服務(wù)功能鏈的優(yōu)化映射策略

程洪閃 孟歡 張曉輝

摘要：服務(wù)功能鏈（Service Function Chains，SFC）是通過虛擬鏈路互聯(lián)的一組有特定順序的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能，服務(wù)功能鏈的優(yōu)化映射是一重要的研究熱點(diǎn)。隨著網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需求量的增加，網(wǎng)絡(luò)功能節(jié)點(diǎn)周圍的鏈路資源可能無法得到充分利用。針對(duì)延遲代價(jià)與鏈路資源利用率，設(shè)計(jì)了一種服務(wù)功能鏈優(yōu)化映射策略，并在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲羞M(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。通過與最短路徑策略的對(duì)比，優(yōu)化映射策略在做到負(fù)載均衡的同時(shí)，可以盡可能地減小延遲開銷，提高映射成功率。

關(guān)鍵詞：服務(wù)功能鏈;優(yōu)化映射策略;網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2021）08-54-3

0引言

隨著網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量的不斷增大，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)種類也在不斷增加，基礎(chǔ)硬件設(shè)施的物理資源有限，網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)便隨之應(yīng)運(yùn)而生。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化主要分為服務(wù)功能鏈組成、虛擬網(wǎng)絡(luò)功能映射和服務(wù)功能鏈優(yōu)化調(diào)度3個(gè)階段。一般虛擬網(wǎng)絡(luò)功能映射問題可以表述為整數(shù)線性規(guī)劃問題，針對(duì)不用的優(yōu)化目標(biāo)設(shè)計(jì)啟發(fā)式，從而有效解決此問題。在虛擬化背景下，多用戶共享底層資源，如何加大資源利用率，減小延遲開銷仍具有一定的研究意義。

1服務(wù)功能鏈

傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商通過靜態(tài)配置的專用硬件來提供網(wǎng)絡(luò)功能，硬件設(shè)備存在可擴(kuò)展性差、維護(hù)管理復(fù)雜、更新時(shí)間長(zhǎng)及運(yùn)營(yíng)成本高等弊端。為此，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)提出了網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)（Network Function Virtualization，NFV），將硬件設(shè)備轉(zhuǎn)移到虛擬機(jī)中，從而提高服務(wù)的靈活性、提升網(wǎng)絡(luò)開放性。在網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化中，服務(wù)功能鏈?zhǔn)峭ㄟ^虛擬鏈路按照一定順序連接的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能（Virtual Network Function，VNF），如圖1所示。

針對(duì)每一條SFC請(qǐng)求，需要將其虛擬網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求映射到底層的物理網(wǎng)絡(luò)中，服務(wù)功能鏈的映射示意圖如圖2所示。服務(wù)功能鏈的虛擬節(jié)點(diǎn)需要映射至底層物理節(jié)點(diǎn)中，物理節(jié)點(diǎn)提供所需的計(jì)算資源與對(duì)應(yīng)的功能;虛擬鏈路會(huì)映射至物理鏈路上，物理鏈路會(huì)分配適當(dāng)數(shù)量的帶寬，用來傳輸虛擬節(jié)點(diǎn)之間的業(yè)務(wù)流。

作為一條有先后順序的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，映射也需要滿足順序要求。當(dāng)給定SFC的數(shù)量與功能需求時(shí)，如何優(yōu)化映射策略從而優(yōu)化節(jié)點(diǎn)資源利用率和增加鏈路資源利用率，令資源利用率最大化是本文研究的重點(diǎn)。

2優(yōu)化映射策略

在一段時(shí)間切片內(nèi)，在運(yùn)營(yíng)商知道請(qǐng)求的個(gè)數(shù)、SFC的功能與帶寬需求情況下，設(shè)計(jì)了一個(gè)有閾值限制的短延遲優(yōu)化的負(fù)載均衡啟發(fā)式。算法的輸入是物理網(wǎng)絡(luò)和當(dāng)前時(shí)間片內(nèi)所有SFC請(qǐng)求，輸出是將SFC請(qǐng)求映射到物理網(wǎng)絡(luò)的解決方案和映射之后的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。優(yōu)化目標(biāo)為最小化鏈路延遲代價(jià)、功能節(jié)點(diǎn)鄰邊鏈路利用率方差與鏈路利用率超出閾值的比例之和。算法整體思路為：

①根據(jù)該時(shí)間片內(nèi)所有服務(wù)功能鏈的帶寬需求、節(jié)點(diǎn)資源需求、跳數(shù)降序排序，優(yōu)先處理需求較少的SFC，向控制器請(qǐng)求更新所有節(jié)點(diǎn)的可用資源以及網(wǎng)絡(luò)鏈路的剩余帶寬。

②為服務(wù)功能鏈選擇從源節(jié)點(diǎn)至目的節(jié)點(diǎn)延遲最小的（本算法中=4）短路徑作為候選路徑集合。優(yōu)化目標(biāo)是鏈路時(shí)延代價(jià)、功能節(jié)點(diǎn)鄰邊鏈路利用率方差與鏈路利用率超出閾值的比例之和。

③判斷候補(bǔ)物理網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)資源與鏈路帶寬能否滿足SFC請(qǐng)求的需求。若不能滿足，則（ ）=+∞，如果可以滿足，計(jì)算當(dāng)前候補(bǔ)狀態(tài)下的值。

④選擇中值最小的路徑作為映射鏈路放置SFC。

⑤若未找到值最小的路徑，即（ ）=+∞，則拒絕該條服務(wù)功能鏈，該服務(wù)功能鏈部署失敗。

⑥重復(fù)①～⑤，直至所有的服務(wù)功能鏈均被部署或拒絕。

3仿真性能評(píng)估

選取圖3的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆?個(gè)交換節(jié)點(diǎn)、4個(gè)功能節(jié)點(diǎn)與12條鏈路組成。功能節(jié)點(diǎn)上安裝了多個(gè)虛擬機(jī)，具有一定的計(jì)算資源。鏈路用來提供傳輸資源，鏈路上的數(shù)字表示剩余的帶寬資源與鏈路的延遲代價(jià)。隨機(jī)選取30條服務(wù)功能鏈進(jìn)行映射部署，鏈路與節(jié)點(diǎn)剩余資源滿足SFC請(qǐng)求則映射成功，不滿足則映射失敗?；谧疃搪窂讲呗宰鳛閷?duì)比實(shí)驗(yàn)，通過鏈路利用率方差可以表示鏈路利用率均衡度，通過對(duì)比得到圖4的結(jié)果。

從圖4中可以看到，橫坐標(biāo)為SFC請(qǐng)求條數(shù)，縱坐標(biāo)是鏈路利用率均衡度即鏈路利用率方差，隨著請(qǐng)求數(shù)量的增多，鏈路利用率方差在浮動(dòng)上漲，當(dāng)請(qǐng)求數(shù)量到達(dá)一定程度時(shí)，鏈路資源消耗殆盡，鏈路利用率方差便趨于穩(wěn)定不再上漲。優(yōu)化部署策略與最短路徑策略相比，鏈路利用率方差更小，同時(shí)趨于穩(wěn)定的值也更小。從中可以看到優(yōu)化部署策略在負(fù)載均衡方面的優(yōu)勢(shì)。

圖5顯示了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)資源的平均剩余率，橫坐標(biāo)為SFC請(qǐng)求條數(shù)，縱坐標(biāo)為物理網(wǎng)絡(luò)功能節(jié)點(diǎn)資源的平均剩余率，其計(jì)算方法為：節(jié)點(diǎn)資源平均剩余率=1/功能節(jié)點(diǎn)數(shù)Σ節(jié)點(diǎn)資源剩余資源/節(jié)點(diǎn)總資源。從圖中可以看出，優(yōu)化映射策略的節(jié)點(diǎn)資源剩余率更低，即能利用的節(jié)點(diǎn)資源更多。

通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)可以看出，采用最短路徑策略進(jìn)行映射，鏈路資源很容易用盡，導(dǎo)致無法為其他SFC提供傳輸服務(wù)，減低功能節(jié)點(diǎn)的資源利用率。優(yōu)化部署策略在負(fù)載均衡與節(jié)點(diǎn)利用率方面有所提高，在相同的物理資源下，能夠?yàn)楦嗟腟FC提供服務(wù)。

4結(jié)束語

在SFC的實(shí)際應(yīng)用中，普遍存在鏈路與節(jié)點(diǎn)利用率不均、無法負(fù)載均衡的問題。本文主要研究了SFC優(yōu)化映射的問題，首先簡(jiǎn)單介紹了SFC與映射模型，通過考慮鏈路延遲代價(jià)、功能節(jié)點(diǎn)資源利用率與節(jié)點(diǎn)鄰邊鏈路利用率之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)了一種優(yōu)化映射策略。通過與最短路徑策略進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化部署策略在鏈路資源利用率與節(jié)點(diǎn)資源平均剩余率方面有較大優(yōu)勢(shì)，能夠完成延遲代價(jià)與鏈路利用率的均衡。

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