CN113810939B - 一种用户无感的网络切片动态映射装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于网络切片技术领域，具体涉及一种用户无感的网络切片动态映射装置及方法，该装置包括切片需求分析单元、切片计算单元、切片调度单元、切片映射单元和切片监视单元；切片需求分析单元生成网络切片需求视图；切片计算单元能够计算不少于三种的切片映射方案；切片调度单元主动或被动地调度切片映射方案；切片映射单元根据所述切片调度单元提交的切片计算单元计算出的其中一种切片映射方案完成功能映射生成网络切片；切片监视单元实时监控用户业务需求变化情况、底层物理网络的节点、链路状况和切片映射情况，指导切片的动态映射。本发明在底层物理网络出现故障或用户需求发生变化时，保证切片的映射过程和调度过程用户无感，保证用户体验。

Description

一种用户无感的网络切片动态映射装置及方法

技术领域

本发明属于网络切片技术领域，具体涉及一种用户无感的网络切片动态映射装置及方法。

背景技术

网络切片技术在物理网络中虚拟出专有网络，按照业务对网络的具体需求灵活组织网络，形成为特定业务提供专属服务的网络，达到网络与业务的高度匹配，在5G网络等新型网络架构中得到了广泛的部署。然而，面对种类纷繁复杂、结构日益变化的新型网络，现有的网络切片映射机制已进入性能瓶颈阶段。

近年来，网络切片的映射问题引起了业界关注，如何保证网络切片映射的敏捷性、可靠性和运营成本，成为新型网络结构领域的研究热潮。但目前相关研究多聚焦于静态网络切片的映射方法，这种方式回避了预先定义的物理网络结构可能出现节点失效或链路拥塞的情况，与动态切片映射方法相比业务与资源的匹配粒度较为粗放。实际上，这些静态的切片映射方法没有考虑实际的网络状态变化，仅仅根据设计切片时的网络状态进行判断，难以处理异质的网络并有效实现多类别信息融合，容易造成用户体验下降。

发明内容

针对传统网络和新型网络中可能实时出现的底层物理网络结构和用户需求变化情况，本发明提出了一种用户无感的网络切片动态映射装置及方法，结合网络功能虚拟化和软件定义网络的思想，该发明支持新型网络中针对不同通信需求的网络切片动态映射，支持网络切片调度，切片与物理网络的映射关系和调度过程用户无感，保证用户体验。

为解决上述技术问题，本发明采用以下的技术方案：

本发明提供了一种用户无感的网络切片动态映射装置，该装置设置在网络切片所在虚拟网络层与底层物理网络之间，具体包括切片需求分析单元、切片计算单元、切片调度单元、切片映射单元和切片监视单元；

所述切片需求分析单元，接收用户对于网络节点资源和链路资源的需求，生成网络切片需求视图；

所述切片计算单元，根据不同的用户业务需求和底层物理网络的承载能力，计算虚拟网络切片拓扑和物理网络拓扑的匹配关系，能够计算不少于三种的切片映射方案；

所述切片调度单元，主动或被动地调度切片映射方案，在用户业务需求或底层物理网络的结构发生变化时，实现网络功能迁移与流量路径调整；

所述切片映射单元，根据所述切片调度单元提交的切片计算单元计算出的其中一种切片映射方案完成功能映射生成网络切片；

所述切片监视单元，实时监控用户业务需求变化情况、底层物理网络的节点、链路状况和切片映射情况，指导切片的动态映射。

进一步地，所述切片需求分析单元根据业务对传输带宽和处理能力的需求构建虚拟的切片拓扑，与虚拟的切片拓扑相对应的物理拓扑是将网络中各节点和链路的有效资源用图的形式进行描述。

进一步地，所述切片计算单元获取虚拟的切片拓扑和真实的物理拓扑后，以各映射方案之间拓扑交集最小为原则，为网络切片计算不少于三种的切片映射方案，所述切片映射方案需考虑切片服务性能和方案间的异构性。

进一步地，所述切片调度单元的任务模式分为切片被动调度模式和切片主动调度模式两种模式；所述切片被动调度模式适用于拓扑结构不经常发生改变的网络中，所述切片主动调度模式适用于拓扑结构经常发生改变的网络中。

进一步地，所述切片被动调度模式包括：当切片映射单元完成的某一方案映射关系中对应的节点发生故障，切片监视单元获取节点失效情况，并通知切片计算单元根据底层物理网络中剩余拓扑生成路径迁移代价较小的切片映射方案；或者，当切片映射单元完成的某一方案映射关系中对应的链路发生故障，切片监视单元获取链路失效情况，并通知切片计算单元根据底层物理网络中剩余拓扑生成路径迁移代价较小的切片映射方案；然后切片调度单元选择切片计算单元重新计算出的切片映射方案并提交给切片映射单元。

进一步地，所述切片主动调度模式包括：所述切片计算单元根据用户业务需求设计切片映射方案，形成了多种切片映射方案，多种切片映射方案之间除必要节点外，中继节点和链路的选取方案以交集最小为原则；在通信过程中，切片调度单元控制多种切片映射方案按照一定的概率每隔一段时间动态随机调度；

同时，所述切片监视单元对底层物理网络的节点、链路状况实时监控，如果某个切片映射方案对应的节点或链路发生故障，则通知切片调度单元该方案不再参与切片映射关系的调度，并通知切片计算单元根据底层物理网络中剩余拓扑生成与其它切片映射方案交集较小的新切片映射方案继续参与调度。

进一步地，所述切片监视单元包括：

当物理网络部分失效或切片映射失败时，切片监视单元及时反馈信息给切片计算单元和切片调度单元，计算新的切片映射方案；

当用户需求发生改变时，切片监视单元及时反馈信息给切片需求分析单元，生成新的网络切片需求视图，并指导切片计算单元、切片调度单元和切片映射单元按照新的网络切片需求视图进行网络切片的动态映射。

本发明还提供了一种用户无感的网络切片动态映射方法，包含以下步骤：

接收用户对于网络节点资源和链路资源的需求，生成网络切片需求视图；

根据不同的用户业务需求和底层物理网络的承载能力，计算虚拟网络切片拓扑和物理网络拓扑的匹配关系，能够计算不少于三种的切片映射方案；

主动或被动地调度切片映射方案，在用户业务需求或底层物理网络的结构发生变化时，实现网络功能迁移与流量路径调整；

根据切片调度单元提交的切片计算单元计算出的其中一种切片映射方案完成功能映射生成网络切片；

实时监控用户业务需求变化情况、底层物理网络的节点、链路状况和切片映射情况，指导切片的动态映射。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明首先获取用户对网络能力的需求，并基于避免切片对应的物理网络可能出现的结构变化对切片产生影响的考虑，计算适合用户需求的可能的切片映射方案；在形成多种可行的切片映射方案后，主动或被动地选择这些切片映射方案中的一种并实施映射生成网络切片。本发明在网络中引入网络切片的动态调度机制，用于在底层物理网络出现故障或用户需求发生变化时，保证切片的映射过程和调度过程用户无感，构建底层物理网络状态与业务需求之间的全维感知与实时适配，实现切片的快速迁移，保证上层用户的业务体验不受影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的用户无感的网络切片动态映射装置的结构示意图；

图2是本发明实施例的用户无感的网络切片动态映射装置与虚拟网络层、底层物理网络的连接示意图；

图3是本发明实施例的虚拟切片拓扑与实际物理网络拓扑对应关系示意图；

图4是本发明实施例的切片被动调度模式的原理图；

图5是本发明实施例的切片主动调度模式的原理图；

图6是本发明实施例的用户无感的网络切片动态映射方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

从宏观上看，本发明的总体设计是基于网络切片将物理网络与用户网络解耦的思想（如图2所示），在物理网络中实现用户需求对应的虚拟业务子网，且用户对底层网络故障无感，即物理网络中出现的变化不影响用户体验的满足，避免了可能存在的业务服务质量下降，并实现网络资源的高效分配。

本实施例的一种用户无感的网络切片动态映射装置，该装置设置在网络切片所在虚拟网络层与底层物理网络之间，如图1所示，具体包括切片需求分析单元、切片计算单元、切片调度单元、切片映射单元和切片监视单元5个模块。

所述切片需求分析单元，接收用户对于网络节点资源和链路资源的需求，生成网络切片需求视图。

具体的，如图3所示，切片需求分析单元根据业务对传输带宽和处理能力的需求构建虚拟的切片拓扑；与虚拟的切片拓扑相对应的物理拓扑是将网络中各节点和链路的有效资源用图的形式进行描述。

所述切片计算单元，根据不同的用户业务需求和底层物理网络的承载能力，定义网络切片的业务、功能、容量与连接关系，计算虚拟网络切片拓扑和物理网络拓扑的匹配关系，能够计算不少于三种的切片映射方案。

具体的，切片计算单元获取虚拟的切片拓扑和真实的物理拓扑后，以各映射方案之间拓扑交集最小为原则（在一种方案失效后保证其它方案的可行性），为网络切片计算不少于三种的切片映射方案，所述切片映射方案需综合考虑切片服务性能和方案间的异构性。

所述切片调度单元，针对网络拓扑的稳定情况，主动或被动地调度切片映射方案，在用户业务需求或底层物理网络的结构发生变化时，实现网络功能迁移与流量路径调整，支持虚拟资源与业务负载精确匹配。切片调度的目的是当用户需求或底层物理网络结构发生变化时，网络依然能够持续满足用户期望，且用户对切片映射和调度过程无感。

具体的，切片调度单元的任务模式分为切片被动调度模式和切片主动调度模式两种模式；所述切片被动调度模式适用于拓扑结构不经常发生改变的网络中，所述切片主动调度模式适用于拓扑结构经常发生改变的网络中。

在本实例中，所述切片被动调度模式具体包括：如图4所示，切片计算单元根据用户的通信需求计算切片映射方案，形成映射方案一，该方案能够以较小的通信代价支持用户通信需求。当切片映射单元完成的映射方案一映射关系中对应的节点（例如节点B）发生故障，切片监视单元获取节点失效情况，并通知切片计算单元根据底层物理网络中剩余拓扑生成路径迁移代价较小的切片映射方案，形成映射方案二，该方案在映射方案一的基础上路径迁移代价较小；同理，当切片映射单元完成映射方案二映射关系中对应的链路（例如链路GH）发生故障，切片监视单元获取链路失效情况，并通知切片计算单元根据底层物理网络中剩余拓扑生成路径迁移代价较小的切片映射方案，形成映射方案三，该方案在映射方案二的基础上路径迁移代价较小；然后切片调度单元选择切片计算单元重新计算出的切片映射方案并提交给切片映射单元。

在本实例中，在主动调度模式下，切片按照固定时间间隔主动调度。所述切片主动调度模式具体包括：如图5所示，所述切片计算单元根据用户的通信需求设计切片映射方案，形成了切片映射方案一、二、三，三种切片映射方案之间除必要节点外，中继节点和链路的选取方案以交集最小为原则。在通信过程中，切片调度单元控制三种切片映射方案按照一定的概率每隔一段时间动态随机调度；同时，所述切片监视单元对底层物理网络的节点、链路状况实时监控，如果某个切片映射方案对应的节点或链路发生故障，则通知切片调度单元该方案不再参与切片映射关系的调度，并通知切片计算单元根据底层物理网络中剩余拓扑生成与其它切片映射方案交集较小的新切片映射方案继续参与调度。

所述切片映射单元，根据所述切片调度单元提交的切片计算单元计算出的其中一种切片映射方案完成功能映射生成网络切片。

所述切片监视单元，实时监控用户业务需求变化情况、底层物理网络的节点、链路状况和切片映射情况，指导切片的动态映射。当物理网络部分失效或切片映射失败时，切片监视单元及时反馈信息给切片计算单元和切片调度单元，切片调度单元采用不受影响的映射方案，并且切片计算单元计算新的切片映射方案，保证可选的切片映射方案不少于3种；当用户需求发生改变时，切片监视单元及时反馈信息给切片需求分析单元，生成新的网络切片需求视图，并指导切片计算单元、切片调度单元和切片映射单元按照新的网络切片需求视图进行网络切片的动态映射。并根据实际映射结果更新物理网络中的信息，达到网络资源与用户需求的动态、高效、精确适配，且用户对切片映射和调度过程无感。

当用户控制器下发通信需求后，该装置结合用户需求和物理网络情况为用户进行切片计算并映射到底层网络，然后在底层网络结构出现资源拥挤或故障失效的时候，主动或被动地完成切片的重映射操作。整个过程用户仅需获取该装置根据需求生成专用虚拟网络切片，无需应对实际物理网络中复杂的资源和结构变化，不用知晓底层网络信息，且底层网络的变化不会对用户体验造成影响。

通过以上5个模块的***运行，本发明可以实现用户无感的网络切片动态映射，有效地提高网络切片的稳定性和高效性，便于网络管理者及时应对物理网络中的故障，保证网络切片对上层各业务的有效支撑。

与上述用户无感的网络切片动态映射装置相应地，本实施例还提供一种用户无感的网络切片动态映射方法，如图6所示，包含以下步骤：

步骤S61，接收用户对于网络节点资源和链路资源的需求，生成网络切片需求视图。

步骤S62，根据不同的用户业务需求和底层物理网络的承载能力，计算虚拟网络切片拓扑和物理网络拓扑的匹配关系，能够计算不少于三种的切片映射方案。

步骤S63，主动或被动地调度切片映射方案，在用户业务需求或底层物理网络的结构发生变化时，实现网络功能迁移与流量路径调整。

步骤S64，根据切片调度单元提交的切片计算单元计算出的其中一种切片映射方案完成功能映射生成网络切片。

步骤S65，实时监控用户业务需求变化情况、底层物理网络的节点、链路状况和切片映射情况，指导切片的动态映射。

本发明根据具体的通信需求从物理网络中虚拟出网络切片，用户只能看到通信需求中的通信主体，只需要对通信主体下达通信指令，而不需要知道实际的通信路径，实际的通信路径可以根据网络状态进行主动或被动的调度，以应对底层网络中节点和链路的失效情况。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储在计算机可读取的存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质中。

最后需要说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种用户无感的网络切片动态映射装置，其特征在于，该装置设置在网络切片所在虚拟网络层与底层物理网络之间，包括切片需求分析单元、切片计算单元、切片调度单元、切片映射单元和切片监视单元；

所述切片需求分析单元，接收用户对于网络节点资源和链路资源的需求，生成网络切片需求视图；具体包括：所述切片需求分析单元根据业务对传输带宽和处理能力的需求构建虚拟的切片拓扑，与虚拟的切片拓扑相对应的物理拓扑是将网络中各节点和链路的有效资源用图的形式进行描述；

所述切片计算单元，根据不同的用户业务需求和底层物理网络的承载能力，计算虚拟网络切片拓扑和物理网络拓扑的匹配关系，能够计算不少于三种的切片映射方案；具体包括：所述切片计算单元获取虚拟的切片拓扑和真实的物理拓扑后，以各映射方案之间拓扑交集最小为原则，为网络切片计算不少于三种的切片映射方案，所述切片映射方案需考虑切片服务性能和方案间的异构性；

所述切片调度单元，主动或被动地调度切片映射方案，在用户业务需求或底层物理网络的结构发生变化时，实现网络功能迁移与流量路径调整；具体包括：所述切片调度单元的任务模式分为切片被动调度模式和切片主动调度模式两种模式；所述切片被动调度模式适用于拓扑结构不经常发生改变的网络中，所述切片主动调度模式适用于拓扑结构经常发生改变的网络中；所述切片被动调度模式包括：当切片映射单元完成的某一方案映射关系中对应的节点发生故障，切片监视单元获取节点失效情况，并通知切片计算单元根据底层物理网络中剩余拓扑生成路径迁移代价较小的切片映射方案；或者，当切片映射单元完成的某一方案映射关系中对应的链路发生故障，切片监视单元获取链路失效情况，并通知切片计算单元根据底层物理网络中剩余拓扑生成路径迁移代价较小的切片映射方案；然后切片调度单元选择切片计算单元重新计算出的切片映射方案并提交给切片映射单元；所述切片主动调度模式包括：所述切片计算单元根据用户业务需求设计切片映射方案，形成了多种切片映射方案，多种切片映射方案之间除必要节点外，中继节点和链路的选取方案以交集最小为原则；在通信过程中，切片调度单元控制多种切片映射方案按照一定的概率每隔一段时间动态随机调度；同时，所述切片监视单元对底层物理网络的节点、链路状况实时监控，如果某个切片映射方案对应的节点或链路发生故障，则通知切片调度单元该方案不再参与切片映射关系的调度，并通知切片计算单元根据底层物理网络中剩余拓扑生成与其它切片映射方案交集较小的新切片映射方案继续参与调度；

所述切片映射单元，根据所述切片调度单元提交的切片计算单元计算出的其中一种切片映射方案完成功能映射生成网络切片；

所述切片监视单元，实时监控用户业务需求变化情况、底层物理网络的节点、链路状况和切片映射情况，指导切片的动态映射。

2.根据权利要求1所述的用户无感的网络切片动态映射装置，其特征在于，所述切片监视单元包括：

当物理网络部分失效或切片映射失败时，切片监视单元及时反馈信息给切片计算单元和切片调度单元，计算新的切片映射方案；

当用户需求发生改变时，切片监视单元及时反馈信息给切片需求分析单元，生成新的网络切片需求视图，并指导切片计算单元、切片调度单元和切片映射单元按照新的网络切片需求视图进行网络切片的动态映射。

3.一种用户无感的网络切片动态映射方法，其特征在于，包含以下步骤：

接收用户对于网络节点资源和链路资源的需求，生成网络切片需求视图；具体包括：切片需求分析单元根据业务对传输带宽和处理能力的需求构建虚拟的切片拓扑，与虚拟的切片拓扑相对应的物理拓扑是将网络中各节点和链路的有效资源用图的形式进行描述；

根据不同的用户业务需求和底层物理网络的承载能力，计算虚拟网络切片拓扑和物理网络拓扑的匹配关系，能够计算不少于三种的切片映射方案；具体包括：切片计算单元获取虚拟的切片拓扑和真实的物理拓扑后，以各映射方案之间拓扑交集最小为原则，为网络切片计算不少于三种的切片映射方案，切片映射方案需考虑切片服务性能和方案间的异构性；

主动或被动地调度切片映射方案，在用户业务需求或底层物理网络的结构发生变化时，实现网络功能迁移与流量路径调整；具体包括：切片调度单元的任务模式分为切片被动调度模式和切片主动调度模式两种模式；切片被动调度模式适用于拓扑结构不经常发生改变的网络中，切片主动调度模式适用于拓扑结构经常发生改变的网络中；切片被动调度模式包括：当切片映射单元完成的某一方案映射关系中对应的节点发生故障，切片监视单元获取节点失效情况，并通知切片计算单元根据底层物理网络中剩余拓扑生成路径迁移代价较小的切片映射方案；或者，当切片映射单元完成的某一方案映射关系中对应的链路发生故障，切片监视单元获取链路失效情况，并通知切片计算单元根据底层物理网络中剩余拓扑生成路径迁移代价较小的切片映射方案；然后切片调度单元选择切片计算单元重新计算出的切片映射方案并提交给切片映射单元；切片主动调度模式包括：切片计算单元根据用户业务需求设计切片映射方案，形成了多种切片映射方案，多种切片映射方案之间除必要节点外，中继节点和链路的选取方案以交集最小为原则；在通信过程中，切片调度单元控制多种切片映射方案按照一定的概率每隔一段时间动态随机调度；同时，切片监视单元对底层物理网络的节点、链路状况实时监控，如果某个切片映射方案对应的节点或链路发生故障，则通知切片调度单元该方案不再参与切片映射关系的调度，并通知切片计算单元根据底层物理网络中剩余拓扑生成与其它切片映射方案交集较小的新切片映射方案继续参与调度；

根据切片调度单元提交的切片计算单元计算出的其中一种切片映射方案完成功能映射生成网络切片；

实时监控用户业务需求变化情况、底层物理网络的节点、链路状况和切片映射情况，指导切片的动态映射。