一种5G蜂窝核心网场景下的网络功能的两级部署方法技术

本发明专利技术公开了一种5G蜂窝核心网场景下的网络功能的两级部署方法，包括以下步骤：将网络级部署和服务器级部署问题抽象为数学模型，将所述数学模型用整数线性规划表示；证明模型中的两个问题是NP‑hard问题；给出近似算法求解。本发明专利技术可以在任何情况下通过简单的程序运行获得部署方案，按照部署方案实际部署服务链和网络功能即可。第一级部署可以在避免网络拥塞的前提下降低服务链的部署成本，同时保证服务链部署在流所经过的路径上，对于服务器资源的使用也不会超额；第二级部署在第一级部署的基础上，具体确定每个网络功能需要由哪个CPU核心执行，从而平衡服务器的处理能力，提高系统吞吐率。

A Two-Level Deployment Method for Network Function in 5G Cellular Core Network Scenario

【技术实现步骤摘要】
一种5G蜂窝核心网场景下的网络功能的两级部署方法
本专利技术属于5G蜂窝核心网的
，具体涉及一种5G蜂窝核心网场景下的网络功能的两级部署方法。
技术介绍
随着4G网络的标准化和不断成熟，5G移动通信系统的研究已经展开。为了应对终端接入数目、种类和业务量的爆炸式增长，未来5G网络应当能够同时支持多样化的使用场景，满足差异化服务对网络吞吐量、时延、连接数目和可靠性等性能指标的不同需求。5G是第五代移动电话通信标准，也称第五代移动通信技术。5G是新一代移动通信技术发展的主要方向，是未来新一代信息基础设施的重要组成部分。与4G相比，不仅将进一步提升用户的网络体验，同时还将满足未来万物互联的应用需求。从用户体验看，5G具有更高的速率、更大的带宽，能够更好的满足消费者对虚拟现实、超高清视频等更高的网络体验需求。从行业应用看，5G具有更高的可靠性，更低的时延，能够满足智能制造、自动驾驶等行业应用的特定需求，拓宽融合产业的发展空间，支撑经济社会创新发展。5G时代将采用网络功能虚拟化(NetworkFunctionVirtualization，NFV)和软件定义网络(SoftwareDefinedNetwork，SDN)的新型网络架构。SDN最早是由美国斯坦福大学提出的，最根本的设计理念是在网络设备中只保留简单的数据转发功能，通过借助于集中式的控制以软件编程的方式实现对网络设备的控制。目前广泛接受认可的SDN的定义可以概括为“控制与转发分离，软件与硬件分离、网元虚拟化以及可编程的网络架构”。根据开放网络基金会(OpenNetworkingFoundation)的规定，SDN至少应具有控制面与转发面分离、控制面集中化和开放的可编程接口三个特性。NFV源于运营商在通用IT平台上通过软件实现网元功能从而替代专用平台的尝试，从而降低网络设备的成本。其实质是将网络功能从专用硬件设备中剥离出来，实现软件和硬件解耦后的各自独立，基于通用的计算、存储、网络设备并根据需要实现网络功能及其动态灵活的部署。这是从运营商角度出发提出的一种支持软件和硬件分离的架构，并同时将虚拟化技术引入到电信蜂窝核心网领域中，借助于通用的服务器平台完成专用平台的功能，旨在降低成本，同时提高扩展性，结合SDN，从而提升网络整体系统的灵活性和效率。蜂窝核心网是移动网络基础设施的关键组成部分，提供了用户鉴权、移动管理、会话管理等基本功能。同时它还需要提供各种中间件服务的支持来实现基于用户的计费服务或语音通话服务。如今的蜂窝核心网需要依赖于一些昂贵的专用机架用于接入互联网，这些硬件设备往往在地理位置上分离并采用特定的路由机制。这种非弹性架构会从根本上导致运营成本增加，应用服务性能低下，发展缓慢。新兴的NFV和SDN技术的发展为蜂窝网络带来新的机遇，并可以灵活的以服务链的形式部署在商用服务器上，同时支持更细粒度的方式集中控制路由决策。然而，当今的蜂窝核心网基础设施所连接的移动设备正在发生爆炸式增长。思科的报告显示，到2020年将会有30亿物联网设备和116亿移动连接设备接入蜂窝核心网。与此同时，信号流量的增长速度比数据流量快大概50％，这些都为蜂窝核心网造成了巨大的压力。一方面，为了应对蜂窝流量的快速增长，供应商必须购买和部署更多的昂贵的专用服务器，不可避免的导致资本的投入和运营成本的提高。另一方面，当前的网络架构严重依赖于专用中间件连接无线接入网，接入互联网，这些中间件在地理上存储在固定位置并使用特定的路由配置，不能完全应对不断变化的网络流量和动态策略。此外，随着越来越多硬件服务器的部署，蜂窝核心网的网络协议变得复杂和难以处理，增加管理开销成本。现有的工作试图从不同角度解决这一问题。由CleanG和LTE-Xtend设计的基于SDN的蜂窝架构中的控制协议将一组特定的网络功能虚拟为一条服务链，但分离了路由选择和服务链部署之间的联系，事实上，一条流所需要的服务链必须部署在这条流所经过的网络功能平台(NetworkFunctionPlatform)上。为了节省网络带宽消耗，NFVnice和NFP将一条服务链中的多个网络功能部署在服务器上的不同CPU核心中，不同的网络功能可以共享一个核心。然而，这种服务链部署的优化框架尚未被探讨过。
技术实现思路
本专利技术针对5G蜂窝网络场景下随着核心网切入设备过多而各种网络资源(带宽等)和计算资源(CPU、内存等)有限导致的网络功能部署难度与开销增大的问题，提供一种基于此场景下的网络功能的两级部署方法，第一级是网络级部署优化，旨在最小化服务链的部署成本；第二级是服务器级部署优化，该层次的优化是确定每条服务链上的每个网络功能部署到CPU的哪个核上以平衡服务器的负载，以平衡服务器的处理能力，提高系统吞吐率。为实现上述技术目的，本专利技术采取的技术方案为：一种下一代(5G)蜂窝核心网场景下的网络功能的两级部署方法，包括以下步骤：1)将网络级部署和服务器级部署问题抽象为数学模型，将数学模型用整数线性规划表示；2)证明模型中的两个问题是NP-hard问题；3)给出近似算法求解。为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：上述的网络级部署问题的数学模型为最低供应成本问题(MinimumProvisioningCostProblem，MPCP)模型，服务器级部署问题的数学模型为多核部署问题(Multi-CoreDeploymentProblem，MCDP)模型。上述的MPCP模型的其线性规划表达式为：minimize∑l∈L∑i∈SCci,l·xi,l式中，F为流量f的集合；V为交换机v的集合；E为拓扑中边e的集合；L为服务器l的集合；G为无向的网络拓扑图，G＝(V∪L，E)；SC为服务链(servicechain)sc的集合；NF为网络功能j的集合；Kl为服务器l上CPU核心的集合；ri,l为服务链i部署在服务器l上所需的CPU资源；Rl为服务器l上总共的资源；ci,l为服务链部署在服务器l上的租用开销(部署开销)；be为链路e的带宽；Pf为流f从入交换机到出交换机所有可能经过的路径集合；df为流量的带宽需求；αf,i为一个0、1变量，若流f经过服务链i该值为1，否则该值为0；βi,j为一个0、1变量，若服务链i中包含有网络功能j，该值为1，否则该值为0；σj为每个网络功能函数j运行一个报文所需要消耗的CPU的时钟周期数；xi,l为一个0、1变量，若服务链i最终安装在服务器l上该值为1，否则该值为∑0；yf,p为f分割在p路径上的百分率。上述的MCDP模型的线性规划表达式为：wj＝yf,p·σj.式中，wj表示第j个CPU核心上的负载，它是yf,p和σj的乘积，即经过这个网络功能平台的流包含的数据包数量乘以运行一个报文所消耗的CPU的时钟周期数；qj,k是待确定的变量，这是一个0、1变量，如果网络功能j最终安装在CPU的核心k上，该值为1，否则为0；同样地，αf,i为一个0、1变量，若流f经过服务链i该值为1，否则该值为0；βi,j为一个0、1变量，若服务链i中包含有网络功能j，该值为1，否则该值为0；σj为每个网络功能函数j运行一个报文所需要消耗的CPU的时钟周期数。上述的在网络级部署中近似算法求解包括以下步骤：a)解松弛版本的MCDP的线性规划本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种5G蜂窝核心网场景下的网络功能的两级部署方法，其特征在于：包括以下步骤：1)将网络级部署和服务器级部署问题抽象为数学模型，将所述数学模型用整数线性规划表示；2)证明模型中的两个问题是NP‑hard问题；3)给出近似算法求解。

【技术特征摘要】
1.一种5G蜂窝核心网场景下的网络功能的两级部署方法，其特征在于：包括以下步骤：1)将网络级部署和服务器级部署问题抽象为数学模型，将所述数学模型用整数线性规划表示；2)证明模型中的两个问题是NP-hard问题；3)给出近似算法求解。2.根据权利要求1所述的一种5G蜂窝核心网场景下的网络功能的两级部署方法，其特征在于：步骤1)所述网络级部署问题抽象为MPCP模型，所述服务器级部署问题抽象为MCDP模型。3.根据权利要求2所述的一种5G蜂窝核心网场景下的网络功能的两级部署方法，其特征在于：所述MPCP模型的其线性规划表达式为：minimize∑l∈L∑i∈SCci,l·xi,l式中，F为流量f的集合；V为交换机v的集合；E为拓扑中边e的集合；L为服务器l的集合；G为无向的网络拓扑图，G＝(V∪L，E)；SC为服务链sc的集合；NF为网络功能j的集合；Kl为服务器l上CPU核心的集合；ri,l为服务链i部署在服务器l上所需的CPU资源；Rl为服务器l上总共的资源；ci,l为服务链部署在服务器l上的租用开销；be为链路e的带宽；Pf为流f从入交换机到出交换机所有可能经过的路径集合；df为流量的带宽需求；αf,i为一个0、1变量，若流f经过服务链i该值为1，否则该值为0；βi,j为一个0、1变量，若服务链i中包含有网络功能j，该值为1，否则该值为0；σj为每个网络功能函数j运行一个报文所需要消耗的CPU的时钟周期数；xi,l为一个0、1变量，若服务链i最终安装在服务器l上该值为1，否则该值为0；yf,p为f分割在p路径上的百分率。4.根据权利要求2所述的一种5G蜂窝核心网场景下的网络功能的两级部署方法，其特征在于：所述MCDP模型的线性规划表达式为：wj＝yf,p·σj式中，wj为第j个C...

【专利技术属性】
技术研发人员：田臣，郑嘉琦，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32