述亲代染色体中已有基因不冲突的节点进行替换，得到子代染色体。
进一步地，如果基因位点k+1和k-1之间存在的是直接相连的物理链路，基因位点k则随机变化为不与染色体中基因冲突的元素。
另一方面，本发明提供一种智慧网络服务功能链的服务功能流转编排方法，包括：
通过网络接口接入由有线网络或无线网络传输的数据包；
入口服务分类器对数据包进行分析，得到各个数据包所从属的网络服务功能并为每个数据包打上对应的网络服务功能标签；
入口调度模块根据各个数据包携带的网络服务功能标签制定各个数据包的调度方案，以对所有数据包进行并行调度；
交换单元根据调度方案将各个数据包在不同的网络服务功能模块之间进行流转，以供虚拟功能单元中的对应网络服务功能模块依次对数据包进行处理；
出口调度模块将完成处理、流转的数据包进行编排后输出到出口服务分类器；
出口服务分类器根据数据包携带的网络服务功能标签将编排后的数据包传输至上层互联网用户。
进一步地，该方法还包括：
入口调度模块对数据包进行分解，将数据包首部与数据字段进行分离；然后根据各个数据包携带的网络服务功能标签制定各个数据包首部的调度方案，并将对应的数据字段进行存储；其中，所述调度方案用于指示每个数据包首部所对应的虚拟功能单元，以及用于指示一个数据包首部在对应的虚拟功能单元中的各网络服务功能模块之间进行处理、流转的顺序；
交换单元根据调度方案将各个数据包首部在不同的网络服务功能模块之间进行流转；
出口调度模块将完成处理、流转的数据包首部与对应的数据字段进行编排后输出到出口服务分类器。
进一步地，所述根据各个数据包携带的网络服务功能标签制定各个数据包的调度方案，具体包括：
设定SFC的端到端时延目标函数及其约束条件，其中：
目标函数为：
Figure BDA0003089453440000051
约束条件包括：
Figure BDA0003089453440000052
Figure BDA0003089453440000053
Figure BDA0003089453440000061
Figure BDA0003089453440000062
Figure BDA0003089453440000063
Figure BDA0003089453440000064
Figure BDA0003089453440000065
Figure BDA0003089453440000066
Figure BDA0003089453440000067
Figure BDA0003089453440000068
Figure BDA0003089453440000069
其中，
Figure BDA00030894534400000610
N表示网络中的物理节点集合，ni、nj分别表示N中编号为i、j的物理节点，F表示组成SFC的有序VNF集合，fk、fl分别表示F中编号为k、l的VNF，
Figure BDA00030894534400000611
表示SFC请求队列中fk在物理节点ni上的处理时延，L表示有权物理链路的集合，li,j表示物理节点ni与nj之间的物理链路，li,j∈L，
Figure BDA00030894534400000612
表示数据流量在物理链路li,j上的传播时延，E表示VNF之间有权有向的虚拟链路集合，ek,l表示fk与fl之间的虚拟链路，ek,l∈E，Dmax表示SFC的端到端的最大时延，T表示VNF实例类型集合，t表示T中的一个VNF实例类型的标识，Ct l表示类型t的VNF实例占用的节点资源；
Figure BDA00030894534400000613
表示ft是否部署到ni上，
Figure BDA00030894534400000614
表示物理节点ni上的计算资源总量；
Figure BDA00030894534400000615
表示VNF请求的物理节点ni的资源，Q表示SFC请求队列，qm表示Q中第m个SFC请求，
Figure BDA00030894534400000616
表示虚拟链路ek,l占用的物理带宽资源，
Figure BDA00030894534400000617
表示物理链路li,j具备的带宽资源，Np表示只作为网络服务的用户出口节点而不承担放置VNF作用的物理节点的集合，Fp表示SFC请求的起始端点和目的端点的集合。
进一步地，所述根据各个数据包携带的网络服务功能标签制定各个数据包首部的调度方案，具体还包括：
采用边相关的单点变异法进行SFC编排优化，具体为：
从亲代染色体中随机选择一个基因位点k，考察k左右两边的基因位点k+1和位点k-1；
求得基因位点k+1和k-1之间的最短路径，从所述最短路径中选择出一个与所述亲代染色体中已有基因不冲突的节点进行替换，得到子代染色体。
进一步地，如果基因位点k+1和k-1之间存在的是直接相连的物理链路，基因位点k则随机变化为不与染色体中基因冲突的元素。
本发明的有益效果：
1、本发明提供的智慧网络服务功能链的服务功能流转编排基础平台及方法，基于并行处理和网络功能卸载思想，对服务功能流转实施并行化改造，具体而言，本发明同时从宏观和微观两个层面对网络功能基础平台实施并行化设计，主要包括：(1)在宏观方面，设计了服务于并行处理的网络功能流转架构，构造以控制单元、交换单元、虚拟功能单元为支撑的服务功能流转与编排基础网络设备平台，服务功能流转从整体架构上支持共同对输入数据包进行计算、存储、传输处理，使得网络功能对并行处理后的数据包能够进行整合，进而在宏观上实现网络功能流转的并行处理及网络功能编排；同时将任务从计算节点卸载到网络功能平台上，提高了带宽利用率，网络功能平台对并行处理后的数据包能够进行高效整合，网络整体性能大幅度攀升；(2)在微观层面，对于数据包处理模型中各个模块进行并行化设计，构建了以数据包首部字段流转为核心的数据包处理模式，并搭建相应的数据包首部字段处理单元与整合单元。通过对服务功能流转编排基础平台架构同时进行模型(宏观)和模块(微观)并行化设计，有效地增强了平台对复杂网络功能的流转性能，提升了复杂服务功能的编排效率。
2、本发明还提出了基于时延感知的SFC编排方法。通过使用改进后的遗传算法在物理网络上对SFC服务进行编排，在最小化端到端时延的同时兼顾网络的资源开销，以保障网络的服务质量。该SFC编排方法以降低用户的时延感知为目标，首先针对编排情景对遗传算法进行适当的改进，然后把遗传算法求得的最优解转换为SFC的编排方案。最后利用最短路径算法对VNF节点进行有序链接，实现流量的引导与资源分配。提出并实现了合理有效的基于服务质量的服务功能链编排与动态优化方法。该方法以保障服务质量为目标，在满足服务对端到端时延要求的同时尽可能提高网络资源利用率与降低资源开销。这对于NFV网络的管理与SFC问题的研究具有重要意义。
附图说明
图1为本发明实施例提供的智慧网络服务功能链的服务功能流转编排基础平台的结构图；
图2为本发明实施例提供的智慧网络服务功能链数据包首部流转细节结构图；
图3为本发明实施例提供的非线型结构的SFC请求与线型结构的染色体间的映射关系示意图；
图4为本发明实施例提供的边相关的单点变异法的示意图；
图5为本发明实施例提供的智慧网络服务功能链的服务功能流转编排方法的流程图之一；
图6为本发明实施例提供的智慧网络服务功能链的服务功能流转编排方法的流程图之二。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供一种智慧网络服务功能链的服务功能流转编排基础平台结构，包括：入口服务分类器、入口调度模块、多个虚拟功能单元、交换单元、出口调度模块、出口服务分类器和控制单元；每个所述虚拟功能单元均包括多个网络服务功能模块(如防火墙、NAT、反病毒、信息统计等模块)；
入口服务分类器，用于对通过网络接口接入的由有线网络或无线网络传输的数据包进行分析，得到各个数据包所从属的网络服务功能并为每个数据包打上对应的网络服务功能标签；
入口调度模块，用于根据各个数据包携带的网络服务功能标签制定各个数据包的调度方案，以对所有数据包进行并行调度；
交换单元，用于根据调度方案将各个数据包在不同的网络服务功能模块之间进行流转，以供虚拟功能单元中的对应网络服务功能模块依次对数据包进行处理；
出口调度模块，用于对完成处理、流转的数据包进行编排后输出到出口服务分类器；
出口服务分类器，用于根据数据包携带的网络服务功能标签将编排后的数据包传输至上层互联网用户；
控制单元，用于对服务流转编排基础平台结构中的其他功能模块进行控制。
本发明实施例提供的智慧网络服务功能链的服务功能流转编排基础平台结构，数据包从有线网络和无线网络进入入口服务分类器后，由其为每个数据包打上网络服务功能标签，再由入口调度模块分析各个数据包所对应的网络服务功能，据此作出并行调度。接着，交换单元根据调度方案的编排，使数据包在虚拟功能单元中的不同网络服务功能模块之间流转，如此，极大地提升了服务功能链的效率。数据包在被处理、流转完成之后，由出口调度模块进行编排输出到出口服务分类器完成对上层服务的支持，整个流程所用到的功能模块均受控制单元控制。这样，一个完整、复杂的网络功能就由几个服务功能模块组成了，通过有效地编排和并行化处理，使得智慧网络服务功能链能够提供强有力的服务功能表达能力和处理能力。
在上述实施例的基础上，本发明实施例还提供一种智慧网络服务功能链的服务功能流转编排基础平台结构，本实施例中：
所述入口调度模块，还用于对数据包进行分解，将数据包首部与数据字段进行分离；根据各个数据包携带的网络服务功能标签制定各个数据包首部的调度方案；以及将对应的数据字段进行存储；所述调度方案用于指示每个数据包首部所对应的虚拟功能单元，以及用于指示一个数据包首部在对应的虚拟功能单元中的各网络服务功能模块之间进行处理、流转的顺序；
对应地，交换单元，还用于根据调度方案将各个数据包首部在不同的网络服务功能模块之间进行流转，以供虚拟功能单元中的对应网络服务功能模块对各个数据包首部进行处理；
出口调度模块，还用于将完成处理、流转的数据包首部与对应的数据字段进行编排后输出到出口服务分类器。
具体地，服务功能流转编排基础平台的核心任务是对输入的数据包首部进行处理，处理动作包括转发、丢弃、修改等，基本的数据包处理模型如图2所示，包含调度模块、分解和合并、交换单元、虚拟功能单元等。数据包进入调度模块后，根据其服务功能，对于不需要数据字段参与的功能，先对数据包进行分解，将数据包首部与数据字段分离，首部提取出来进行流转；数据字段存储起来等待首部处理后再合并。首部根据应用层的需求和调度模块的编排指示，借助交换单元，在虚拟功能单元中的网络服务功能模块之间流转，经过一系列网络服务功能模块处理后，首部与存储单元中的数据字段再进行匹配与合并，重组数据包进入出口调度模块，下一步提交给上层应用。
传统方法中，各节点数据包传输时，需要传输完整的“首部+数据”，然而事实上大部分的报文处理并不需要对数据部分进行修改，因此传统数据包在各节点传输过程中，有大量的带宽浪费在数据部分的复制和流转中，这显然亟需改进。本发明实施例提供的智慧网络服务功能链的服务功能流转编排基础平台结构，根据服务功能需求，当无需数据字段参与时，通过使用入口调度模块对数据包进行分解，将数据包首部与数据字段进行分离，如此仅需在平台内部传递相应数据包首部，待数据包首部在各网络服务功能模块处理完毕后，再由出口调度模块将相应的数据包首部与数据字段合并，如此极大地节省了网络带宽资源，大大降低了传输时延。
从上述各实施例可以看出，本发明提供的智慧网络服务功能链的服务功能流转编排基础平台结构，基于并行处理和网络功能卸载思想，对服务功能流转实施并行化改造，具体而言，该结构同时从宏观和微观两个层面对网络功能基础平台实施并行化设计，主要包括：(1)在宏观方面，设计了服务于并行处理的网络功能流转架构，构造以控制单元、交换单元、虚拟功能单元为支撑的服务功能流转与编排基础网络设备平台，服务功能流转从整体架构上支持共同对输入数据包进行计算、存储、传输处理，使得网络功能对并行处理后的数据包能够进行整合，进而在宏观上实现网络功能流转的并行处理及网络功能编排；同时将任务从计算节点卸载到网络功能平台上，提高了带宽利用率，网络功能平台对并行处理后的数据包能够进行高效整合，网络整体性能大幅度攀升；(2)在微观层面，如图2所示，对于数据包处理模型中各个模块进行并行化设计，构建了以数据包首部字段流转为核心的数据包处理模式，并搭建相应的数据包首部字段处理单元与整合单元。通过对服务功能流转编排基础平台架构同时进行模型(宏观)和模块(微观)并行化设计，有效地增强了平台对复杂网络功能的流转性能，提升了复杂服务功能的编排效率。
在NFV网络中，由于具体网络功能与物理专有硬件的解耦，只有在底层网络节点上部署并实例化VNF才能发挥出该网络功能的作用。然后实现VNF的虚拟链路与底层网络的物理链路之间的映射，将这些VNF按序链接，才能形成完整的流量传输链路；最终实现SFC的编排，为用户提供稳定可用的端到端服务。这就要求设计者制定出高效合理的SFC编排方法，确保以SFC形式实现的网络功能稳定可靠地运行。
通常，SFC编排问题可视为一个放置与链接的问题。放置问题指SFC中的VNF在底层物理网络上选择合适的节点进行功能的实例化与部署。链接问题指将放置好的VNF按照流量转发图有序链接，在虚拟链路与物理链路之间建立起映射，引导数据流量在用户终端之间正确传输。这两部分内容可以分步解决，或协同进行。因此，为了保证SFC的服务质量，本发明提出了基于时延感知的SFC编排方法，在底层物理网络上实现SFC的高效合理编排。以下对编排问题进行建模抽象。
SFC编排可以看作是将SFC请求部署到底层物理网络的结构子图上的过程。在底层物理资源需求、放置与映射等约束条件限制下，编排过程包括两个相互关联的阶段：1)VNF放置：将SFC请求中的VNF灵活合理地放置到合适的物理节点上；2)虚拟链路映射：为有序的VNF建立虚拟链路与物理链路之间的映射关系，形成特定的路由，实现数据通路。
基于时延感知的SFC编排，其最主要的方法评价进行指标转化，即最小化SFC的端到端时延。其中，端到端时延主要包括VNF在物理节点上的处理时延和数据流量在物理链路上的传播时延，设定SFC的端到端时延目标函数及其约束条件，具体如下：
目标函数为：
Figure BDA0003089453440000121
具体地，
Figure BDA0003089453440000122
表示SFC请求队列中fk在物理节点ni上的处理时延，
Figure BDA0003089453440000123
表示数据流量在物理链路li,j上的传播时延；D为端到端的时延标识，当D的上标为p时，可以理解为：处理时延来自于节点；当D的上标为L时，可以理解为：处理时延来自于链路。
二进制变量
Figure BDA0003089453440000124
与
Figure BDA0003089453440000125
的含义如下：
Figure BDA0003089453440000126
为保障服务质量QoS，运营商在处理用户的网络服务请求时，必须控制端到端的最大时延Dmax在可容忍的范围内，Dmax依据SFC类型的不同而不同，设定SFC编排时的约束条件包括：
Figure BDA0003089453440000127
Figure BDA0003089453440000128
Figure BDA0003089453440000131
Figure BDA0003089453440000132
Figure BDA0003089453440000133
Figure BDA0003089453440000134
Figure BDA0003089453440000135
Figure BDA0003089453440000136
Figure BDA0003089453440000137
Figure BDA0003089453440000138
Figure BDA0003089453440000139
具体地，在SFC编排过程中要满足对物力资源当前和预期的消耗与需求关系，以及其他一些部署限制。其中，
Figure BDA00030894534400001310
表示部署到物理节点ni上的总的VNF实例消耗的计算资源之和不能超过该节点的计算资源总量。
Figure BDA00030894534400001311
表示类型为t的VNF部署到ni上的VNF实例时，消耗的计算资源不能超过VNF实例所用的计算资源总量。
Figure BDA00030894534400001312
表示部署到ni上的所有VNF消耗的资源总和不能超过该节点的计算资源总量。
Figure BDA00030894534400001313
表示映射到物理链路li,j上的虚拟链路占用的带宽资源总和不能超过该物理链路的带宽资源的总量。
Figure BDA00030894534400001314
表示SFC中一个VNF只能部署到一个物理节点上。
Figure BDA00030894534400001315
表示同一个SFC的多个VNF不能同时部署在同一个物理节点上。
Figure BDA00030894534400001316
表示一条虚拟链路可以映射到一条或多条的物理链路上。
Figure BDA0003089453440000141
表示虚拟链路映射到物理链路上时，保证所映射的若干条物理链路时连续的通路且满足流量守恒定理。
Figure BDA0003089453440000142
限定了服务功能链的起始与目的端点，ni与nk是确定的节点。
Figure BDA0003089453440000143
确保在某个物理节点上处理VNF时，存在该类型的VNF实例。
其中，N表示网络中的物理节点集合，ni、nj分别表示N中编号为i、j的物理节点，F表示组成SFC的有序VNF集合，fk、fl分别表示F中编号为k、l的VNF，L表示有权物理链路的集合，li,j表示物理节点ni与nj之间的物理链路(需要说明的是，li,j等同于lj,i)，li,j∈L，E表示VNF之间有权有向的虚拟链路集合，ek,l表示fk与fl之间的虚拟链路，ek,l∈E，Dmax表示SFC的端到端的最大时延，SFC中的VNF放置到物理节点上时，实际是放置到节点上的VNF实例中。VNF实例是SFC在物理节点上申请的、只能处理特定类型VNF的资源块，且相互独立、逻辑隔离。T表示VNF实例类型集合，t表示T中的一个VNF实例类型的标识，Ct l表示类型t的VNF实例占用的节点资源；
Figure BDA0003089453440000144
表示ft是否部署到ni上，
Figure BDA0003089453440000145
表示物理节点ni上的计算资源总量；为实现相应的网络功能，每个VNF放置到网络节点上都要消耗一定的物理资源来处理数据流量，
Figure BDA0003089453440000146
表示VNF请求的物理节点ni的资源，Q表示SFC请求队列，qm表示Q中第m个SFC请求，(每个SFC请求都可以视为一个有权有向的网络拓扑图，记为S＝(F,E))，
Figure BDA0003089453440000147
表示虚拟链路ek,l占用的物理带宽资源，
Figure BDA0003089453440000148
表示物理链路li,j具备的带宽资源(即链路资源，负责数据流量的传输功能)，Np表示只作为网络服务的用户出口节点而不承担放置VNF作用的物理节点的集合(由于拓扑图存在作为用户终端的物理节点P1、P2等，这些节点并不承担放置VNF的作用，只作为网络服务的用户出口节点，本发明以集合Np区分)，Fp表示SFC请求的起始端点和目的端点的集合(为了体现SFC服务端到端的特点，每个SFC都至少具有两个用户节点以表示请求的起始、目的端点，本发明记为集合Fp)。D则表示SFC服务的端到端时延。
本发明实施例提供的SFC编排方法是将SFC编排问题转化为遗传算法中的最优染色体求解问题。为了方便理解本发明，下面先简要介绍染色体结构设计。
遗传算法的初始种群集合记为BegSet，一个SFC编排方案就是种群中的一个染色体，用数组CHi[n]表示，i∈BegSet。本方案采用基于路径的整数编码方式表示染色体，CHi[n]中的每个元素都是有意义的整数，记录了物理网络中节点的编号。CHi[n]的索引值与SFC节点对应。因此，一个染色体可以表示VNF序列与物理节点之间的部署关系，即SFC编排的VNF的放置步骤。CHi[k]表示SFC中编号为k的VNF放置到物理节点CHi[k]，CHi[k]∈N，fk∈F。图3以环形结构的SFC请求为例，描述了非线型结构的SFC请求与线型结构的染色体间的映射关系，阐明VNF放置的物理节点与染色体中基因位点的对应关系。
如图3所示，染色体被划分为4个部分，记为CH1到CH4。染色体CHi[n]的基因序列长度记为n，n＝card(F(qs))。片段CH1与CH4位于染色体的首尾，其中CH1只有一个元素CHi[0]；CH4有一到两个元素，为CHi[n-1](与CHi[n-2])。它们分别表示SFC用户端与物理网络节点之间的部署关系，CHi[0](及CHi[n-2])、CHi[n-1]∈Np。CH2包含CHi[1]到CHi[k]，表示从第一个VNF开始的SFC“上半部分”与物理节点之间的部署关系；CH3则包含CHi[k+1]到CHi[l]，只表示SFC“下半部分”的VNF部署关系。片段划分依据SFC结构的不同而不同，如线型结构的SFC无CH3部分。
但对于具体的SFC编排优化问题而言，解的特点是编排结果无需包含所有物理节点，染色体中的基因数量只要与SFC长度一致即可解码得出编排结果。这使得常见的基于整数编码的多种变异方式(替换变异、倒位变异和变换变异)均不适用与SFC的编排问题。因为如果SFC编排问题中的初始种群不存在近似最优解的基因组合，无论如何交叉、变异都无法最终得出近似最优解。
针对基于整数编码的变异方式的缺陷，本发明提出一种适用于SFC编排问题场景的变异算子，称为边相关的单点变异法。该方法目的是为了产生出与该染色体中已有基因所不同的新的基因类型，为SFC的编排问题创造更多潜在的可能性。该方法操作如图4所示。图4所描述的具体变异操作为：
首先从亲代染色体中随机选择一个基因位点k，考察k左右两边的基因位点k+1和位点k-1；然后求得基因位点k+1和k-1之间的最短路径，从所述最短路径中选择出一个与所述亲代染色体中已有基因不冲突的节点进行替换，得到子代染色体。
需要说明的是，如果基因位点k+1和k-1之间存在的是直接相连的物理链路，基因位点k则随机变化为不与染色体中基因冲突的元素。
本发明实施例提供的边相关的单点变异法不仅使得染色体能够变异出合理的新基因类型，而且使得该染色体的解仍是有效且不偏离近似最优解。
本发明实施例中，首先针对问题场景中的实际需求对传统遗传算法进行了优化改进与数据建模，把SFC编排问题转化为遗传算法中的最优染色体求解问题。在考虑资源限制、部署制约等前提下，将组成特定网络服务的VNF放置到底层物理网络上，并结合最短路径算法依照数据流量转发图按需有序地链接到一起，形成特定的数据通路，从而实现SFC的有效编排。
如图5所示，本发明实施例还提供一种智慧网络服务功能链的服务功能流转编排方法，包括以下步骤：
S101：通过网络接口接入由有线网络或无线网络传输的数据包；
S102：入口服务分类器对数据包进行分析，得到各个数据包所从属的网络服务功能并为每个数据包打上对应的网络服务功能标签；
S103：入口调度模块根据各个数据包携带的网络服务功能标签制定各个数据包的调度方案，以对所有数据包进行并行调度；所述调度方案用于指示每个数据包所对应的虚拟功能单元；
S104：交换单元根据调度方案将各个数据包在不同的网络服务功能模块之间进行流转，以供虚拟功能单元中的对应网络服务功能模块依次对数据包进行处理；
S105：出口调度模块将完成处理、流转的数据包进行编排后输出到出口服务分类器；
S106：出口服务分类器根据数据包携带的网络服务功能标签将编排后的数据包传输至上层互联网用户。
本发明实施例提供的智慧网络服务功能链的服务功能流转编排方法，服务功能流转从整体架构上支持共同对输入数据包进行计算、存储、传输处理，将任务从计算节点卸载到网络功能平台上，提高了带宽利用率，网络功能平台对并行处理后的数据包能够进行高效整合，网络整体性能大幅度攀升。
在上述实施例的基础上，如图6所示，还提供一种智慧网络服务功能链的服务功能流转编排方法，包括以下步骤：
通过网络接口接入由有线网络或无线网络传输的数据包；
入口服务分类器对数据包进行分析，得到各个数据包所从属的网络服务功能并为每个数据包打上对应的网络服务功能标签；
入口调度模块对数据包进行分解，将数据包首部与数据字段进行分离；然后根据各个数据包携带的网络服务功能标签制定各个数据包首部的调度方案，并将对应的数据字段进行存储；其中，所述调度方案用于指示每个数据包首部所对应的虚拟功能单元，以及用于指示一个数据包首部在对应的虚拟功能单元中的各网络服务功能模块之间进行处理、流转的顺序；
交换单元根据调度方案将各个数据包首部在不同的网络服务功能模块之间进行流转，以供虚拟功能单元中的对应网络服务功能模块依次对数据包首部进行处理；
出口调度模块将完成处理、流转的数据包首部与对应的数据字段进行编排后输出到出口服务分类器；
出口服务分类器根据数据包携带的网络服务功能标签将编排后的数据包传输至上层互联网用户。
在实际数据包处理过程中，由于缺乏一体化处理思想，在各个网络服务功能之间，完整数据包的传输耗费大量的网络带宽，大部分网络功能的实现，数据字段在各个服务功能模块流转中并没有进行修改，其反复进入交换模块带来了额外性能开销。因此，本发明提出的服务功能流转编排方法是在数据包进行流转之前，将其首部与数据字段进行分解，只对头部进行流转，而将数据字段放入存储单元等待。这样，在整个虚拟功能单元和交换单元，只存在对数据包首部的转发、修改、丢弃等操作，极大的减轻了虚拟功能单元和交换单元的负担，提高了带宽利用率；从另一个方面来说，也提高同一时间段内业务承载能力。
通过上述步骤串行执行及处理单元相应的并行处理过程，本发明提供的服务功能流转编排方法可以有效地提高网络平台对服务功能链对复杂网络功能实现的支撑力度和实现效率，保证网络平台性能和表达性。
随着网络规模逐步扩大和用户数量不断增加，各类网络应用呈现百花齐放的发展态势。互联网的多元化应用和大规模部署在给整个社会的生产生活带来便捷的同时，也给网络的扩张与发展带来了一系列新挑战，例如，高复杂度的网络功能、高质量的网络服务、快速而有效的网络部署、网络故障检测等。本发明为解决上述挑战提供了一种具备高效、便捷特性的服务功能流转编排基础平台结构及方法。
作为一种可实施方式，所述根据各个数据包携带的网络服务功能标签制定各个数据包的调度方案，具体包括：
设定SFC的端到端时延目标函数及其约束条件，其中：
目标函数为：
Figure BDA0003089453440000181
约束条件包括：
Figure BDA0003089453440000182
Figure BDA0003089453440000183
Figure BDA0003089453440000191
Figure BDA0003089453440000192
Figure BDA0003089453440000193
Figure BDA0003089453440000194
Figure BDA0003089453440000195
Figure BDA0003089453440000196
Figure BDA0003089453440000197
Figure BDA0003089453440000198
Figure BDA0003089453440000199
其中，
Figure BDA00030894534400001910
N表示网络中的物理节点集合，ni、nj分别表示N中编号为i、j的物理节点，F表示组成SFC的有序VNF集合，fk、fl分别表示F中编号为k、l的VNF，
Figure BDA00030894534400001911
表示SFC请求队列中fk在物理节点ni上的处理时延，L表示有权物理链路的集合，li,j表示物理节点ni与nj之间的物理链路(li,j等同于lj,i)，li,j∈L，
Figure BDA00030894534400001912
表示数据流量在物理链路li,j上的传播时延，E表示VNF之间有权有向的虚拟链路集合，ek,l表示fk与fl之间的虚拟链路，ek,l∈E，Dmax表示SFC的端到端的最大时延，T表示VNF实例类型集合，t表示T中的一个VNF实例类型的标识，Ct l表示类型t的VNF实例占用的节点资源；
Figure BDA00030894534400001913
表示ft是否部署到ni上，
Figure BDA00030894534400001914
表示物理节点ni上的计算资源总量；
Figure BDA00030894534400001915
表示VNF请求的物理节点ni的资源，Q表示SFC请求队列，qm表示Q中第m个SFC请求，(每个SFC请求都可以视为一个有权有向的网络拓扑图，记为S＝(F,E))
Figure BDA0003089453440000201
表示虚拟链路ek,l占用的物理带宽资源，
Figure BDA0003089453440000202
表示物理链路li,j具备的带宽资源(即链路资源，负责数据流量的传输功能)，Np表示只作为网络服务的用户出口节点而不承担放置VNF作用的物理节点的集合(扑图存在作为用户终端的物理节点P1、P2等，这些节点并不承担放置VNF的作用，只作为网络服务的用户出口节点，以集合Np区分)，Fp表示SFC请求的起始端点和目的端点的集合(为了体现SFC服务端到端的特点，每个SFC都至少具有两个用户节点以表示请求的起始、目的端点，记为集合Fp)。
作为一种可实施方式，结合图3和图4所示，所述根据各个数据包携带的网络服务功能标签制定各个数据包首部的调度方案，具体还包括：
采用边相关的单点变异法进行SFC编排优化，具体为：
从亲代染色体中随机选择一个基因位点k，考察k左右两边的基因位点k+1和位点k-1；
求得基因位点k+1和k-1之间的最短路径，从所述最短路径中选择出一个与所述亲代染色体中已有基因不冲突的节点进行替换，得到子代染色体。
需要说明的是，如果基因位点k+1和k-1之间存在的是直接相连的物理链路，基因位点k则随机变化为不与染色体中基因冲突的元素。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.智慧网络服务功能链的服务功能流转编排基础平台，其特征在于，包括：入口服务分类器、入口调度模块、多个虚拟功能单元、交换单元、出口调度模块、出口服务分类器和控制单元；每个所述虚拟功能单元均包括多个网络服务功能模块；
入口服务分类器，用于对通过网络接口接入的由有线网络或无线网络传输的数据包进行分析，得到各个数据包所从属的网络服务功能并为每个数据包打上对应的网络服务功能标签；
入口调度模块，用于根据各个数据包携带的网络服务功能标签制定各个数据包的调度方案，以对所有数据包进行并行调度；
交换单元，用于根据调度方案将各个数据包在不同的网络服务功能模块之间进行流转，以供虚拟功能单元中的对应网络服务功能模块依次对数据包进行处理；
出口调度模块，用于对完成处理、流转的数据包进行编排后输出到出口服务分类器；
出口服务分类器，用于根据数据包携带的网络服务功能标签将编排后的数据包传输至上层互联网用户；
控制单元，用于对服务流转编排基础平台结构中的其他功能模块进行控制。
2.根据权利要求1所述的服务功能流转编排基础平台，其特征在于，
所述入口调度模块，还用于对数据包进行分解，将数据包首部与数据字段进行分离；根据各个数据包携带的网络服务功能标签制定各个数据包首部的调度方案；以及将对应的数据字段进行存储；所述调度方案用于指示每个数据包首部所对应的虚拟功能单元，以及用于指示一个数据包首部在对应的虚拟功能单元中的各网络服务功能模块之间进行处理、流转的顺序；
对应地，交换单元，还用于根据调度方案将各个数据包首部在不同的网络服务功能模块之间进行流转，以供虚拟功能单元中的对应网络服务功能模块对各个数据包首部进行处理；
出口调度模块，还用于将完成处理、流转的数据包首部与对应的数据字段进行编排后输出到出口服务分类器。
3.根据权利要求1所述的服务功能流转编排基础平台，其特征在于，所述根据各个数据包携带的网络服务功能标签制定各个数据包的调度方案，具体包括：
设定SFC的端到端时延目标函数及其约束条件，其中：
目标函数为：
Figure FDA0003089453430000021
约束条件包括：
Figure FDA0003089453430000022
Figure FDA0003089453430000023
Figure FDA0003089453430000024
Figure FDA0003089453430000025
Figure FDA0003089453430000026
Figure FDA0003089453430000027
Figure FDA0003089453430000028
Figure FDA0003089453430000029
Figure FDA00030894534300000210
Figure FDA00030894534300000211
Figure FDA00030894534300000212
其中，
Figure FDA00030894534300000213
N表示网络中的物理节点集合，ni、nj分别表示N中编号为i、j的物理节点，F表示组成SFC的有序VNF集合，fk、fl分别表示F中编号为k、l的VNF，
Figure FDA00030894534300000214
表示SFC请求队列中fk在物理节点ni上的处理时延，L表示有权物理链路的集合，li,j表示物理节点ni与nj之间的物理链路，li,j∈L，
Figure FDA00030894534300000215
表示数据流量在物理链路li,j上的传播时延，E表示VNF之间有权有向的虚拟链路集合，ek,l表示fk与fl之间的虚拟链路，ek,l∈E，Dmax表示SFC的端到端的最大时延，T表示VNF实例类型集合，t表示T中的一个VNF实例类型的标识，Ct l表示类型t的VNF实例占用的节点资源；
Figure FDA0003089453430000031
表示ft是否部署到ni上，
Figure FDA0003089453430000032
表示物理节点ni上的计算资源总量；
Figure FDA0003089453430000033
表示VNF请求的物理节点ni的资源，Q表示SFC请求队列，qm表示Q中第m个SFC请求，
Figure FDA0003089453430000034
表示虚拟链路ek,l占用的物理带宽资源，
Figure FDA0003089453430000035
表示物理链路li,j具备的带宽资源，Np表示只作为网络服务的用户出口节点而不承担放置VNF作用的物理节点的集合，Fp表示SFC请求的起始端点和目的端点的集合。
4.根据权利要求3所述的服务功能流转编排基础平台，其特征在于，所述根据各个数据包携带的网络服务功能标签制定各个数据包的调度方案，具体还包括：
采用边相关的单点变异法进行SFC编排优化，具体为：
从亲代染色体中随机选择一个基因位点k，考察k左右两边的基因位点k+1和位点k-1；
求得基因位点k+1和k-1之间的最短路径，从所述最短路径中选择出一个与所述亲代染色体中已有基因不冲突的节点进行替换，得到子代染色体。
5.根据权利要求4所述的服务功能流转编排基础平台，其特征在于，如果基因位点k+1和k-1之间存在的是直接相连的物理链路，基因位点k则随机变化为不与染色体中基因冲突的元素。
6.智慧网络服务功能链的服务功能流转编排方法，其特征在于，包括：
通过网络接口接入由有线网络或无线网络传输的数据包；
入口服务分类器对数据包进行分析，得到各个数据包所从属的网络服务功能并为每个数据包打上对应的网络服务功能标签；
入口调度模块根据各个数据包携带的网络服务功能标签制定各个数据包的调度方案，以对所有数据包进行并行调度；
交换单元根据调度方案将各个数据包在不同的网络服务功能模块之间进行流转，以供虚拟功能单元中的对应网络服务功能模块依次对数据包进行处理；
出口调度模块将完成处理、流转的数据包进行编排后输出到出口服务分类器；
出口服务分类器根据数据包携带的网络服务功能标签将编排后的数据包传输至上层互联网用户。
7.根据权利要求6所述的服务功能流转编排方法，其特征在于，还包括：
入口调度模块对数据包进行分解，将数据包首部与数据字段进行分离；然后根据各个数据包携带的网络服务功能标签制定各个数据包首部的调度方案，并将对应的数据字段进行存储；其中，所述调度方案用于指示每个数据包首部所对应的虚拟功能单元，以及用于指示一个数据包首部在对应的虚拟功能单元中的各网络服务功能模块之间进行处理、流转的顺序；
交换单元根据调度方案将各个数据包首部在不同的网络服务功能模块之间进行流转；
出口调度模块将完成处理、流转的数据包首部与对应的数据字段进行编排后输出到出口服务分类器。
8.根据权利要求6所述的服务功能流转编排方法，其特征在于，所述根据各个数据包携带的网络服务功能标签制定各个数据包的调度方案，具体包括：
设定SFC的端到端时延目标函数及其约束条件，其中：
目标函数为：
Figure FDA0003089453430000041
约束条件包括：
Figure FDA0003089453430000042
Figure FDA0003089453430000043
Figure FDA0003089453430000051
Figure FDA0003089453430000052
Figure FDA0003089453430000053
Figure FDA0003089453430000054
Figure FDA0003089453430000055
Figure FDA0003089453430000056
Figure FDA0003089453430000057
Figure FDA0003089453430000058
Figure FDA0003089453430000059
其中，
Figure FDA00030894534300000510
N表示网络中的物理节点集合，ni、nj分别表示N中编号为i、j的物理节点，F表示组成SFC的有序VNF集合，fk、fl分别表示F中编号为k、l的VNF，
Figure FDA00030894534300000511
表示SFC请求队列中fk在物理节点ni上的处理时延，L表示有权物理链路的集合，li,j表示物理节点ni与nj之间的物理链路，li,j∈L，
Figure FDA00030894534300000512
表示数据流量在物理链路li,j上的传播时延，E表示VNF之间有权有向的虚拟链路集合，ek,l表示fk与fl之间的虚拟链路，ek,l∈E，Dmax表示SFC的端到端的最大时延，T表示VNF实例类型集合，t表示T中的一个VNF实例类型的标识，Ct l表示类型t的VNF实例占用的节点资源；
Figure FDA00030894534300000513
表示ft是否部署到ni上，
Figure FDA00030894534300000514
表示物理节点ni上的计算资源总量；
Figure FDA00030894534300000515
表示VNF请求的物理节点ni的资源，Q表示SFC请求队列，qm表示Q中第m个SFC请求，
Figure FDA00030894534300000516
表示虚拟链路ek,l占用的物理带宽资源，
Figure FDA00030894534300000517
表示物理链路li,j具备的带宽资源，Np表示只作为网络服务的用户出口节点而不承担放置VNF作用的物理节点的集合，Fp表示SFC请求的起始端点和目的端点的集合。
9.根据权利要求8所述的服务功能流转编排方法，其特征在于，所述根据各个数据包携带的网络服务功能标签制定各个数据包首部的调度方案，具体还包括：
采用边相关的单点变异法进行SFC编排优化，具体为：
从亲代染色体中随机选择一个基因位点k，考察k左右两边的基因位点k+1和位点k-1；
求得基因位点k+1和k-1之间的最短路径，从所述最短路径中选择出一个与所述亲代染色体中已有基因不冲突的节点进行替换，得到子代染色体。
10.根据权利要求9所述的服务功能流转编排方法，其特征在于，如果基因位点k+1和k-1之间存在的是直接相连的物理链路，基因位点k则随机变化为不与染色体中基因冲突的元素。
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