一种考虑多维资源约束的网络功能部署方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑多维资源约束的网络功能部署方法，包括以下步骤：将网络功能部署问题抽象为MVDP数学模型；证明模型中的问题是NP‑hard问题；给出离线和在线近似调度算法求解。本发明专利技术方法基于每条流量需要经过的网络功能的服务链以及各自需要的资源，可以得出一个最优的服务链的部署方案，使得总的服务链的部署开销最小，并且网络功能消耗的资源不会超出服务器的最大资源容量；本发明专利技术的部署决策可以保证每条流量所需要运行的网络功能一定部署在了这条流量经过的服务器节点上。

A Network Function Deployment Method Considering Multidimensional Resource Constraints

The invention discloses a network function deployment method considering multi-dimensional resource constraints, which includes the following steps: abstracting the network function deployment problem into MVDP mathematical model; proving that the problem in the model is NP_hard problem; and giving the off-line and on-line approximate scheduling algorithm to solve. The method of the invention can obtain an optimal deployment scheme of the service chain based on the service chain of network functions that each traffic needs to pass through and the resources that each traffic needs, so as to minimize the deployment overhead of the total service chain, and the resources consumed by the network function will not exceed the maximum resource capacity of the server; the deployment decision of the invention can guarantee the network that each traffic needs to run. Network functionality must be deployed on the server nodes through which this traffic passes.

【技术实现步骤摘要】
一种考虑多维资源约束的网络功能部署方法
本专利技术属于5G网络切片和网络功能虚拟化以及软件定义网络的
，具体涉及一种考虑多维资源约束的网络功能部署方法。
技术介绍
在2020年即将实现商用化的5G被广泛提及的同时，网络切片(NetworkSlicing)不得不提。作为5G中被讨论最多的技术，网络切片对于5G的意义可谓巨大。网络切片，本质上就是将运营商的物理网络划分成多个虚拟的逻辑网络，每一个虚拟网络根据不同的服务需求，比如时延、带宽、安全性和可靠性等来划分，以灵活的应对不同的网络应用场景。在5G时代，移动网络服务的对象也不再是单纯的移动手机，而是各种类型的设备，包括移动手机、平板、固定传感器、车辆等等。应用场景也多样化，比如移动宽带、大规模互联网、任务关键型互联网等等。需要满足的要求也多样化，比如移动性、安全性、低时延、可靠性等等。这一切都为网络切片提供了用武之地。网络功能虚拟化(NetworkFunctionVirtualization，NFV)的兴起将软件与硬件分离开来，通过这项技术，网络管理者无需投资安装和维护昂贵的专有硬件来建立网络连接设备的服务链。相反，他们可以投资服务器来运行执行各种网络功能的软件，服务器。网络功能虚拟化提供了部署网络功能的灵活性和敏捷性，而软件定义网络(SoftwareDefinedNetwork，SDN)由一系列如防火墙和路由器这样的自动化网络对象和组成。它提供了一种轻松的集中方式来管理网络，包括传输网络，数据中心网络等。SDN和NFV都能提供网络切片所需的功能，5G网络切片的主要思想是在网络上创建和划分不同的业务，使运营商能够为这些业务提供最佳的支持。作为网络切片的基础，在5G网络切片场景下，软件定义网络将与连接虚拟网络功能的服务器虚拟化相关联。现存的网络的在线和离线调度方法考虑的都是单维资源部署的最优化问题，而事实上，每个网络功能在运行时需要消耗服务器上的多种资源，比如在消耗CPU时钟周期的同时，还会消耗服务器内存资源等等。有其他研究工作证明，在服务器可用资源受限的情况下，网络功能的运行有可能成为网络瓶颈，从而造成丢包和性能的下降。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种考虑多维资源约束的网络功能部署方法，基于多维度资源约束的前提下，最小化整个网络中网络功能的部署开销。本专利技术的实现基于以下前提：每条流量需要经过的服务器节点是已知的，每条流量需要的网络功能的集合也是事先确定的，每个网络功能部署在每台服务器上的开销和资源需求是已知的，每台服务器上的资源容量是已知的。以上均为合理假设。基于此，通过本专利技术可以得到网络功能的最优部署决策，最大化的减小部署成本，同时合理利用资源。为实现上述技术目的，本专利技术采取的技术方案为：一种考虑多维资源约束的网络功能部署方法，包括以下步骤：1)将网络功能部署问题抽象为多资源网络功能部署问题(Multi-resourceVNFDeploymentProblem，MVDP)数学模型并给出线性规划表达式；2)证明模型中的问题是NP-hard问题；3)给出离线和在线近似调度算法求解。为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：上述的步骤1)中，线性规划表达式如下：式中，M为运行网络功能平台的集合，F为网络中的流量的集合，Ri＝(r1，r2，…，rk，…，rd)，Ri为网络功能平台i上的资源向量，VNFf为流f需要运行的VNF的集合，为在第t个时隙时，网络功能j如果部署在平台i上需要消耗的第k类资源的大小，k满足k≤d，d为资源维度，为在第t个时隙流f所需要经过的网络功能j部署在平台i上的租用开销，xf，i，j(t)，为在第t个时隙，如果流f需要经过的网络功能j最终需要安装在平台i上，该值为1，否则为0。上述的步骤3)中，离线近似调度算法包括以下步骤：a)列出MVDP的目标和约束，解松弛版本的MVDP的线性规划获得分数解；b)构造二部图；c)做基于二部图的最小权匹配。上述的步骤b)中，构造二部图具体为：把一个图的顶点划分为两个不相交集合U和V，使得每一条边都分别连接U、V中的顶点。上述的步骤c)中，二部图的最小权完备匹配具体为：将所有的边权值取其相反数，求最大权匹配，匹配的值再取相反数。上述的最大权匹配采用KM算法求解。上述在线近似调度算法具体为：为每条到达的流所需要的每个网络功能依次选择所需开销最小的服务器部署。本专利技术具有以下有益效果：1)基于每条流量需要经过的网络功能的服务链以及各自需要的资源，可以得出一个最优的服务链的部署方案，使得总的服务链的部署开销最小，并且网络功能消耗的资源不会超出服务器的最大资源容量；2)本专利技术的部署决策可以保证每条流量所需要运行的网络功能一定部署在了这条流量经过的服务器节点上。3)本专利技术适用于5G网络切片场景下，结合网络功能虚拟化和软件定义网络技术实现；不仅给出离线解决方案，还提供在线解决方案，满足不同需求；在显著降低网络功能部署开销的同时，又能够平衡服务器资源。附图说明图1是本专利技术的一个应用实施例；图2是本专利技术的离线算法的关于二部图的最小权匹配过程。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的实施例作进一步详细描述。本专利技术的一种考虑多维资源约束的网络功能部署方法，包括以下步骤：1)将网络功能部署问题抽象为MVDP数学模型并给出线性规划表达式；实施例中，抽象过程如下：MVDP数学模型用二元组(M,F)表示，其中M表示运行网络功能平台的集合，而F表示网络中的流量的集合。每一条流应该经过一些网络功能(VNF)的集合，假设每条流需要经过运行的网络功能集合是已知的，需要确定的是每一个网络功能需要安装运行在哪个服务器平台上。假设每个网络功能平台具有一些有限的资源，维度为d,表示为CPU、内存等资源。用如下表达式表示：Ri＝(r1，r2，…，rk，…，rd)，其中Ri表示网络功能平台i上的资源向量。本专利技术的目标在于满足这些资源不被超出的情况下，为每个网络功能寻找合适的部署平台。本专利技术应该有以下输入：F，表示流量的集合；M，表示网络功能平台的集合；VNFf，表示流f需要运行的VNF的集合；表示在第t个时隙的时候，网络功能j如果部署在平台i上需要消耗的第k类资源的大小，k应当满足k≤d。表示在第t个时隙流f所需要经过的网络功能j部署在平台i上的租用开销；xf，i，j(t)，这是一个0、1变量，在第t个时隙，如果流f需要经过的网络功能j最终需要安装在平台i上，该值为1，否则为0。根据抽象结果可得线性规划表达式如下：该问题即为MVDP问题。2)证明模型中的问题是NP-hard问题；3)给出离线和在线近似调度算法求解。本专利技术是通过在任何情况下运行程序获得部署方案，然后再按照程序结果部署实际的网络功能即可。按照本专利技术中的算法得出的部署方案可以保证在满足多维度资源需要不超出服务器最大负载的前提下，将网络功能的部署成本开销最小化。本专利技术针对的场景问题，一方面是5G网络切片场景下随着核心网接入设备呈现井喷式递增，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；另一方面，网络功能运行在虚拟机或容器上时，往往需要消耗多种类型的资源，比如同时消耗CPU时钟周期和内存资源等。图1是本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑多维资源约束的网络功能部署方法，其特征在于：包括以下步骤：1)将网络功能部署问题抽象为MVDP数学模型并给出线性规划表达式；2)证明模型中的问题是NP‑hard问题；3)给出离线和在线近似调度算法求解。

【技术特征摘要】
1.一种考虑多维资源约束的网络功能部署方法，其特征在于：包括以下步骤：1)将网络功能部署问题抽象为MVDP数学模型并给出线性规划表达式；2)证明模型中的问题是NP-hard问题；3)给出离线和在线近似调度算法求解。2.根据权利要求1所述的一种考虑多维资源约束的网络功能部署方法，其特征在于：步骤1)所述的线性规划表达式如下：式中，M为运行网络功能平台的集合，F为网络中的流量的集合Ri＝(r1，r2，…，rk，…，rd)，Ri为网络功能平台i上的资源向量，VNFf为流f需要运行的VNF的集合，为在第t个时隙时，网络功能j如果部署在平台i上需要消耗的第k类资源的大小，k满足k≤d，d为资源维度，为在第t个时隙流f所需要经过的网络功能j部署在平台i上的租用开销，xf，i，j(t)，为在第t个时隙，若流f需要经过的网络功能j最终需要安装在平台i上，该值为1，否则为0。3.根据权利要求1所述的一种考虑多维资源约束的网络功能...

【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