CN114258074A - 一种基于耦合带宽分配并具有时延QoS保障的VNF部署方法 - Google Patents

一种基于耦合带宽分配并具有时延QoS保障的VNF部署方法 Download PDF

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CN114258074A
CN114258074A CN202111619629.0A CN202111619629A CN114258074A CN 114258074 A CN114258074 A CN 114258074A CN 202111619629 A CN202111619629 A CN 202111619629A CN 114258074 A CN114258074 A CN 114258074A
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Abstract

本发明属于网络功能虚拟化技术领域，具体涉及一种基于耦合带宽分配并具有时延QoS保障的VNF部署方法；对物理网络进行抽象，获取待部署的SFC，基于排队论和大偏差理论，针对到达流量的特性进行资源预分配；将物理节点按剩余CPU资源大小降序排序，根据预分配的CPU资源和带宽资源分别筛选候选物理节点和候选物理链路，基于鞅论，估计新流量与候选链路现有流量耦合后的耦合带宽，求解候选链路的耦合带宽增量；求解满足时延QoS和资源最小占用率的联合优化问题，得出最优的部署方案；本方法能够根据业务请求的数据包到达特性进行资源分配，实现时延QoS保障的同时最小化资源占用率；此外，本方法还能够充分节省网络资源，以更小的消耗实现相同的SFC承载量。

Description

一种基于耦合带宽分配并具有时延QoS保障的VNF部署方法
技术领域
本发明属于网络功能虚拟化技术领域，具体涉及一种基于耦合带宽分配并具有时延QoS保障的VNF部署方法。
背景技术
随着近年来5G商用化进程逐渐加快，“低时延高可靠通信”、“大规模物联网”、“移动增强带宽”三大类应用领域逐步丰富，使得业务的种类和数量都急剧增加。为了给多样性的业务提供差异化的服务，服务提供者需要灵活地配置网络功能和网络资源，来满足业务的QoS(qualityof service，即服务质量)需求。NFV(network function virtualization，即网络功能虚拟化)和SDN(software defined network，即软件定义网络)技术的应用使5G网络实现了软件与硬件解耦、控制平面与数据平面解耦，显著增强了5G网络的灵活性，使5G网络定制化、可编程化。5G切片技术借助NFV和SDN，将网络中有限的物理资源切割、重组，形成资源池，供切片内的业务按需调用，形成逻辑上隔离的切片网络，降低了网络运营的成本的同时实现了资源的高效利用。
在5G切片网络中，各个业务请求由多个VNF(virtual network function，即虚拟网络功能)组成，形成一条虚拟链路，称之为SFC(service function chaining，即服务功能链)。不同需求的业务形成各不相同的SFC，网络控制器按照到达网络中的业务请求的SFC进行资源的分配，实现虚拟链路到物理链路上的映射，为业务中到达的数据包规划出一条合适的物理路径并划分其所需的网络资源，如CPU资源或带宽资源，这一过程称为VNF部署。如何通过VNF部署使得在满足业务需求的同时最大化收益或最小化消耗，一直是5G研究中重点关注的问题。
通过VNF部署，网络实现了资源的灵活分配和细粒度的控制。与此同时，5G网络对于时延的保障有着较高要求。现有的发明都是在物理设施这一层面实现时延的保障，建模单跳时延为资源占用率相关的函数，然后对多跳时延进行叠加。现有技术中关注了单跳时延与网络服务过程的关系，但业务的数据到达特性是传输过程中至关重要的一个因素。因此，在VNF部署中，如何针对不同到达特性的业务实现时延QoS保障是十分重要的问题。此外，切片内的资源被多个业务共同占用，如何处理多个业务之间的资源占用关系也是值得关注的问题。
发明内容
为了克服上述问题，本发明提供一种基于耦合带宽分配并具有时延QoS保障的VNF部署方法，能够根据业务请求的数据包到达特性进行资源分配，实现时延QoS保障的同时最小化资源占用率；此外，本方法还能够充分节省网络资源，以更小的消耗实现相同的SFC承载量。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于耦合带宽分配并具有时延QoS保障的VNF部署方法，包括以下步骤：
步骤一，对物理网络进行抽象，获取待部署的SFC，基于排队论和大偏差理论，针对到达流量的特性进行资源预分配；
步骤二，将物理节点按剩余CPU资源大小降序排序，根据预分配的CPU资源和带宽资源分别筛选候选物理节点和候选物理链路，具体为：
遍历物理网络中的物理节点，将其按照剩余CPU资源大小进行降序排序；
选取排序在前的剩余CPU资源大于VNF节点所需全部CPU资源大小并且属于服务器类型的物理节点作为候选节点；
按照SFC的顺序，依次选择两个作为相邻VNF节点的候选节点，若两个候选节点之间有直连物理链路且其带宽资源大于虚拟链路预分配的有效带宽资源大小，将该物理链路作为此虚拟链路的候选链路；
步骤三，基于鞅论，估计新流量与候选链路现有流量耦合后的耦合带宽，求解候选链路的耦合带宽增量；
步骤四，求解满足时延QoS和资源最小占用率的联合优化问题，得出最优的部署方案；具体为：
所述联合优化问题包括：优化问题的目标函数是最小化网络资源占用率：
Figure BDA0003437467400000021
其中：cij代表当前请求在物理链路(i，j)上的耦合带宽增量，
Figure BDA0003437467400000022
和
Figure BDA0003437467400000023
分别代表物理节点与虚拟节点之间匹配关系、物理链路与虚拟链路之间匹配关系的二元决策变量，
Figure BDA0003437467400000024
表示将VNF节点u部署到物理节点i上，
Figure BDA0003437467400000025
表示u未部署到i上，
Figure BDA0003437467400000026
表示将SFC虚拟链路(u，w)部署到物理链路(i，j)上，
Figure BDA0003437467400000027
表示(u，w)未部署到(i，j)上；每个物理节点i∈Ns上均具有CPU资源，其CPU资源容量为
Figure BDA0003437467400000028
，当前剩余CPU资源为
Figure BDA0003437467400000029
；每条物理链路(i，j)∈Es上均具有带宽资源，其带宽资源容量为
Figure BDA00034374674000000210
，当前剩余带宽资源大小为
Figure BDA00034374674000000211
；VNF节点u∈NV所需要的CPU资源大小表示为
Figure BDA00034374674000000212
；
所述优化问题的约束条件：
每个VNF节点必须部署且只能部署到一个物理节点上：
Figure BDA0003437467400000031
流量一致约束，确保作为部署方案的物理节点与物理链路匹配，如果选择了某一物理节点，那就必须得有和他相连的物理链路也被选定了，保证选定的物理节点的输入流量等于输出流量：
Figure BDA0003437467400000032
资源约束，约束部署物理节点的CPU资源消耗不超过当前物理节点的CPU资源容量：
Figure BDA0003437467400000033
资源约束，保证部署物理链路的带宽资源占用不超过最大容量：
Figure BDA0003437467400000034
获取当前负载信息，求解满足时延QoS和资源最小占用率的联合优化问题，即求解决策变量，得出最优的部署方案；
根据最优部署方案更新物理网络拓扑中的物理节点与物理链路资源，检验是否有资源溢出情况出现，如果出现资源溢出，则求解错误，重新对当前SFC进行求解，若无资源溢出，则对下一条SFC进行部署。
所述步骤一的内容具体为：
将物理网络拓扑抽象为：
将物理网络拓扑抽象为一个有向图Gs=(Ns,Es)，其中Ns表示包括交换机和服务器在内的所有物理节点的集合，Es表示拓扑中所有物理节点间相连接的链路的集合；
所述步骤一中将物理网络拓扑抽象为：
物理网络表示为一个有向图Gs＝(Ns，Es)，其中Ns表示包括交换机和服务器在内的所有物理节点的集合，Es表示拓扑中所有物理节点间相连接的物理链路的集合；
所述待部署的SFC表示为：
SFC划分为两层模型，第一层是实例层：SFC表示为有向图GV＝(NV，EV)，其中NV表示SFC中的VNF节点集合，EV表示连接VNF节点的所有虚拟链路的集合；第二层是数据包层：每个SFC都携带一个数据包流，每个实例层对应一个数据包流，该数据包流表示为e＝{ae(t)，Dmax，ε}，其中ae(t)表示数据包流e在时隙t到达VNF节点的数据包数量，Dmax和ε是描述数据包流时延要求的参量，在数据包流e中，时延De(t)需要满足P{De(t)≥Dmax}≤ε，同质业务具有相同的QoS需求；
其中针对到达VNF节点的数据包流的流量特性进行资源预分配为：
获取每条SFC中的VNF节点，针对其预设类型进行CPU资源预分配，按流服务型VNF节点在每条SFC中占用的CPU资源保持一致，按包服务型VNF节点在每条SFC中占用的CPU资源不同，进行随机分配；
根据SFC中的虚拟链路上到达VNF节点的数据包流的流量特性及其对于QoS的需求，通过有效带宽方法计算各虚拟链路上的有效带宽，进行带宽资源的预分配；
其中各虚拟链路上的有效带宽为：
在物理服务器的每个链路端口构建多入单出的排队***，当SFC携带的数据包流经过此端口时，待处理的数据会送入相应的排队***，并按照先到先服务原则进行服务；服务器i连接到服务器j端口处的排队***表示为Sij，服务速率表示为rij；
根据各数据包流的到达特性，计算数据包流的数据包到达各个VNF节点过程的矩生成函数M(θ)，数据包流的QoS需求表示为P{De(t)≥Dmax}≤ε，即时延De(t)大于Dmax的概率小于ε；
根据大偏差理论及李特尔定律，得常速率排队***的时延违反概率为
Figure BDA0003437467400000042
，其中λe是数据包流的平均到达速率，θ(θ≥0)为时延QoS的约束指数；
根据排队论及大偏差理论，计算在虚拟链路(u,w)上，为满足数据包流QoS需求分配的有效带宽为
Figure BDA0003437467400000041
其中θ*是数据包流的QoS需求在排队***的时延违反概率下的解，即
Figure BDA0003437467400000055
。
所述步骤三的内容具体为：
获取到达物理链路端口的多个数据流量的流量特性，并将其整合为一个耦合流量，耦合流量的统计时延QoS要求表示为P{D(t)≥Dmax}≤ε，即时延D(t)大于等于Dmax的概率小于等于ε；
计算排队***的时延违反概率为：
Figure BDA0003437467400000051
其中，a(t)和s(t)分别表示到达数据包的数量和服务数据包的数量的瞬时值，ha(a(t))是耦合流量到达物理链路端口过程的相关特性函数，E[ha(a(0))]表示耦合流量到达物理链路端口过程相关特性函数ha(a(t))在0时隙的期望值，hs(s(t))是物理链路端口对到达的耦合流量服务过程的相关特性函数，E[hs(s(0))]表示服务过程相关特性函数hs(s(t))在0时隙的期望值，H为阈值，表示ha(a(t))与hs(s(t))乘积的最小值，φ*是将到达鞅和服务鞅参数联系在一起的特殊鞅参量，与ha(a(t))一起描述到达过程的特征，Ks表示物理链路端口对到达的耦合流量服务过程的鞅修正参数，与hs(s(t))一起描述服务过程的特征，通过上式求解得
Figure BDA0003437467400000052
排队***Sij上k个流量的耦合带宽消耗表示为：
Figure BDA0003437467400000053
其中，
Figure BDA0003437467400000056
具体由排队***的服务过程分布确定；
所述求解候选链路的耦合带宽增量，具体为：
定义耦合带宽增量为加入当前SFC后的耦合流量带宽消耗减去原有负载带宽，故所述耦合带宽增量表示为：
Figure BDA0003437467400000054
其中，
Figure BDA0003437467400000057
表示在物理链路(i，j)上的第k个流的耦合带宽增量，
Figure BDA0003437467400000058
表示加入第k个流的总耦合流量带宽消耗，
Figure BDA0003437467400000059
表示加入k-1个流的总耦合流量带宽消耗。
本发明的有益效果：
本发明建立了具有QoS保障的服务功能链部署模型，该模型以最小化网络资源利用率为目标，共同解决了QoS保障和资源节约两个问题。本发明依据业务的流量到达特性科学合理的分配网络中有限的物理资源，有效地解决了业务的QoS保障问题；针对切片内同质业务进行耦合流量带宽估计，将每个请求的绝对带宽消耗转化为相对带宽消耗，实现了基于鞅论进行当前负载的耦合带宽分配，有效地降低了业务的带宽消耗，合理利用网络资源，提高网络承载能力。
附图说明
图1为可应用本发明的场景例子示意图；
图2为本发明中多入单出排队***示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
VNF(virtual network function，即虚拟网络功能，即各个虚拟节点)形成一条虚拟链路，称之为SFC(service function chaining，即服务功能链)；QoS(qualityofservice，即服务质量)。
一种基于耦合带宽分配并具有时延QoS保障的VNF部署方法，包括以下步骤：
步骤一，对物理网络进行抽象，获取待部署的SFC，基于排队论和大偏差理论，针对到达流量的特性进行资源预分配；具体为：
将物理网络拓扑抽象为：
将物理网络拓扑抽象为一个有向图Gs＝(Ns，Es)，其中Ns表示包括交换机和服务器在内的所有物理节点的集合，每个物理服务器能够承载多个VNF，而交换机节点仅具有转发功能，Es表示拓扑中所有物理节点间相连接的链路的集合；每个物理节点i∈Ns上均具有CPU资源，其CPU资源容量为
Figure BDA0003437467400000061
，当前剩余CPU资源为
Figure BDA0003437467400000062
；每条物理链路(i，j)∈Es上均具有带宽资源，其带宽资源容量为
Figure BDA0003437467400000063
，当前剩余带宽资源大小为
Figure BDA0003437467400000064
；
所述步骤一中将物理网络拓扑抽象为：
物理网络表示为一个有向图Gs＝(Ns，Es)，其中Ns表示包括交换机和服务器在内的所有物理节点的集合，每个物理服务器能够承载多个VNF，而交换机节点仅具有转发功能，Es表示拓扑中所有物理节点间相连接的链路的集合；每个物理节点i∈Ns上均具有CPU资源，其CPU资源容量为
Figure BDA0003437467400000071
，当前剩余CPU资源为
Figure BDA0003437467400000072
；每条物理链路(i，j)∈Es上均具有带宽资源，其带宽资源容量为
Figure BDA0003437467400000073
，当前剩余带宽资源大小为
Figure BDA0003437467400000074
；
所述待部署的SFC表示为：
SFC划分为两层模型，第一层是实例层：SFC表示为有向图GV＝(NV，EV)，其中NV表示SFC中的VNF节点集合，EV表示连接VNF节点的所有虚拟链路的集合；SFC中的VNF节点预设类型有两类，分别是按流服务型和按包服务型，二者的资源分配方式不同，VNF节点u∈NV所需要的CPU资源大小表示为
Figure BDA0003437467400000075
；虚拟链路(u，w)∈Ev所需要的带宽资源大小表示为
Figure BDA0003437467400000076
；
第二层是数据包层：每个SFC都携带一个数据包流，每个实例层对应一个数据包流，数据包在各时隙到达且每个时隙到达的数据包服从独立同分步；该数据包流表示为e＝{ae(t)，Dmax，ε}，其中ae(t)表示数据包流e在时隙t到达VNF节点的数据包数量，Dmax和ε是描述数据包流时延要求的参量，在数据包流e中，时延De(t)需要满足P{De(t)≥Dmax}≤ε，同质业务具有相同的QoS需求；
其中针对到达VNF节点的数据包流的流量特性进行资源预分配为：
获取每条VNF序列即每条SFC中的VNF节点，针对其预设类型进行CPU资源预分配，按流服务型VNF节点在每条SFC中占用的CPU资源保持一致，按包服务型VNF节点在每条SFC中占用的CPU资源不同，进行随机分配；
根据SFC中的虚拟链路上到达VNF节点的数据包流的流量特性及其对于服务质量(QoS)的需求，通过有效带宽方法计算各虚拟链路上的有效带宽，进行带宽资源的预分配；
其中各虚拟链路上的有效带宽为：
在物理服务器的每个链路端口构建多入单出的排队***，当SFC携带的数据包流经过此端口时，待处理的数据会送入相应的排队***，并按照先到先服务原则进行服务；服务器i连接到服务器j端口处的排队***表示为Sij，服务速率表示为rij；
根据各数据包流的到达特性，计算数据包流的数据包到达各个VNF节点过程的矩生成函数M(θ)，数据包流的QoS需求表示为P{De(t)≥Dmax}≤ε，即时延De(t)大于Dmax的概率小于ε；
根据大偏差理论及李特尔定律，得常速率排队***的时延违反概率为
Figure BDA0003437467400000081
其中λe是数据包流的平均到达速率，θ(θ≥0)为时延QoS的约束指数；
步骤二，将物理节点按剩余CPU资源大小降序排序，根据预分配的CPU资源和带宽资源分别筛选候选物理节点和候选物理链路，具体为：
遍历物理网络中的物理节点，将其按照剩余CPU资源大小进行降序排序；
选取排序在前的剩余CPU资源大于VNF节点所需全部CPU资源大小并且属于服务器类型的物理节点作为候选节点；
按照SFC的顺序，依次选择两个作为相邻VNF节点的候选节点，若两个候选节点之间有直连物理链路且其带宽资源大于虚拟链路预分配的有效带宽资源大小，将该物理链路作为此虚拟链路的候选链路；
步骤三，基于鞅论，估计新流量与候选链路现有流量耦合后的耦合带宽，求解候选链路的耦合带宽增量，具体为：
所述的耦合带宽为：所述方法考虑切片内同质业务共享切片内资源池的网络带宽资源；当同一物理链路上承载多个数据包流时，总的耦合带宽需求不等于流量的各自带宽需求的直接叠加，而是将多个流量的流量特性进行整合，成为一个耦合流量后，再根据耦合流量特性进行分配；所述带宽的增长不遵从线性关系，而与当前负载紧密相关，称为耦合带宽。
获取到达物理链路端口的多个数据流量的流量特性，并将其整合为一个耦合流量，耦合流量的统计时延QoS要求表示为P{D(t)≥Dmax}≤ε，即时延D(t)大于等于Dmax的概率小于等于ε；
A(t)表示耦合流量从时隙0到时隙t到达物理链路端口的数据包的数目，S(t)表示从时隙0到时隙t获得物理链路端口对其服务的数据包的数目；
计算排队***的时延违反概率为：
Figure BDA0003437467400000082
其中，a(t)和s(t)分别表示到达数据包的数量和服务数据包的数量的瞬时值，ha(a(t))是耦合流量到达物理链路端口过程的相关特性函数，E[ha(a(0))]表示耦合流量到达物理链路端口过程相关特性函数ha(a(t))在0时隙的期望值，hs(s(t))是物理链路端口对到达的耦合流量服务过程的相关特性函数，E[hs(s(0))]表示服务过程相关特性函数hs(s(t))在0时隙的期望值，H为阈值，表示ha(a(t))与hs(s(t))乘积的最小值，φ*是将到达鞅和服务鞅参数联系在一起的特殊鞅参量，与ha(a(t))一起描述到达过程的特征，Ks表示物理链路端口对到达的耦合流量服务过程的鞅修正参数，与hs(s(t))一起描述服务过程的特征，由上式求解得
Figure BDA0003437467400000091
排队***Sij上k个流量的耦合带宽消耗表示为：
Figure BDA0003437467400000092
其中，
Figure BDA0003437467400000093
具体由排队***的服务过程分布确定；
所述求解候选链路的耦合带宽增量，具体为：
定义耦合带宽增量为加入当前SFC后的耦合流量带宽消耗减去原有负载带宽，故所述耦合带宽增量表示为：
Figure BDA0003437467400000094
其中，
Figure BDA0003437467400000096
表示在物理链路(i，j)上的第k个流的耦合带宽增量，
Figure BDA0003437467400000097
表示加入第k个流的总耦合流量带宽消耗，
Figure BDA0003437467400000098
表示k-1个流的总耦合流量带宽消耗；
步骤四，求解满足时延QoS和资源最小占用率的联合优化问题，得出最优的部署方案；具体为：
所述联合优化问题包括：
所述优化问题的目标函数是最小化网络资源占用率：
Figure BDA0003437467400000095
其中：cij代表当前请求在物理链路(i，j)上的耦合带宽增量，
Figure BDA0003437467400000099
和
Figure BDA00034374674000000910
分别代表物理节点与虚拟节点之间匹配关系、物理链路与虚拟链路之间匹配关系的二元决策变量，
Figure BDA00034374674000000911
表示将VNF节点u部署到物理节点i上，
Figure BDA00034374674000000912
表示u未部署到i上，
Figure BDA00034374674000000913
表示将SFC虚拟链路(u，w)部署到物理链路(i，j)上，
Figure BDA00034374674000000914
表示(u，w)未部署到(i，j)上；
在模型中，公式(4)的第一部分在为最小化节点的总CPU占用率，第二部分是在不同的部署决策会导致不同的带宽消耗的情况下，最小化网络中的链路总的带宽占用率。
所述优化问题的约束条件：
每个VNF节点必须部署且只能部署到一个物理节点上：
Figure BDA0003437467400000101
流量一致约束，确保作为部署方案的物理节点与物理链路匹配，如果选择了某一物理节点，那就必须得有和他相连的物理链路也被选定了，保证选定的物理节点的输入流量等于输出流量：
Figure BDA0003437467400000102
资源约束，约束部署物理节点的CPU资源消耗不超过当前物理节点的CPU资源容量：
Figure BDA0003437467400000103
资源约束，保证部署物理链路的带宽资源占用不超过最大容量：
Figure BDA0003437467400000104
获取当前负载信息，求解满足时延QoS和资源最小占用率的联合优化问题，即求解决策变量，得出最优的部署方案，其中获取的当前负载信息内容如下：
针对每条SFC，获取其候选节点和候选链路列表；
获取每条候选链路上当前负载情况，包括负载流量个数及负载流量到达特性；
计算各候选链路上加入当前SFC后的耦合流量带宽大小，计算各候选链路上耦合带宽增量cij；
根据最优部署方案更新物理网络拓扑中的物理节点与物理链路资源，检验是否有资源溢出情况出现，如果出现资源溢出，则求解错误，重新对当前SFC进行求解，若无资源溢出，则对下一条SFC进行部署。
实施例2
本发明实施例基于NFV和SDN架构，提出一种基于QoS保障和相对带宽增长的VNF部署方法。在5G网络中，多样化的业务被依照业务的种类、规模和需求抽象成多个VNF连接的服务功能链SFC，这些SFC中包含业务需要的虚拟网络功能的种类以及网络资源的大小。网络控制器以SFC为蓝本，从资源池中为业务分配资源，规划物理路径，实现网络的定制化服务。
图1展示了本发明中SFC从虚拟映射到物理网络上的过程，图中有2个SFC，每个SFC表示一个业务流，每个SFC中都可以包含不同种VNF，在图1中存在两种VNF，以VNF a和VNF b区分，初始时生成的SFC包含了业务的VNF功能逻辑链接及业务的流量到达特性。接下来在基于流量特性进行了第一步资源预分配后，SFC中包含了其部署到物理网络上时需要的资源大小，分别是B1和B2。由于资源池的物理网络中，已有先到达的SFC存在其中，视为负载，假设当前负载的消耗是B0。当SFC部署到物理网络中的链路上时，总的资源消耗不等于负载资源消耗和当前SFC资源消耗的简单叠加，而是负载带宽加上二者的耦合带宽增量。如图1中，SFC 1的一部分部署到负载B0的链路上，此链路消耗的带宽为B0+c(B0，1)，其中c(B0，1)代表负载0和SFC 1的耦合带宽增量，SFC 1的另一部分和SFC 2的部分一起部署到负载B0的链路上，此链路消耗的带宽为B0+c(B0，1，2)，其中c(B0，1，2)表示为负载0、SFC 1和SFC2三者的耦合带宽增量。
本发明实施例，步骤如下：
S101：对物理网络进行抽象，获取待部署SFC，基于排队论和大偏差理论，针对到达流量的特性进行资源预分配；
S102：将物理节点按剩余CPU资源大小降序排序，根据预分配的资源筛选候选物理节点和候选物理链路；
S103：基于鞅论，估计新流量与候选链路现有流量耦合后的耦合带宽，求解候选链路的耦合带宽增量；
S104：求解满足时延QoS和资源最小占用率的联合优化问题，得出最优的部署方案。
进一步，在步骤S101中，所述实施例的物理网络拓扑抽象，步骤为：
S1011：基于Waxman模型随机生成物理网络基本拓扑，表示为有向图Gs＝(Ns，Es)，其中Ns表示包括交换机和服务器在内的所有物理节点的集合，每个物理服务器可以承载多个VNF，而交换机节点仅具有转发功能，Es表示拓扑中所有节点间相连接的链路的集合；
S1012：为物理网络分配初始资源，包括每个物理节点的类型、物理节点的CPU资源容量和物理链路上的带宽资源容量。
进一步，在步骤S101中，所述获取待部署SFC步骤为：
S1013：获取多条预设SFC的到达时间和离开时间，形成集合，在每个时隙查找是否有SFC到达或离开网络；
S1014：在SFC到达网络时，获取SFC的拓扑，表示为有向图GV＝(NV，EV)，其中NV表示SFC中的VNF集合，EV表示连接VNF的所有虚拟链路的集合；获取各虚拟节点VNF的类型及虚拟链路连接关系；
S1015：获取到达SFC的数据包流量特性，本实施例以数据包的到达服从泊松分布为例，流量特性为平均到达速率λe，获取流量的QoS需求表示为P{De(t)≥Dmax}≤ε，即时延De(t)大于等于Dmax的概率小于等于ε。
进一步，在步骤S101中，所述基于排队论和大偏差理论，针对到达流量的流量特性进行资源预分配，步骤为：
S1016：获取每条SFC中的VNF节点，针对其预设类型进行CPU资源预分配，按流服务型VNF在每条VNF序列中占用的CPU资源保持一致，按包服务型VNF在每条序列中占用的CPU资源不同,进行随机分配；
S1017：根据VNF序列中的虚拟链路上数据包到达的流量特性及其对于服务质量(QoS)需求，基于排队论和大偏差理论，通过有效带宽方法计算各虚拟链路上的有效带宽，进行带宽资源的预分配。
进一步，在步骤S1017中，所述有效带宽方法具体为：
本实施例中流量的数据包到达服从泊松过程，平均到达速率为λe，QoS需求表示为P{De(t)≥Dmax}≤ε；
单一流量泊松过程的矩生成函数为M(θ)＝exp(λe(eθ-1))，根据排队论和大偏差理论及李特尔定律，推导得常速率排队***的时延违反概率
Figure BDA0003437467400000131
计算满足流量QoS需求的有效带宽为
Figure BDA0003437467400000132
其中θ*是单一流量的QoS需求在排队***的时延违反概率下的解，在本实施例中
Figure BDA0003437467400000133
进一步，在步骤S102中，所述筛选候选节点及链路步骤为：
S1021：遍历物理网络中的物理节点，将其按照剩余CPU大小进行降序排序；
S1022：选取排序在前的、剩余CPU资源大于VNF节点所需资源大小并且属于服务器类型的物理节点作为候选节点；
S1023：按照VNF序列的顺序，依次选择两个相邻的VNF节点的候选节点，若两个候选节点之间有直连物理链路且带宽资源大于虚拟链路预分配的带宽资源大小，将该物理链路加入此虚拟链路的候选链路中。
进一步，在步骤S103中，所述耦合带宽包括：
S1031：所述方法考虑切片内同质业务共享切片内资源池的网络带宽资源；
S1032：当同一物理链路上承载多个流量时，总的耦合带宽需求不等于流量的各自带宽需求的直接叠加，而是将多个流量的流量特性进行整合，成为一个耦合流量后，再根据耦合流量特性进行分配；
S1033：所述带宽的增长不遵从线性关系，而与当前负载紧密相关，称为耦合带宽。
进一步，在步骤S103中，所述基于鞅论，估计新流量与链路现有流量耦合后的耦合带宽，包括：
S1034：图2为耦合流量的多入单出排队***示意图。在每个链路端口构建一个排队***，获取到达的多个流的流量特性，整合为一个耦合流量，耦合流的统计时延QoS要求表示为P{D(t)≥Dmax}≤ε，即时延D(t)大于等于Dmax的概率小于等于ε；
S1035：基于鞅论求解排队***的时延违反概率；
S1036：基于鞅论进行耦合流量带宽估计；
进一步，在步骤S1035中，所述基于鞅论求解排队***的时延违反概率，包括：
本实施例中流量的数据包到达服从泊松过程，耦合流量为多个流量叠加到一起，仍符合泊松过程的分布，平均到达速率为
Figure BDA0003437467400000141
为流量数量，λe表示单一流量的平均到达速率；
数据包到达过程服从独立同分布，ha＝1且
Figure BDA0003437467400000142
本实施例中服务过程为常速率服务，服务速率用C表示，hs＝1且Ks＝C；
所以可得，时延违反概率为
Figure BDA0003437467400000143
进一步，在步骤S1036中，所述基于鞅论进行耦合流量带宽估计，包括：
排队***sij上k个流量的耦合带宽消耗计算为
Figure BDA0003437467400000144
其中，
Figure BDA0003437467400000145
具体由排队***的服务过程分布确定，在常速率服务中
Figure BDA0003437467400000146
进一步，在步骤S103中，所述求解候选链路的耦合带宽增量，步骤包括：
S1038：定义耦合带宽增量为加入当前SFC后的耦合流量带宽消耗减去原有负载带宽，下式表示所述耦合带宽增量；
Figure BDA0003437467400000147
上式中，
Figure BDA0003437467400000148
表示在物理链路(i，j)上的第k个流的耦合带宽增量，
Figure BDA0003437467400000149
表示加入k个流的总耦合流量带宽消耗，
Figure BDA00034374674000001410
表示前k-1个流的带宽消耗。
进一步，在步骤S104中，所述满足时延QoS和资源最小占用率的联合优化问题，步骤包括：
S1041：优化模型的目标函数为最小化网络资源占用率：
Figure BDA0003437467400000151
其中cij代表当前请求在物理链路(i，j)上的耦合带宽增量，
Figure BDA0003437467400000156
和
Figure BDA0003437467400000157
分别是代表物理节点与虚拟节点之间匹配关系、物理链路与虚拟链路之间匹配关系的二元决策变量；
S1042：优化模型的约束为：
Figure BDA0003437467400000152
Figure BDA0003437467400000153
Figure BDA0003437467400000154
Figure BDA0003437467400000155
进一步，在步骤S104中，所述具体步骤：
S1043：针对每条SFC，获取其候选节点和候选链路列表；
S1044：获取每条候选链路上当前负载情况，包括负载流量个数及负载流量到达特性；
S1045：计算各候选链路上加入当前VNF序列后的耦合流量带宽大小，计算各链路上耦合带宽；
S1046：按照步骤S105中所述模型，求解决策变量，确定部署方案；
S1047：更新物理网络拓扑中的节点与链路资源，检验是否有资源溢出情况出现，如果出现资源溢出，则求解错误，重新对当前VNF序列进行求解，若无资源溢出，则对下一条VNF序列进行部署。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (3)

1.一种基于耦合带宽分配并具有时延QoS保障的VNF部署方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，对物理网络进行抽象，获取待部署的SFC，基于排队论和大偏差理论，针对到达流量的特性进行资源预分配；
步骤二，将物理节点按剩余CPU资源大小降序排序，根据预分配的CPU资源和带宽资源分别筛选候选物理节点和候选物理链路，具体为：
遍历物理网络中的物理节点，将其按照剩余CPU资源大小进行降序排序；
选取排序在前的剩余CPU资源大于VNF节点所需全部CPU资源大小并且属于服务器类型的物理节点作为候选节点；
按照SFC的顺序，依次选择两个作为相邻VNF节点的候选节点，若两个候选节点之间有直连物理链路且其带宽资源大于虚拟链路预分配的有效带宽资源大小，将该物理链路作为此虚拟链路的候选链路；
步骤三，基于鞅论，估计新流量与候选链路现有流量耦合后的耦合带宽，求解候选链路的耦合带宽增量；
步骤四，求解满足时延QoS和资源最小占用率的联合优化问题，得出最优的部署方案；具体为：
所述联合优化问题包括：优化问题的目标函数是最小化网络资源占用率：
Figure FDA0003437467390000011
其中：cij代表当前请求在物理链路(i，j)上的耦合带宽增量，
Figure FDA0003437467390000012
和
Figure FDA0003437467390000013
分别代表物理节点与虚拟节点之间匹配关系、物理链路与虚拟链路之间匹配关系的二元决策变量，
Figure FDA0003437467390000014
表示将VNF节点u部署到物理节点i上，
Figure FDA0003437467390000015
表示u未部署到i上，
Figure FDA0003437467390000016
表示将SFC虚拟链路(u，w)部署到物理链路(i，j)上，
Figure FDA0003437467390000017
表示(u，w)未部署到(i，j)上；每个物理节点i∈Ns上均具有CPU资源，其CPU资源容量为
Figure FDA0003437467390000018
当前剩余CPU资源为
Figure FDA0003437467390000019
每条物理链路
Figure FDA00034374673900000110
上均具有带宽资源，其带宽资源容量为
Figure FDA00034374673900000111
当前剩余带宽资源大小为
Figure FDA00034374673900000112
VNF节点u∈NV所需要的CPU资源大小表示为
Figure FDA00034374673900000113
所述优化问题的约束条件：
每个VNF节点必须部署且只能部署到一个物理节点上：
Figure FDA0003437467390000021
流量一致约束，确保作为部署方案的物理节点与物理链路匹配，如果选择了某一物理节点，那就必须得有和他相连的物理链路也被选定了，保证选定的物理节点的输入流量等于输出流量：
Figure FDA0003437467390000022
资源约束，约束部署物理节点的CPU资源消耗不超过当前物理节点的CPU资源容量：
Figure FDA0003437467390000023
资源约束，保证部署物理链路的带宽资源占用不超过最大容量：
Figure FDA0003437467390000024
获取当前负载信息，求解满足时延QoS和资源最小占用率的联合优化问题，即求解决策变量，得出最优的部署方案；
根据最优部署方案更新物理网络拓扑中的物理节点与物理链路资源，检验是否有资源溢出情况出现，如果出现资源溢出，则求解错误，重新对当前SFC进行求解，若无资源溢出，则对下一条SFC进行部署。
2.根据权利要求1所述的一种基于耦合带宽分配并具有时延QoS保障的VNF部署方法，其特征在于所述步骤一的内容具体为：
将物理网络拓扑抽象为：
将物理网络拓扑抽象为一个有向图Gs＝(Ns，Es)，其中Ns表示包括交换机和服务器在内的所有物理节点的集合，Es表示拓扑中所有物理节点间相连接的链路的集合；
所述步骤一中将物理网络拓扑抽象为：
物理网络表示为一个有向图Gs＝(Ns，Es)，其中Ns表示包括交换机和服务器在内的所有物理节点的集合，Es表示拓扑中所有物理节点间相连接的物理链路的集合；
所述待部署的SFC表示为：
SFC划分为两层模型，第一层是实例层：SFC表示为有向图GV＝(NV，EV)，其中NV表示SFC中的VNF节点集合，EV表示连接VNF节点的所有虚拟链路的集合；第二层是数据包层：每个SFC都携带一个数据包流，每个实例层对应一个数据包流，该数据包流表示为e＝{ae(t)，Dmax，ε}，其中ae(t)表示数据包流e在时隙t到达VNF节点的数据包数量，Dmax和ε是描述数据包流时延要求的参量，在数据包流e中，时延De(t)需要满足P{De(t)≥Dmax}≤ε，同质业务具有相同的QoS需求；
其中针对到达VNF节点的数据包流的流量特性进行资源预分配为：
获取每条SFC中的VNF节点，针对其预设类型进行CPU资源预分配，按流服务型VNF节点在每条SFC中占用的CPU资源保持一致，按包服务型VNF节点在每条SFC中占用的CPU资源不同，进行随机分配；
根据SFC中的虚拟链路上到达VNF节点的数据包流的流量特性及其对于QoS的需求，通过有效带宽方法计算各虚拟链路上的有效带宽，进行带宽资源的预分配；
其中各虚拟链路上的有效带宽为：
在物理服务器的每个链路端口构建多入单出的排队***，当SFC携带的数据包流经过此端口时，待处理的数据会送入相应的排队***，并按照先到先服务原则进行服务；服务器i连接到服务器j端口处的排队***表示为Sij，服务速率表示为rij；
根据各数据包流的到达特性，计算数据包流的数据包到达各个VNF节点过程的矩生成函数M(θ)，数据包流的QoS需求表示为P{De(t)≥Dmax}≤ε，即时延De(t)大于Dmax的概率小于ε；
根据大偏差理论及李特尔定律，得常速率排队***的时延违反概率为
Figure FDA0003437467390000041
其中λe是数据包流的平均到达速率，θ(θ≥0)为时延QoS的约束指数；
根据排队论及大偏差理论，计算在虚拟链路(u，w)上，为满足数据包流QoS需求分配的有效带宽为
Figure FDA0003437467390000042
其中θ*是数据包流的QoS需求在排队***的时延违反概率下的解，即
Figure FDA0003437467390000043
3.根据权利要求2所述的一种基于耦合带宽分配并具有时延QoS保障的VNF部署方法，其特征在于所述步骤三的内容具体为：
获取到达物理链路端口的多个数据流量的流量特性，并将其整合为一个耦合流量，耦合流量的统计时延QoS要求表示为P{D(t)≥Dmax}≤ε，即时延D(t)大于等于Dmax的概率小于等于ε；
计算排队***的时延违反概率为：
Figure FDA0003437467390000044
其中，a(f)和s(t)分别表示到达数据包的数量和服务数据包的数量的瞬时值，ha(a(t))是耦合流量到达物理链路端口过程的相关特性函数，E[ha(a(0))]表示耦合流量到达物理链路端口过程相关特性函数ha(a(t))在0时隙的期望值，hs(s(t))是物理链路端口对到达的耦合流量服务过程的相关特性函数，E[hs(s(0))]表示服务过程相关特性函数hs(s(t))在0时隙的期望值，H为阈值，表示ha(a(t))与hs(s(t))乘积的最小值，φ*是将到达鞅和服务鞅参数联系在一起的特殊鞅参量，与ha(a(t))一起描述到达过程的特征，Ks表示物理链路端口对到达的耦合流量服务过程的鞅修正参数，与hs(s(t))一起描述服务过程的特征，通过上式求解得
Figure FDA0003437467390000045
排队***Sij上k个流量的耦合带宽消耗表示为：
Figure FDA0003437467390000051
其中，
Figure FDA0003437467390000052
具体由排队***的服务过程分布确定；
所述求解候选链路的耦合带宽增量，具体为：
定义耦合带宽增量为加入当前SFC后的耦合流量带宽消耗减去原有负载带宽，故所述耦合带宽增量表示为：
Figure FDA0003437467390000053
其中，
Figure FDA0003437467390000054
表示在物理链路(i，j)上的第k个流的耦合带宽增量，
Figure FDA0003437467390000055
表示加入第k个流的总耦合流量带宽消耗，
Figure FDA0003437467390000056
表示加入k-1个流的总耦合流量带宽消耗。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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