一种基于QoS保障的服务功能链动态部署方法技术

本发明专利技术涉及一种基于QoS保障的服务功能链动态部署方法，属于移动通信技术领域。该方法为：5G网络切片借助软件定义网络和网络功能虚拟化技术实现了资源的灵活配置。为了提高切片网络中通信业务的QoS，建立面向可靠性需求的服务功能链部署模型，该模型以最小化端到端时延为目标，设计一种基于QoS保障的服务功能链动态部署方案。该方案综合考虑了节点位置和可靠性，利用一种新颖的节点排序方法进行虚拟网络功能的部署，均衡网络的负载。在链路映射过程中，通过选择满足可靠性需求的时延最短路径提高QoS。本发明专利技术在降低服务功能链端到端时延的同时保证了部署的可靠性，并且提高了请求接受率和资源利用率。

A dynamic deployment method for service function chain based on QoS support

The invention relates to a dynamic deployment method of service function chain based on QoS support, which belongs to the field of mobile communication technology. The method is as follows: 5G network slice realizes the flexible allocation of resources with the help of software defined network and network function virtualization technology. In order to improve the QoS of communication service in slicing network, a service function chain deployment model for reliability requirements is established. This model aims at minimizing end to end delay as the goal, and designs a dynamic deployment scheme of service function chain based on QoS. Considering the node location and reliability, a novel node sorting method is used to deploy the virtual network function and balance the load of the network. In the link mapping process, QoS is selected by choosing the shortest path of delay to meet the reliability requirements. The invention ensures the reliability of the deployment while reducing the end to end delay of the service function chain, and improves the request acceptance rate and the resource utilization ratio.

【技术实现步骤摘要】
一种基于QoS保障的服务功能链动态部署方法
本专利技术属于移动通信
，涉及一种基于QoS保障的服务功能链动态部署方法。
技术介绍
目前移动网络行业正在迅速向5g演进，“移动宽带增强”、“大规模物联网”、“低时延高可靠通信”三大类新应用领域将发挥重要作用。5g网络具有很高的灵活性来应对移动运营商的业务变化，特别是网络功能虚拟化概念的提出使得基础设施能够灵活地满足垂直应用需求的多样化。网络切片是无线虚拟网络中灵活配置资源的技术，可以快速部署和集中管理。它主要是借助软件定义网络(softwaredefinednetwork,SDN)和网络功能虚拟化(networkfunctionvirtualization,NFV)技术，将有限的物理资源经过分割和重组，形成逻辑上相互独立的虚拟网络资源供各个切片网络使用，以此实现网络资源的重复高效利用，减少运营商的成本投入和运营支出，为租户提供更好质量的同时提高了网络资源的利用率。在切片网络中，每个业务请求由一些不同的虚拟网络功能(virtualnetworkfunction,VNF)组成，这些网络功能互联起来称为服务功能链(servicefunctionchaining,SFC)。每个业务请求的需求不同，会造成每个SFC上的VNF集合不同，如何有效地部署SFC使得在满足切片业务服务质量(qualityofservice,QOS)的同时最大化虚拟运营商的收益是5G网络中研究的热点问题。5G移动通信系统低时延场景对通信服务的时延要求较高，需要支持用户毫秒级的端到端网络服务。所以降低网络服务的端到端时延是SFC部署需要解决的关键问题之一。现有的专利技术都是把处理时延和传输时延作为端到端时延进行分析。把处理时延设为固定值，忽视了节点负载对时延的影响，不符合实际，限制了适用网络服务的规模，而且没有考虑由节点位置和可靠性造成的时延问题。SFC部署过程中，无论是硬件故障(例如正在执行VNF的物理节点发生故障)还是软件故障(例如VNF自身的错误配置)都会破坏整个链路从而导致服务暂停。到目前为止，大多数已有专利技术采用基于冗余的VNF部署策略来实现SFC部署的可靠性。应该注意到，这些冗余的VNF的存在将增加服务功能链的长度，从而增加该服务的端到端时延，这对于时延受限的SFC是非常不利的，而且降低了资源的利用率。因此研发新的SFC部署方案提高SFC部署的服务质量很有必要。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于QoS保障的服务功能链动态部署方法，能够根据底层资源动态为SFC分配资源，提高SFC部署的QoS，即在最小化端到端时延的同时保证SFC的可靠性需求。此外，本专利技术的另一目的在于能够接受更多的SFC请求从而最大化底层资源的利用率。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于QoS保障的服务功能链动态部署方法，包括以下步骤：S1：针对切片网络中通信业务的QoS问题，建立面向可靠性需求的服务功能链(servicefunctionchaining,SFC)部署模型，该模型以最小化端到端时延为目标；S2：综合考虑节点位置和可靠性，利用一种新颖的节点排序方法分别对物理节点和服务功能链中的虚拟网络功能(virtualnetworkfunction,VNF)排序；S3：根据节点排序结果确定节点映射优先级，选择满足资源约束的节点进行虚拟网络功能的部署，实现负载的均衡；S4：在链路映射过程中，寻找满足链路资源约束并保证可靠性需求的时延最短路径进行映射。进一步，在步骤S1中，所述服务功能链部署网络模型为：底层网络形式化为一个无向图GS＝(NS,LS)，其中NS表示底层节点集合，每个节点可以部署一个或多个VNF，LS表示所有底层链路的集合；每个底层节点m∈NS的CPU容量为节点位置为loc(m)，连接节点m和n的链路lmn的带宽为可靠性为R(lmn)；是节点m和n之间无环路的路径集；SFCs链形式化成有向图，表示为GV＝(NV,LV)，NV表示所有的VNF集合，LV表示连接VNF的所有虚拟链路的集合；每个SFC由一些有序的VNF功能组成，用Q表示单位时间内到达的SFC请求强度，SFC集合表示为S＝{sq|q＝1,2,···Q}，每个SFC∈Q由和连接相邻两个VNFu和v的虚拟链路组成；SFC中每个VNFu的CPU资源需求为虚拟链路luv带宽需求为定义一个二进制变量表示虚拟链路luv是否映射到物理链路lmn∈LS上；每个VNF所代表的虚拟机的位置为loc'(u)，映射到底层节点时最大距离偏移不能超过lp'(u)，虚拟链路映射到底层链路后的的时延为duv，映射到底层链路后的可靠性不能低于R(luv)。进一步，在步骤S1中，所述面向可靠性需求为选择可靠性高的节点和链路进行SFC的部署并且所选链路满足链路对可靠性的最低需求。进一步，在步骤S1中，所述以最小化端到端时延为目标的动态部署模型为：第一部分为最大化接入SFC请求的数目，这是为了最大化资源的利用率；第二部分为最小化端到端时延；使用SFC中每跳链路的时延叠加来计算端到端时延；每跳链路的时延表示为处理时延和传输时延的和；其中处理时延与节点需要处理的负载有关，处理的负载定义为需要处理的总的VNF资源需求和底层节点的处理能力之比，当节点的CPU负载增大时，该节点的处理时延迅速增加，假设处理时延是处理负载的凸函数，使用分段线性化来近似凸时延曲线；传输时延与需要处理的SFC链路映射到底层链路的跳数有关。进一步，在步骤S2中，所述节点位置和可靠性为：节点位置用节点连接度G(m)、节点的有效性E(m)和适应性T(m)表示；其中节点的连接度由相邻的链路总数决定；节点的有效性用节点效率表示，节点效率定义为与其他节点之间的距离的倒数，距离表示链路的跳数，传输距离越短，节点效率就越高；节点的适应性是指当节点m失效后，所有以最短径通过m节点相连的其他节点为恢复与m相连的链路所增加通信距离的最小值，增加的通信距离越小，恢复时间越短，节点适应值越大，反之，节点适应值越小；节点可靠性可用节点正常工作概率来表示；而节点正常工作概率与节点失效率λm有关；节点失效率用平均故障间隔时间(MTBF)和平均修复时间(MTTR)来表示；则节点的正常工作概率可以表示为1-λm；假设链路的失效满足泊松分布，则时间间隔t内，没有发生失效的概率为所以链路的可靠度为其中λmn为链路lmn的失效率，t为链路lmn上的时延；由于在进行VNF部署时考虑到链路因素，在时延约束下，做出以下转化：最大化上式相当于最小化下式：由于du'v映射到每条物理链路上值是相同的，可以进一步转化为下式：minλmn；所以在节点排序时把链路影响因素表示为：进一步，在步骤S2中，所述新颖的节点排序方法为：采用Google的PageRank算法中的思想，重新定义节点的重要性，表示为下式：其中r(m)表示节点m的得分，用于表征节点的重要性，γ是一个介于0和1之间的阻尼系数，J(m)表示与节点m相邻的节点集合，表示归一化的节点资源状态，表示为根据PageRank的思想，得到最终的节点迭代得分表达式，表示为下面的向量表达式，通过不断地迭代，得到所有节点的重要性：r＝(1-γ)C+γHr。进一步，在步骤S3中，所述虚拟网络功能的部署具本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于QoS保障的服务功能链动态部署方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：S1：针对切片网络中通信业务的QoS问题，建立面向可靠性需求的服务功能链(service function chaining,SFC)部署模型，该模型以最小化端到端时延为目标；S2：综合考虑节点位置和可靠性，利用一种新颖的节点排序方法分别对物理节点和服务功能链中的虚拟网络功能(virtual network function,VNF)排序；S3：根据节点排序结果确定节点映射优先级，选择满足资源约束的节点进行虚拟网络功能的部署，实现负载的均衡；S4：在链路映射过程中，寻找满足链路资源约束并保证可靠性需求的时延最短路径进行映射。

【技术特征摘要】
1.一种基于QoS保障的服务功能链动态部署方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：S1：针对切片网络中通信业务的QoS问题，建立面向可靠性需求的服务功能链(servicefunctionchaining,SFC)部署模型，该模型以最小化端到端时延为目标；S2：综合考虑节点位置和可靠性，利用一种新颖的节点排序方法分别对物理节点和服务功能链中的虚拟网络功能(virtualnetworkfunction,VNF)排序；S3：根据节点排序结果确定节点映射优先级，选择满足资源约束的节点进行虚拟网络功能的部署，实现负载的均衡；S4：在链路映射过程中，寻找满足链路资源约束并保证可靠性需求的时延最短路径进行映射。2.根据权利要求1所述的一种基于QoS保障的服务功能链动态部署方法，其特征在于：在步骤S1中，所述服务功能链部署网络模型为：底层网络形式化为一个无向图GS＝(NS,LS)，其中NS表示底层节点集合，每个节点可以部署一个或多个VNF，LS表示所有底层链路的集合；每个底层节点m∈NS的CPU容量为节点位置为loc(m)，连接节点m和n的链路lmn的带宽为可靠性为R(lmn)；是节点m和n之间无环路的路径集；SFCs链形式化成有向图，表示为GV＝(NV,LV)，NV表示所有的VNF集合，LV表示连接VNF的所有虚拟链路的集合；每个SFC由一些有序的VNF功能组成，用Q表示单位时间内到达的SFC请求强度，SFC集合表示为S＝{sq|q＝1,2,…Q}，每个SFC∈Q由和连接相邻两个VNFu和v的虚拟链路组成；SFC中每个VNFu的CPU资源需求为虚拟链路luv带宽需求为定义一个二进制变量表示虚拟链路luv是否映射到物理链路lmn∈LS上；每个VNF所代表的虚拟机的位置为loc'(u)，映射到底层节点时最大距离偏移不能超过lp'(u)，虚拟链路映射到底层链路后的的时延为duv，映射到底层链路后的可靠性不能低于R(luv)。3.根据权利要求1所述的一种基于QoS保障的服务功能链动态部署方法，其特征在于：在步骤S1中，所述面向可靠性需求为选择可靠性高的节点和链路进行SFC的部署并且所选链路满足链路对可靠性的最低需求。4.根据权利要求1所述的一种基于QoS保障的服务功能链动态部署方法，其特征在于：在步骤S1中，所述以最小化端到端时延为目标的动态部署模型为：第一部分为最大化接入SFC请求的数目，这是为了最大化资源的利用率；第二部分为最小化端到端时延；使用SFC中每跳链路的时延叠加来计算端到端时延；每跳链路的时延表示为处理时延和传输时延的和；其中处理时延与节点需要处理的负载有关，处理的负载定义为需要处理的总的VNF资源需求和底层节点的处理能力之比，当节点的CPU负载增大时，该节点的处理时延迅速增加，假设处理时延是处理负载的凸函数，使用分段线性化来近似凸时延曲线；传输时延与需要处理的SFC链路映射到底层链路的跳数有关。5.根据权利要求1所述的一种基于QoS保障的服务功能链动态部署方法，其特征在于：在步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐伦，赵培培，周钰，杨友超，马润琳，陈前斌，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50