CN108599994B - 一种基于流量聚类的sdn切片构造方法 - Google Patents

Abstract

本发明目的是通过统计并聚类所有网络流的服务质量需求，分别构造适合每类流量传输的网络切片，以更好地利用网络资源、保障网络服务质量；在每个切片更新周期T内，其主要步骤包括：收集用户的SLA(服务等级合约)与全网物理链路资源容量C与可用资源R；统计各流量需求的QoS特性，得到OD流量特性；对OD流量特性聚类，得到典型的QoS需求类别与规模；将每类QoS需求的流量装配到物理链路中，得到适合承载相应QoS类流量的网络切片，由SDN控制器下发切片信息至转发设备的切片维护表；当SDN转发设备收到客户的数据流时，根据QoS请求寻找适合传送的切片进行转发，同时监测切片内资源利用率与SLA违约等切片性能情况。

Description

一种基于流量聚类的SDN切片构造方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于流量聚类的SDN切片构造方法。

背景技术

随着互联网业务类型的不断丰富，网络应用所需的服务可靠性类别与日增多。保证服务质量(QoS,Quality of Service)要求各异的网络流进行可靠合约传输，尤其是端到端的可靠合约传输，是学术界和产业界持续关心的热点之一。这需要分析每项业务流的特性，在网络中定义良好的QoS机制。然而，传统网络提供的是尽力而为的服务，不能保证流量的可靠传输。以IntServ和DiffServ等为代表的QoS模式往往只考虑了带宽，资源预留存在盲目性，早期预留了资源的网络流容易阻塞后续网络流的资源请求。加之传统网络天然的分布式特点决定了不能全局调配网络资源，难精准满足不同业务的QoS需求或客户服务等级合约(SLA,Service-Level Agreement)。此外，传统网络中设备商协议支持不统一、运营商或国家对待网络业务的政策与利益不一致，也阻碍了网络QoS保障的推广。

软件定义网络(SDN)这种新兴的网络架构，为QoS保障提供了新思路和有利基础设施条件。它解耦了控制平面和转发平面，可集中编程管控全网拓扑与转发资源，用于动态优化流量和管理资源。此外，在下一代移动网络联盟(NGMN)提出的5G规划中，引入了网络切片(Network Slicing)概念，将网络按物理可承载资源特性划分为不同子网，各子网有独立的逻辑拓扑视图，由此不同的业务使用不同切片进行传输，保证端到端的传输性能。然而，目前有关网络切片的论文与论坛资料尚停留在切片的概念定义讨论与底层的技术实现细节，缺乏整体的切片构造方案与科学分析，因此，解决这一类的问题显得尤为重要。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于流量聚类的SDN切片构造方法，实时统计用户对不同服务质量类型的网络流需求，动态调整网络切片的设置，达到资源利用最优化，实现对网络切片的完善管理。

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于流量聚类的SDN切片构造方法，其特征在于，在每个切片更新周期T内，包括以下步骤：步骤一：登记每个接入网络终端用户的网络服务质量等级合约 (SLA)，该合约包含了接入带宽、最高时延、丢包率、抖动率等网络数据传输特征；

步骤二：统计SDN控制域中全网物理链路资源信息，得到物理资源容量矩阵C与物理剩余可用资源矩阵R；

步骤三：对SDN控制域中全网实时流量需求进行采集，得到全网OD 流量需求的QoS特性，汇总为OD流量集合Set；

步骤四：计算OD流量中的热点流量，将集合Set中的流量进行聚类，得到当前网络下的典型QoS需求类别与规模；

步骤五：利用自行设计的资源装配算法，对聚类得到的每类QoS需求，在物理链路中划分出最适合承载它们的网络切片，并由SDN控制器下发流表至转发设备的切片维护表，且承载每类QoS需求的切片可并行独立计算，不需等待都计算好再下发；

步骤六：SDN转发设备收到客户的数据流后，根据其QoS请求特性寻找适合传送的网络切片进行转发，同时监测切片内资源利用率与SLA 违约情况，可根据切片资源利用率、SLA违约率，决定是否重复步骤一到步骤六调整切片划分。

进一步改进在于：在步骤一中SDN控制域内的网络，所有转发设备节点与用户接入节点组成的网络记作图G＝(V,E)，其中节点数目是 |V|＝N，链路数目是|E|＝M。

进一步改进在于：步骤二中每条链路上可承载的QoS性能，以及每条链路的资源使用情况，由SDN网络的转发设备汇报至SDN控制器，全网物理可用资源记作性能矩阵C(h)：

其中，C(h)为第h维(1≤h≤l)物理链路可承载的QoS性能边界约束，具体而言可以是带宽(上界)、时延(下界)、帧长、丢包率等 QoS指标，且至少需带宽特征，一般还有时延特征。c_uv(h)亦可写作 c(h)<u,v>，是链路e<u,v>上的第h维QoS特性；同时将全网物理剩余可用资源记作R(h)，各元素意义与C(h)相同，初始时R(h)＝C(h)。

进一步改进在于：步骤三中采集全网OD流量需求集合Set的步骤为，先由接入网络的用户端向临近SDN转发设备发送QoS保障请求报文，并由转发设备通过安全的SDN控制器与转发设备间的南向链路提交SDN控制器，登记将要发起的数据流的QoS性能指标；SDN控制器检查客户端身份是否合法，以及QoS请求是否超过SLA合约。网络节点u到节点v的一条OD网络流被记作：

q<u,v>＝[q₁,q₂,…q_l],u,v∈V (2)

其中，节点u与v分别代表此流量的源节点与汇节点，q_h为本流量的第h个QoS指标。

在当前切片管理周期T内，网络控制器检测到的第m个网络流可记作q_m<u,v>，1≤m≤FS，并加入集合Set，其中FS为当前切片管理周期内统计到的网络流数目：

Set＝{q_m(u,v)|1≤m≤FS,u,v∈V} (3)

进一步改进在于：步骤四中可以选取不限定的、主流的聚类方法对 OD流量集合Set进行聚类，并确定聚类数K_opt。可选地，本发明可取 k-means对集合Set内向量进行聚类，同时采用间隔统计量(Gap Statistic)方法自动确定K_opt。聚类结果中，第k(1≤k≤K_opt)类流量子集记作Set^(k)，集合元素个数为FS_k，它的聚类质心反映了此类流量的典型QoS需求

与属性上下界

此外各类别流量，依照其出现频次降序排列。频次也能反映流量的规模，计算方式为：

于是，OD流量需求的中的第k类流量成分的性能为：

依每个QoS维度h记作矩阵OD^(k)(h)：

其中

e_h为仅第h元素为1，其余元素为0 的列向量。

进一步改进在于：步骤五中利用自行设计的资源装配算法，对聚类得到的每类QoS需求，找到最适合承载它的网络切片，具体方法为：

(1)依照公式(4)的降序排序依次处理每一类流量。对于聚类后的第k类流量OD^(k)，需要找到合适的资源分配方案，将流量映射至图 G的物理链路上，得到适合承载第k类流量切片的预分配方案，待步骤(2)再调整。在本发明中，资源分配的目标是确保切片QoS性能达到切片内流量承载需求的同时，尽量满足切片部署成本最低的目标，即如下最优化数学模型：

(a)目标函数：

其中f(u,v)为链路e<u,v>上单位带宽的费用；

为连续型决策变量：第i条流量在链路e<u,v>上的带宽使用量。

(b)约束条件：

从切片中任意目标流量依赖的每条链路来看，约束有：

从网络切片运作时，为保障端到端的性能来看，约束还有：

其中

属于Set^(k)，为OD流中第k类流量里的第i条流量，源于节点u，终于节点v；bw，d，ω和data分别为代表QoS性能之带宽、时延、丢失率和数据流字节长度的下标；α^(k)为对第k类流量的资源分配调节因子，可以由网络管理员结合各类流量所属切片负荷设定，进行资源分配的人工干预，默认为1，0<α^(k)≤1； V^(k)是V的子集，包含第k类OD流涉及的节点；

为第k类流量涉及的源、汇节点间两两建立通信连接的连接数；D^(k)<u,v>为第k流量的平均帧长经过链路e<u,v>传送时带来的时延；P_D(k)、P_BW(k)和P_ω(k)分别代表网络切片QoS性能中的时延、带宽与丢失率满足用户性能需求的概率下界，理想情况为1，由网络切片管理者设定，将存入切片维护表。让模型新增更多类型的QoS约束时，可以类比公式(10)～(12)，对于其它QoS指标写出合约概率约束。

(2)根据上述步骤(1)求解的最优化模型，得到了适合承载第 k类流量切片的初步方案：由

可得知各链路有无承载第k类流量，由此可得知这些链路构成的拓扑图

然而需要检查图

的连通性，即利用拉普拉斯矩阵特征值，计算连通分量个数：

图

的拉普拉斯矩阵L为：

矩阵的特征值是

L是半正定的，

λ_i≥0,λ₀＝0，拉普拉斯矩阵的特征值中0的数目是图的连通分量的个数：

如果A(k)＝1，那么图

即为适合承载第k类流量的切片拓扑；否则，

的每个连通分量形成一个切片，共有切片

其中，对于切片

边e<u,v>上的权值为

代表切片在这条链路上分配的带宽。

(3)SDN控制器将上述切片

1≤k≤K_opt。信息下发至SDN转发设备。具体而言，转发设备节点v的切片维护表 TS(v)为一个集合：

进一步改进在于：步骤六中在每个用户发起的流量请求后，转发层设备先判定流量的聚类类别，在相应网络切片中进行路由，同时监测切片内资源利用率与SLA违约情况，可灵活调整下一切片构造周期的切片构造。

本发明的有益效果是：

1、考虑了所有用户的QoS性能需求与链路的QoS承载能力，并且在构造切片时，先通过聚类得到了全网QoS需求的主要类别与需求量，算法中再分别对每一类QoS需求的流量规划合适的切片，而不是一次性考虑所有QoS需求，这样对于期望的每一个切片，其承载的流量性能相近，切片规划算法的时间复杂度更低，实现可能性更高；

2、根据算法构造出的网络切片，能有效保障切片内端到端的QoS特性；

3、切片的规模能直接与各类流量规模相关，通过监测各切片性能即可知网络的各类需求量，求解速度更快；

4、承载每一类QoS需求类型的切片是可以并行计算的，每个切片规划好就能由SDN控制器下发流表至转发设备，不需要等待所有切片都计算好再下发，使得切片构造等待时间缩短，技术的实用性更好。

附图说明

图1为本发明实施例适用的SDN网络架构示意图；

图2为本发明网络切片构造方法实施例的网络控制器的操作流程图；

图3为本发明网络切片构造方法实施例的网络转发设备的操作流程图；

图4为本发明步骤五中，对每一类流量寻找适合承载的切片时的算法流程图；

图5为本发明实施例涉及的用户接口、SDN控制器与SDN转发设备中具有的功能模块示意图；

图6为本发明实施例适用的一个通信交互实例。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

如图1所示，该网络中包括一个SDN控制器和若干个SDN转发设备，其中控制器拥有集中视角，能统一采集、控制SDN转发设备的网络与设备状态信息，转发设备负责接收控制器下发的流表执行数据的路由转发。其中不同的网络终端用户与SDN转发设备连接，各转发设备能通过SDN的安全的南向链路与SDN控制器保持通信，各转发设备之间存在网络链路连接，传递数据流。

附图5为本发明实施例要求用户侧接口、SDN控制器与SDN转发设备分别应具有的功能模块。用户侧接口应具有注册SLA、注册QoS 需求等功能；SDN控制器应具有拓扑资源管理、路由计算模块、流量特征分析、切片性能监测、切片资源管理、用户QoS注册等功能； SDN转发设备应具有流量特征分析、切片维护表等功能。

本发明所述的SDN切片构造方法工作时，依照下述步骤执行：

步骤一：登记每个接入网络终端用户的网络服务等级合约(SLA)。这由网络用户向临近的SDN转发设备发送SLA注册请求实现，转发设备将SLA注册请求通过安全的南向链路发送给SDN控制器，控制器的QoS注册功能模块检查用户身份与请求合法性，登记该SLA。合约包含了接入带宽、最高时延、丢包率、抖动率等网络数据传输特征，只在需要更新时注册一次；

步骤二：统计SDN控制域中全网物理链路资源信息，得到物理资源容量矩阵C与物理剩余可用资源矩阵R。每条链路上可承载的QoS 性能边界与剩余QoS性能，由SDN网络的转发设备汇报至SDN控制器；

步骤三：对SDN控制域中全网实时流量需求进行采集，得到全网OD 流量需求的QoS特性，汇总为OD流量集合Set。先由接入网络的用户端向临近SDN转发设备发送QoS保障请求报文，并由转发设备通过安全的南向链路提交SDN控制器，登记将要发起的数据流的QoS 性能指标；SDN控制器检查客户端身份是否合法，以及QoS请求是否超过SLA合约；

步骤四：计算OD流量中的热点流量，将集合Set中的流量进行聚类，得到当前网络下的典型QoS需求类别与规模；

步骤五，利用自行设计的资源装配算法，对聚类得到的每类QoS需求，在物理链路中划分出最适合承载它们的网络切片，并由SDN控制器下发流表至转发设备的切片维护表。且承载每类QoS需求的切片可并行独立计算，不需等待都计算好再下发；

步骤六，SDN转发设备收到客户的数据流后，根据其QoS请求特性寻找适合传送的网络切片进行转发，同时监测切片内资源利用率与 SLA违约情况。可根据切片资源利用率、SLA违约率，决定是否重复S1-S6调整切片划分。

其中所述步骤一中SDN控制域内的网络，所有转发设备节点与用户接入节点组成的网络记作图G＝(V,E)，其中节点数目是|V|＝N，链路数目是|E|＝M。

其中所述步骤二中每条链路上可承载的QoS性能，以及每条链路的资源使用情况，由SDN网络的转发设备汇报至SDN控制器，全网物理可用资源记作性能矩阵C(h)：

其中，C^(h)为第h维(1≤h≤l)物理链路可承载的QoS性能边界约束，具体而言可以是带宽(上界)、时延(下界)、帧长、丢包率等 QoS指标，且至少需带宽特征，一般还有时延特征。c_uv(h)是链路e<u,v> 上的第h维QoS特性；

同时将全网物理剩余可用资源记作R(h)，各元素意义与C(h)相同，初始时R(h)＝C(h)。

其中所述步骤三采集全网OD流量需求集合Set的步骤为，先由接入网络的用户端向临近SDN转发设备发送QoS保障请求报文，并由转发设备通过安全的SDN控制器与转发设备间的南向链路提交SDN控制器，登记将要发起的数据流的QoS性能指标；SDN控制器检查客户端身份是否合法，以及QoS请求是否超过SLA合约。网络节点u 到节点v的一条OD网络流被记作：

q<u,v>＝[q₁,q₂,…q_l],u,v∈V (2)

其中，节点u与v分别代表此流量的源节点与汇节点，q_h为本流量的第h个QoS指标。

在当前切片管理周期T内，网络控制器检测到的第m个网络流可记作q_m<u,v>，1≤m≤FS，并加入集合Set，其中FS为当前切片管理周期内统计到的网络流数目：

Set＝{q_m(u,v)|1≤m≤FS,u,v∈V} (3)

其中所述步骤四可以选取不限定的、主流的聚类方法对OD流量进行聚类，这里选取k-means对集合Set内向量进行聚类，同时采用gap 统计量自动确定聚类数K_opt。聚类结果中，第k(1≤k≤K_opt)类流量子集记作Set^(k)，集合元素个数为FS_k，它的聚类质心反映了此类流量的典型QoS需求

与属性上下界

此外各类别流量，依照其出现频次降序排列。频次也能反映流量的规模，计算方式为：

于是，OD流量需求的中的第k类流量成分的性能为：

依每个QoS维度h记作矩阵OD^(k)(h)：

其中

e_h为仅第h元素为1，其余元素为0 的列向量。

其中所述步骤五利用自行设计的资源装配算法，对聚类得到的每类 QoS需求，找到最适合承载它的网络切片，具体方法为：

(1)依照公式(4)的降序排序依次处理每一类流量。对于聚类后的第k类流量OD^(k)，需要找到合适的资源分配方案，将流量映射至图 G的物理链路上，得到适合承载第k类流量切片的预分配方案，待步骤(2)再调整。在本发明中，资源分配的目标是确保切片QoS性能达到切片内流量承载需求的同时，尽量满足切片部署成本最低的目标，即如下最优化数学模型：

(a)目标函数：

其中f(u,v)为链路e<u,v>上单位带宽的费用，

为连续型决策变量：第i条流量在链路e<u,v>上的带宽使用量。

(b)约束条件：

从切片中任意目标流量依赖的每条链路来看，约束有：

从网络切片运作时，为保障端到端的性能来看，约束还有：

其中

属于Set^(k)，为OD流中第k类流量里的第i条流量，源于节点u，终于节点v；bw，d，ω和data分别为代表QoS性能之带宽、时延、丢失率和数据流字节长度的下标；α^(k)为对第k类流量的资源分配调节因子，可以由网络管理员结合各类流量所属切片负荷设定，进行资源分配的人工干预，默认为1，0<α^(k)≤1； V^(k)是V的子集，包含第k类OD流涉及的节点；

为第k类流量涉及的源、汇节点间两两建立通信连接的连接数；D^(k)<u,v>为第k流量的平均帧长经过链路e<u,v>传送时带来的时延；P_D(k)、P_BW(k)和P_ω(k)分别代表网络切片QoS性能中的时延、带宽与丢失率满足用户性能需求的概率下界，理想情况为1，由网络切片管理者设定，将存入切片维护表。让模型新增更多类型的QoS约束时，可以类比公式(10)～(12)，对于其它QoS指标写出合约概率约束。

(2)根据上述步骤(1)求解的最优化模型，得到了适合承载第 k类流量切片的初步方案：由

可得知各链路有无承载第k类流量，由此可得知这些链路构成的拓扑图

然而需要检查图

的连通性，即利用拉普拉斯矩阵特征值，计算连通分量个数：

图

的拉普拉斯矩阵L为：

矩阵的特征值是

L是半正定的，

λ_i≥0,λ₀＝0，拉普拉斯矩阵的特征值中0的数目是图的连通分量的个数：

如果A(k)＝1，那么图

即为适合承载第k类流量的切片拓扑；否则，

的每个连通分量形成一个切片，共有切片

其中，对于切片

边e<u,v>上的权值为

代表切片在这条链路上分配的带宽。

(3)SDN控制器将上述切片

1≤k≤K_opt。信息下发至SDN转发设备。具体而言，转发设备节点v的切片维护表 TS(v)为一个集合：

上述方法步骤(1)～(3)整理为流程图，如附图2所示。

其中所述步骤六在每个用户发起的流量请求后，转发层设备先判定流量的聚类类别，判断切片归属，在网络流数据包中相应字段标识切片，并在相应网络切片中进行路由，同时监测切片内资源利用率与SLA 违约情况。

其中所述步骤六在每个用户发起的流量请求后，转发层设备先判定流量的聚类类别，在相应网络切片中进行路由，同时监测切片内资源利用率与SLA违约情况，可灵活调整下一切片构造周期的切片构造。

其中，对于特定的第g个切片，所述资源利用率η(g)为切片内各链路已用带宽与总带宽之比例；

SLA违约率φ(g)为切片内抽样的网络流性能没有达到其请求 QoS性能的数目占比；

具体应用时，可针对η(g)与φ(g)灵活调整切片。本实施例举出一个可行的方案，但不作为对本发明的限定：

当φ(g)大于某个阈值，说明本切片负荷较重且违约较高，找出此切片支持的流量类别k，应在下一个切片构造周期中增大公式(9)中的α^(k)；

当φ(g)小于某个阈值，且η(g)大于某个阈值时，说明此切片运作良好，找出此切片支持的流量类别k，可以保持α^(k)；

当φ(g)小于某个阈值，且η(g)也小于某个阈值时，说明此切片处于轻载情况，如果其余切片负载过重，可以减小α^(k)。

其中，前述步骤一至步骤六进行时，网络用户、SDN控制器、 SDN转发设备之间的通信过程如附图6所示。

Claims (6)

1.一种基于流量聚类的SDN切片构造方法，其特征在于，在每个切片更新周期T内，包括以下步骤：

步骤一：登记每个接入网络终端用户的网络服务等级合约(SLA)，该合约包含了接入带宽、最高时延、丢包率、抖动率网络数据传输特征；

步骤二：统计SDN控制域中全网物理链路资源信息，得到物理资源容量矩阵C与物理剩余可用资源矩阵R；

步骤三：对SDN控制域中全网实时流量需求进行采集，得到全网OD流量需求的QoS特性，汇总为OD流量集合Set；

步骤四：计算OD流量中的热点流量，将集合Set中的流量进行聚类，得到当前网络下的典型QoS需求类别与规模；

步骤五：利用自行设计的资源装配算法，对聚类得到的每类QoS需求，在物理链路中划分出最适合承载它们的网络切片，并由SDN控制器下发流表至转发设备的切片维护表，且承载每类QoS需求的切片可并行独立计算；

步骤六：SDN转发设备收到客户的数据流后，根据其QoS请求特性寻找适合传送的网络切片进行转发，同时监测切片内资源利用率与SLA违约情况，可根据切片资源利用率、SLA违约率，决定是否重复步骤一到步骤六调整切片划分。

2.如权利要求1所述的一种基于流量聚类的SDN切片构造方法，其特征在于：在步骤二中每条链路上可承载的QoS性能，以及每条链路的资源使用情况，由SDN网络的转发设备汇报至SDN控制器。

3.如权利要求1所述的一种基于流量聚类的SDN切片构造方法，其特征在于：在步骤三中采集全网OD流量集合Set的步骤为，先由接入网络的用户端向临近SDN转发设备发送QoS保障请求报文，并由转发设备通过安全的SDN控制器与转发设备间的南向链路提交SDN控制器，登记将要发起的数据流的QoS性能指标，SDN控制器检查客户端身份是否合法，以及QoS请求是否超过SLA合约。

4.如权利要求1所述的一种基于流量聚类的SDN切片构造方法，其特征在于：在步骤四中选取不限定的、主流的聚类方法对OD流量集合Set进行聚类，并确定好聚类数K_opt，聚类结果中，第k(1≤k≤K_opt)类流量子集记作Set^(k)，集合元素个数为FS_k，聚类质心反映了此类流量的典型QoS需求与属性上下界，各类别流量依照其出现频次降序排列。

5.如权利要求1所述的一种基于流量聚类的SDN切片构造方法，其特征在于：在步骤五中利用自行设计的资源装配算法，在SDN控制器中对聚类得到的每类QoS需求，计算出最适合承载它的网络切片，并将切片信息下发至SDN转发设备，存储在切片维护表中。

6.如权利要求1所述的一种基于流量聚类的SDN切片构造方法，其特征在于：在步骤六中每个用户发起流量请求后，转发层设备先判定流量的聚类类别，在相应网络切片中进行路由，同时监测切片内资源利用率与SLA违约情况，来灵活调整下一切片构造周期的切片构造。

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