一种面向虚拟TSN网络的多优先级服务功能链部署方法技术

本发明专利技术公开了一种面向虚拟TSN网络的多优先级服务功能链部署方法，涉及通信领域。具体来说，本发明专利技术结合底层物理网络特性和TSN网关特点，提出一种面向多优先级任务的服务功能链部署方法和TSN多队列注入机制。首先联合考虑SFC约束和TSN特性构建增广式逻辑拓扑，该逻辑拓扑适用于常见的路由算法，极大地降低了SFC约束带来的算法复杂度，然后考虑任务多优先级和TSN多队列性质对所构建的增广逻辑拓扑进行复制和任务优先级驱动的队列分割，最终实现动态异构任务在虚拟TSN网络中的轻量级端到端确定性交付。本发明专利技术解决了现有服务功能链部署复杂度较高的问题，并填补了虚拟TSN网络中相关内容的空白，更好地利用有限的通信资源为工业任务提供差异化确定性通信服务。任务提供差异化确定性通信服务。任务提供差异化确定性通信服务。

【技术实现步骤摘要】
一种面向虚拟TSN网络的多优先级服务功能链部署方法


[0001]本专利技术涉及通信领域，尤其涉及一种面向虚拟TSN网络的多优先级服务功能链部署方法。

技术介绍

[0002]时间敏感网络技术(Time Sensitive Networking,TSN)是IEEE802.1工作组在2016年提出的一系列面向确定性通信的通信协议，其通过提出诸如时间感知门(Time
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aware Shaper,TAS)、门控列表(Gate Control List,GCL)、每流过滤(Per
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stream Filtering and Policing,PSFP)等机制和IPV(Internal Priority Value)等参数，通过统一的通信框架实现工业异构数据的多优先级低时延低抖动通信，以严格的时间窗保证了时延和抖动的上界，十分适用于大规模工业通信场景，但其集中计算的调度方式带来了很高的计算复杂度，无法很好地处理动态生产需求，亟需进行灵活化转型。
[0003]面对未来工业4.0提出的小批量、定制化生产需求与有限的工业生产、通信资源之间的矛盾，传统的“一应用
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一网络”模式已无法适配上层下达的动态需求，这极大地阻碍了制造业的转型发展和通信技术的改革创新，亟需进行生产通信方式的转变。为此，学术界和工业界引入软件定义网络(Software
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DefinedNetworking,SDN)和网络功能虚拟化(NetworkFunctionVirtualization,NFV)技术，通过对底层通信网络进行不同程度的抽象和虚拟化，实现服务功能的灵活调配而无需考虑底层具体的技术实现细节，进而达到资源复用的目的，很好地解决了资源紧缺对于工业生产转型的限制瓶颈。因此，采用网络虚拟化对物理网络进行建模，可以打破底层技术壁垒，提供一种灵活可扩展的通信解决方案，更好地满足动态生产需求。
[0004]在虚拟网络中，应用服务通常以包含一系列有序的虚拟网络功能(Virtual Network Function,VNF)的服务功能链(Service Function Chain,SFC)的形式到达网络，将VNF全部按序映射进物理网络则实现了对该SFC的服务，而由于不同网络模块的位置、功能、连接关系各不相同，其所能提供的网络功能也各异，为此，需要同时考虑SFC的需求和底层网络的能力进行VNF的映射，这极大地提高了问题的复杂度，且在虚拟TSN网络中进行SFC部署设计是一个几乎空白的领域，如何根据TSN标准本身的特性进在虚拟TSN网络中进行SFC部署仍有待研究。
[0005]经对现有文献检索发现，最近似的实现方案为中国专利申请号：201810541014.2，名称为：一种面向实时应用需求的TSN调度方法，其具体内容为：基于软件定义网络技术提出TSSDN架构，将时隙分配给时间触发流并将其路由，最大化资源利用率。该方法同样在资源层面考虑TSN网络数据流路由问题，但其未按SFC模式进行服务映射，且其集中式调度算法复杂度较高，无法适应动态生产需求。专利申请号为：202080014340.3，名称为：对虚拟TSN桥接器管理、QoS映射和TSN Qbv调度的5G系统支持，具体内容为：蜂窝网络通过虚拟TSN桥接器与TSN网络连接，给出了5G和TSN中QoS流映射具体的TSN接口及其相应功能，但对于具体如何计算虚拟TSN网络路由机路径并未给出具体说明。专利申请号为：
201710536013.4，名称为：一种5G移动网络中服务功能链的优化部署方法，其具体内容为：通过在部署时考虑VNF合并策略、虚拟重用策略以及临时链路策略的部署方式，提出了三种优化目标不同的映射方案，但其映射算法复杂度很高，不适用于动态应用场景。专利申请号为：202011359654.5，名称为：一种基于深度强化学习的服务功能链可靠性部署方法，具体内容为：通过动态感知服务功能链的优先级，以此选择服务功能链上虚拟网络功能的备份方案，并利用深度强化学习同时确定服务功能链中虚拟网络功能的部署节点及备份节点，该方法路由方案为提前部署，无法反映资源的动态变化情况。专利申请号为：202111133810.0，名称为：一种基于软件定义网络的服务功能链联合优化方法，具体内容为：利用逻辑功能图来获取服务功能链的部署方案，通过删除不满足节点资源容量约束和链路带宽资源容量约束的节点与链路，但该方法每获得一个路由路径就要判断一次是否满足约束，计算复杂度很高，存在较大的应用瓶颈。
[0006]现有TSN路由问题多采用集中式方式计算全部TSN网关的门控列表，以实现数据流经由TSN网络的确定性端到端调度，其调度方式为离线，无法适配动态生产场景。现有关于虚拟TSN网络路由问题的工作较少，仅有的几个工作也仅仅采用软件定义网络技术以集中式方式对数据流进行时隙分配和调度，其调度方式难以适用于大规模高动态性异构工业网络。现有SFC部署工作多为采用采用迭代尝试方法以同时满足SFC约束和底层资源约束，计算强度大、时间复杂度高，且大多未考虑资源动态性特性进行调度机制设计，不适用于未来工业场景。现有VNF路由的工作多为基于SFC约束进行最优路径选择，很少有针对SFC性质对底层拓扑进行改造的相关工作，在未经改造的拓扑上寻找满足SFC的最优路径是一个非常困难的问题。
[0007]因此，本领域的技术人员致力于开发一种面向虚拟TSN网络的多优先级服务功能链部署方法。解决现有服务功能链部署复杂度较高的问题，并填补虚拟TSN网络中服务功能链部署中相关机制的空白，进而更好地利用有限资源为面向未来工业4.0需求提供确定性通信服务。

技术实现思路

[0008]有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是如何基于软件定义网络技术和网络功能虚拟化技术构建虚拟TSN网络，并结合TSN标准的特性实现动态资源调度；如何刻画网络动态性(动态资源消耗、动态节点生灭、动态拓扑构建)；如何基于底层物理网络和SFC约束构建更具有普适性的路由拓扑，以便于实施常见路由算法；如何结合TSN多队列优势在虚拟TSN网络中对多优先级数据进行差异化传输服务。
[0009]为实现上述目的，本专利技术提供了一种面向虚拟TSN网络的多优先级服务功能链部署方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0010]步骤1、根据到达的SFC对每个物理节点n
j
可以支持的VNF集合进行提取精简，只留下属于到达SFC中的VNF作为每个物理节点新的可支持VNF集合,然后在SFC最前端加入VNF0；
[0011]步骤2、采用考虑SFC约束的增广式逻辑拓扑构建方法，在每个物理节点支持的VNF集合最前端加入VNF0，将其中的每个VNF都抽象成独立的虚拟节点，形成属于物理节点的虚
拟节点集合遍历执行物理节点范围内连接、物理节点范围间连接和拓扑精简操作，得到初始逻辑增广拓扑图G'
o
；
[0012]步骤3、采用基于TSN多队列特性的虚拟队列增广机制，根据TSN队列数量将逻辑增广拓扑图G本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向虚拟TSN网络的多优先级服务功能链部署方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、根据到达的对每个物理节点n
j
可以支持的VNF集合进行提取精简，只留下属于到达SFC中的VNF作为每个物理节点新的可支持VNF集合，然后在SFC最前端加入VNF 0；步骤2、采用考虑SFC约束的增广式逻辑拓扑构建方法，在每个物理节点支持的VNF集合最前端加入VNF 0，将其中的每个VNF都抽象成独立的虚拟节点，形成属于物理节点的虚拟节点集合遍历执行物理节点范围内连接、物理节点范围间连接和拓扑精简操作，得到初始逻辑增广拓扑图G
′
o
；步骤3、采用基于TSN多队列特性的虚拟队列增广机制，根据TSN队列数量将逻辑增广拓扑图G
′
o
中的每一个虚拟节点进一步增广成表示TSN队列的若干虚拟节点，得到联合考虑SFC约束和TSN特性的增广逻辑拓扑G
′
f
。2.如权利要求1所述的面向虚拟TSN网络的多优先级服务功能链部署方法，其特征在于，所述步骤1中每个物理节点可以支持的VNF集合与到达的SFC均为VNF总集的一个子集，可以相同也可以不同。3.如权利要求1所述的面向虚拟TSN网络的多优先级服务功能链部署方法，其特征在于，所述步骤1中SFC内VNF的嵌入伴随着底层物理节点计算资源、缓存资源的消耗，且由于各个VNF负责功能不同，相互之间具有一定的先后映射顺序约束。4.如权利要求1所述的面向虚拟TSN网络的多优先级服务功能链部署方法，其特征在于，所述步骤2在每个物理节点支持的VNF集合最前端加入VNF 0，经过VNF提取后原有链路不会消失，避免改变底层物理节点的连接关系。5.如权利要求1所述的面向虚拟TSN网络的多优先级服务功能链部署方法，其特征在于，所述步骤2包括以下步骤：步骤2.1、对于同一物理节点n
j
的虚拟节点集中的虚拟节点若其中两个节点代表的VNF在SFC中为相邻的VNF，则按照SFC顺序对这两个节点进行物理节点范围内的连接，形成AC链，AC链内的链路权重为0；步骤2.2、对所有物理节点的虚拟节点集合都执行所述步骤2.1操作，得到每个物理节点的虚拟节点集合中的AC链，以及AC链中相应的VNF最高索引；对于不同物理节点中的虚拟节点集合中的虚拟节点，根据各自AC链中的VNF最高索引，按照底层有向非全连接拓扑的连接关系，若两相邻节点n
i
和n
j
之间存在有向连接n
i
→
n
j
，判断节点n
i
和n
j
的AC链最高VNF索引和是否满足条件：或若满足，则根据底层拓扑连接满足条件的两个最高索引对应的虚拟节点；若不满足，则根据寻找n
i
的AC链中满足条件的最高VNF索引根据底层拓扑连接满足条件的两个最高索引对应的虚拟节点；步骤2.3、根据物理拓扑对所有物理节点的虚拟节点集都执行所述步骤2.2操作，直至遍历所有物理节点，建立起初步的逻辑增广拓扑图G'
o
；
步骤2.4、对于所述步骤2.3操作得到的初步增广拓扑图G'
o
，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张雅静，许齐敏，陈彩莲，关新平，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：