CN108616425B - 一种服务功能链级联失效风险的缓解方法 - Google Patents

一种服务功能链级联失效风险的缓解方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种服务功能链级联失效风险的缓解方法。给出了一种评估NFV中服务功能链级联故障风险问题的方法，通过该评估方法可有效探测出NFV的网络拓扑中存在的失效隐患，并给出了减少级联故障的影响的部署方案，帮助NFV的网络部署，使网络拓扑部署更加合理，显著提升NFV网络的健壮性，有效降低级联故障对服务链的影响，提高了NFV的整体性能。

Description

一种服务功能链级联失效风险的缓解方法
技术领域
本发明涉及网络功能虚拟化技术领域，具体涉及一种服务功能链级联失效风险的缓解方法。
背景技术
网络功能虚拟化(NFV)的中心思想就是把电信级设备从目前的专用平台迁移到通用的X86COTS服务器上，在通用的服务器上实现网络功能，实现了底层硬件和软件功能的解耦合。颠覆了特定硬件设备对网络的限制，网络运营商可以实现更高的灵活性，并加速新服务的部署，同时降低网络建设成本和维护成本，便于后期维护、管理、整合和升级改造。NFV通过软件虚拟化技术支持虚拟网络功能(VNF)的实例化，并在通用硬件设备上整合、运行、维护和管理。
服务功能链(ServiceFunctionChain，SFC)是一组有顺序的虚拟网络功能的集合，业务流量遵循特定的处理策略依次经过若干个VNF。其中VNF是在通用设备上用软件实现的网络功能，能够对接收到的数据流量进行存储、监查或者是依照一些特定的策略进行处理的逻辑组件，常见的虚拟网络功能有防火墙、服务器负载均衡器、路由器、代理服务器、深度包检测、网络地址转换、内容分发网络和入侵检测等。在NFV的背景下，网络运营商或企业在云中使用SFC，并将SFC中的VNF部署在通用服务器上，以实现最大的利润和最低的成本。通过NFV管理编排，网络用户可以灵活定义业务流的源目端节点、所需要的网络功能、处理顺序以及处理策略。
随着信息技术的不断发展，网络与网络之间的相互依赖关系越来越强，级联故障常常出现在“网络的网络”中，如交通－电力网络、电力－计算机网络等。倘若某个网络的链路或者节点出现故障或者受到攻击，这种故障现象会通过节点之间的连接关系传递到其他的节点和链路中，导致整个网络出现更大的故障。由于NFV采用虚拟化技术，每个VNF只是相对独立的专用功能，而对于业务请求来说，一条服务功能链是由一个或者多个VNF和物理链路依次串连而成，多个业务请求还能共同使用一个VNF，当一个VNF或者服务器发生故障时，NFV环境中发生级联故障的概率很大，给NFV可靠性带来了极大的挑战。
级联故障的现象说明在同一个服务功能链上的虚拟网络功能发生故障，故障沿着该服务功能链向上游的虚拟网络功能扩散；此外，由于不同的服务功能链会共同使用同一个虚拟网络功能，则某个服务功能链上的故障可能会扩散到共享使用的虚拟网络功能处，其他服务功能链的虚拟网络功能也必将会受到影响。最终共享关系将故障扩散的范围扩大到整个NFV环境中，导致越来越多的虚拟网络功能发生故障，甚至导致大面积的服务功能链失效。
目前关于网络功能虚拟化级联故障的研究较少，且没有从NFV的特性出发去研究如何减少服务功能链级联故障影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种服务功能链级联失效风险的缓解方法，解决如何减少服务功能链级联故障影响的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种服务功能链级联失效的缓解方法，包括以下步骤：
S1、初始化当前温度T、最小温度Tmin和温度下降因子β；
S2、通过随机部署算法得到初始部署方案S；
S3、将部署方案S中的一个VNF所在节点换成其他节点，形成新的部署方案S＇；
S4、通过评估算法求得加入部署方案S后的MFV值为E(S)，并通过评估算法求得加入部署方案S＇后的MFV值为E(S＇)；
S5、当E(S)＞E(S＇)时，进入步骤S6，否则进入步骤S7；
S6、当exp((E(S)-E(S'))/T)＞Random(0，1)时，进入步骤S7，否则直接结束；
S7、更新部署方案S为部署方案S＇，并更新T为T×β；
S8、当T＞Tmin时，返回步骤S3，否则进入步骤S9；
S9、输出部署方案S。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述步骤S2中随机部署算法的具体步骤为：
S21、从部署好的VNFi的节点集合Seti中随机选择一个节点m，且Km≤K；
其中Km为节点m上的VNF已服务了业务请求的个数；K为VNF共享次数约束，即VNF最多可为K个业务请求提供服务；
S22、依次求解相邻两节点之间的满足宽带需求B的最短路径，构成部署方案S。
进一步，所述步骤S4中评估算法的具体步骤为：
S41、定义VNF的集合为V＝{v1,v2……vn}，集合C为集合V的子集族，初始化参数C，遍历集合V中的每个节点v；
S42、通过级联故障算法求解VNF发生故障时发生级联故障的节点，并将发生级联故障的节点加入到集合SV中，再将集合SV加入到子集族C中；
S43、通过贪婪集合覆盖算法得到最小集合覆盖数。
进一步，所述步骤S42中级联故障算法的具体步骤为：
S421、初始化参数Sx，Sx为节点x上的VNF发生故障后引起的故障VNF的集合，将节点x加入到集合Sx中，并遍历集合V中每个节点v；
S422、当集合Sx包含了节点v，进入步骤S424，否则进入步骤S423；
S423、通过迪杰斯特拉算法求解节点v到x的最短路径，并将路径经过的节点加入到集合Sx中；
S424、遍历下一个节点；
S425、遍历完成后，输出集合Sx。
进一步，所述步骤S43中贪婪集合覆盖算法的具体步骤为：
S431、初始化参数Temp和A，Temp为未被覆盖的元素构成的集合，A为用于覆盖集合V中元素的集合；
S432、选择出能覆盖最多尚未被覆盖元素的集合，从集合Temp中删去该集合中的所有元素，并将该集合计入到集合A中，直到Temp为空，得到最小集合覆盖数。
本发明的有益效果是：在本发明中，给出了一种评估NFV中服务功能链级联故障风险问题的方法，通过该评估方法可有效探测出NFV的网络拓扑中存在的失效隐患，并给出了减少级联故障的影响的部署方案，帮助NFV的网络部署，使网络拓扑部署更加合理，显著提升NFV网络的健壮性，有效降低级联故障对服务链的影响，提高了NFV的整体性能。
附图说明
图1为本发明总流程图；
图2为本发明步骤S2的流程图；
图3为本发明步骤S4的流程图；
图4为本发明步骤S42的流程图；
图5为本发明步骤S43的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，一种服务功能链级联失效的缓解方法，包括以下步骤：
S1、初始化当前温度T、最小温度Tmin和温度下降因子β；
S2、通过随机部署算法得到初始部署方案S；
S3、将部署方案S中的一个VNF所在节点换成其他节点，形成新的部署方案S＇；
S4、通过评估算法求得加入部署方案S后的MFV值为E(S)，并通过评估算法求得加入部署方案S＇后的MFV值为E(S＇)；
S5、当E(S)＞E(S＇)时，进入步骤S6，否则进入步骤S7；
S6、当exp((E(S)-E(S'))/T)＞Random(0，1)时，进入步骤S7，否则直接结束，Random(0，1)为0和1之间的随机数值；
S7、更新部署方案S为部署方案S＇，并更新T为T×β；
S8、当T＞Tmin时，返回步骤S3，否则进入步骤S9；
S9、输出部署方案S。
如图2所示，步骤S2中随机部署算法的具体步骤为：
S21、从部署好的VNFi的节点集合Seti中随机选择一个节点m，且Km≤K；
其中Km为节点m上的VNF已服务了业务请求的个数；K为VNF共享次数约束，即VNF最多可为K个业务请求提供服务；
S22、依次求解相邻两节点之间的满足宽带需求B的最短路径，构成部署方案S。
如图3所示，步骤S4中评估算法的具体步骤为：
S41、定义VNF的集合为V＝{v1,v2……vn}，集合C为集合V的子集族，初始化参数C，子集族C能覆盖集合V，也就是说V中每个元素最少属于C的一个子集，V＝∪S∈AS，对于C中的一个子集
Figure BDA0001645247650000051
若A中的子集覆盖了V，即V＝∪S∈AS，则称A覆盖了V，遍历集合V中的每个节点v；
S42、通过级联故障算法求解VNF发生故障时发生级联故障的节点，并将发生级联故障的节点加入到集合SV中，再将集合SV加入到子集族C中；
S43、通过贪婪集合覆盖算法得到最小集合覆盖数。
如图4所示，步骤S42中级联故障算法的具体步骤为：
S421、初始化参数Sx，Sx为节点x上的VNF发生故障后引起的故障VNF的集合，将节点x加入到集合Sx中，并遍历集合V中每个节点v；
S422、当集合Sx包含了节点v，进入步骤S424，否则进入步骤S423；
S423、通过迪杰斯特拉算法求解节点v到x的最短路径，并将路径经过的节点加入到集合Sx中；
S424、遍历下一个节点；
S425、遍历完成后，输出集合Sx。
如图5所示，步骤S43中贪婪集合覆盖算法的具体步骤为：
S431、初始化参数Temp和A，Temp为未被覆盖的元素构成的集合，A为用于覆盖集合V中元素的集合；
S432、选择出能覆盖最多尚未被覆盖元素的集合，从集合Temp中删去该集合中的所有元素，并将该集合计入到集合A中，直到Temp为空，得到最小集合覆盖数。
在多条已部署好的SFC组成的NFV环境中，每个VNF出现故障都会使多个VNF发生级联故障，多个VNF发生故障就能使所有的VNF都发生级联故障。评估级联故障的影响的标准就是评估使所有VNF都发生级联故障的最小VNF故障数目。将所有VNF都发生故障的最小VNF故障数目定义为MFV，还将单个VNF故障能引起的最多VNF故障数目定义为SMFV，SMFV越小，则MFV越大，那么说明级联故障在NFV环境中的影响越小；SMFV越大，则MFV越小，那么说明级联故障在NFV环境中的影响越大。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种服务功能链级联失效的缓解方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、初始化当前温度T、最小温度Tmin和温度下降因子β；
S2、通过随机部署算法得到初始部署方案S；
S3、将部署方案S中的一个VNF所在节点换成其他节点，形成新的部署方案S'；
S4、通过评估算法求得加入部署方案S后的MFV值为E(S)，并通过评估算法求得加入部署方案S'后的MFV值为E(S')；
S5、当E(S)>E(S')时，进入步骤S6，否则进入步骤S7；
S6、当Exp((E(S)-E(S'))/T)>Random(0,1)时，进入步骤S7，否则直接结束；
S7、更新部署方案S为部署方案S'，并更新T为T×β；
S8、当T>Tmin时，返回步骤S3，否则进入步骤S9；
S9、输出部署方案S；
Exp表示以自然常数e为底的指数函数，VNF表示虚拟网络功能单元，MFV表示引起所有VNF都发生故障的最小VNF故障数目；
所述步骤S2中随机部署算法的具体步骤为：
S21、从部署好的VNFi的节点集合Seti中随机选择一个节点m，且Km≤K；
其中Km为节点m上的VNF已服务了业务请求的个数；K为VNF共享次数约束，即VNF最多可为K个业务请求提供服务；
其中下标i为VNF或节点集合的序数，i∈F,F表示业务请求所需VNF的顺序列表；
S22、依次求解相邻两节点之间的满足宽带需求B的最短路径，构成部署方案S；
所述步骤S4中评估算法的具体步骤为：
S41、定义VNF的集合为V＝{v1,v2……vn}，集合C为集合V的子集族，初始化子集族C，遍历集合V中的每个节点v；
S42、通过级联故障算法求解VNF发生故障时发生级联故障的节点，并将发生级联故障的节点加入到集合Sx中，再将集合Sx加入到子集族C中；
S43、通过贪婪集合覆盖算法得到最小集合覆盖数；
所述步骤S42中级联故障算法的具体步骤为：
S421、初始化集合Sx，Sx为节点x上的VNF发生故障后引起的故障VNF的集合，将节点x加入到集合Sx中，并遍历集合V中每个节点v；
S422、当集合Sx包含了节点v，进入步骤S424，否则进入步骤S423；
S423、通过迪杰斯特拉算法求解节点v到x的最短路径，并将路径经过的节点加入到集合Sx中；
S424、遍历下一个节点；
S425、遍历完成后，输出集合Sx；
所述步骤S43中贪婪集合覆盖算法的具体步骤为：
S431、初始化集合Temp和A，Temp为未被覆盖的元素构成的集合，A为用于覆盖集合V中元素的集合；
S432、从子集族C中选择出能覆盖最多尚未被覆盖元素的集合，从集合Temp中删去该集合中的所有元素，并将该集合计入到集合A中，直到Temp为空，得到最小集合覆盖数。
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