潘志偉

（北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京 100876）

基于SDN的網(wǎng)絡(luò)切片中資源動(dòng)態(tài)調(diào)整的方法

潘志偉

（北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京 100876）

5G網(wǎng)絡(luò)支持具有不同性能要求的多個(gè)垂直業(yè)務(wù)，網(wǎng)絡(luò)切片是解決這個(gè)問題的最佳方案。通信業(yè)務(wù)量隨著時(shí)間變化具有多變性，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)切片的資源利用情況是頻繁變化的。網(wǎng)絡(luò)切片中資源靜態(tài)分配會(huì)存在資源利用不足或者資源過載的情況，因此，很有必要?jiǎng)討B(tài)地調(diào)整網(wǎng)絡(luò)切片的資源量，以便優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。5G網(wǎng)絡(luò)提出需要更加靈活的傳輸網(wǎng)絡(luò)，從而支持由接入網(wǎng)不斷增加網(wǎng)絡(luò)帶寬而產(chǎn)生的需求?；谝陨戏治黾靶枨螅疚奶岢隽艘环N在5G本地傳輸網(wǎng)上基于SDN的網(wǎng)絡(luò)切片中資源動(dòng)態(tài)調(diào)整的方案，以便提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。提出了一種新穎的功能架構(gòu)，功能模塊內(nèi)置在 SDN控制器并且通過內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)交互數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)控制器間的數(shù)據(jù)通信。該架構(gòu)解決了網(wǎng)路切片資源動(dòng)態(tài)調(diào)整的整個(gè)過程：決策是否進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整；通過模型決策需要調(diào)整的資源量。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的可行性，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)分析。

網(wǎng)絡(luò)切片；資源調(diào)整；軟件定義網(wǎng)

0 引言

5G引入了很多對(duì)性能要求及其苛刻的新用例。5G網(wǎng)絡(luò)必須比前幾代更靈活，以實(shí)現(xiàn)全連接的低延遲，大容量和高可靠性要求。ETSI網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）組與軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）一起預(yù)計(jì)將成為支持按需流量需求的關(guān)鍵技術(shù)[1]，SDN的控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離和集中控制的優(yōu)勢(shì)[2]，加上NFV的軟件與硬件解耦的優(yōu)勢(shì)，將極大地增加5G的靈活性。

通過網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，單個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)可以劃分為多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)，從而允許運(yùn)營(yíng)商為不同類型的客戶群提供不同類型服務(wù)的最佳支持[3]。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)在于，它使運(yùn)營(yíng)商能夠以服務(wù)為基礎(chǔ)提供網(wǎng)絡(luò)，從而提高運(yùn)營(yíng)效率，同時(shí)縮短新服務(wù)的上市時(shí)間。運(yùn)營(yíng)商可以根據(jù)自己的需要遞歸切分自己的網(wǎng)絡(luò)切片，并為每個(gè)切片分配適當(dāng)?shù)馁Y源[4]。網(wǎng)絡(luò)切片資源的調(diào)整分為兩種方式：一種是網(wǎng)絡(luò)切片之間的資源調(diào)度；一種是網(wǎng)絡(luò)切片內(nèi)的資源調(diào)整。網(wǎng)絡(luò)切片內(nèi)有多個(gè)不同的租戶，租戶之間要求邏輯隔離，從而需要?jiǎng)澐植煌淖鈶艟W(wǎng)絡(luò)，為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片在利益最大化，靈活地為租戶網(wǎng)絡(luò)按需分配網(wǎng)絡(luò)資源。本文主要關(guān)注后者的資源調(diào)整。

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的流量具有較強(qiáng)的波動(dòng)性，如在互聯(lián)網(wǎng)工作負(fù)載的情況下，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)流量表現(xiàn)出長(zhǎng)期變化，例如隨著時(shí)間或季節(jié)性變化影響，以及由意外事件引起的短期波動(dòng)[5]。5G需要重新設(shè)計(jì)傳輸網(wǎng)絡(luò)，這種新的傳輸網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該允許不同租戶通過網(wǎng)絡(luò)切片同時(shí)使用，體現(xiàn)出較強(qiáng)的靈活性[6]。通過適當(dāng)?shù)厥褂肅PU、內(nèi)存、帶寬等網(wǎng)絡(luò)資源，可以在網(wǎng)絡(luò)切片中靈活提供多個(gè)租戶網(wǎng)絡(luò)切片。由于租戶網(wǎng)絡(luò)中流量動(dòng)態(tài)變化，因此按照實(shí)際使用量改變每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片的網(wǎng)絡(luò)資源量是必不可少的。

當(dāng)某個(gè)租戶切片的實(shí)際流量增加并導(dǎo)致?lián)砣麜r(shí)，我們需要增加該租戶切片的資源，以滿足租戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)；當(dāng)實(shí)際流量遠(yuǎn)小于分配給該租戶切片的資源時(shí)，需要減少該租戶切片的資源，從而避免資源浪費(fèi)。在本文中，我們只考慮帶寬調(diào)整。我們提出了一種通過本地傳輸網(wǎng)絡(luò)通過 SDN動(dòng)態(tài)調(diào)整帶寬資源的方法。通過SDN，收集租戶網(wǎng)絡(luò)切片的當(dāng)前流量，獲取分配的帶寬，判斷是否調(diào)整帶寬，并決定要調(diào)整的帶寬。

1 相關(guān)工作

近幾年來，網(wǎng)絡(luò)切片的研究成為了學(xué)界以及工業(yè)屆的熱點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)切片利用虛擬化技術(shù)將一張物理網(wǎng)絡(luò)邏輯劃分為多個(gè)子網(wǎng)，從而支撐不同場(chǎng)景業(yè)務(wù)。然而，大多數(shù)研究集中在網(wǎng)絡(luò)切片的構(gòu)造上，對(duì)構(gòu)造完成之后的運(yùn)維鮮有研究?；赟DN的資源調(diào)整方面的研究大部分集中在互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中。

Lerma A M L D等人[7]提出使用Transport API和OpenStack API級(jí)聯(lián)虛擬網(wǎng)絡(luò)和虛擬機(jī)實(shí)例來支持租戶切片。使用Transport API，多域SDN協(xié)調(diào)器向租戶表示每個(gè)虛擬傳輸網(wǎng)的抽象拓?fù)洌⑶夷軌蚩刂品峙浣o每個(gè)虛擬傳輸網(wǎng)的資源；使用OpenStack API，多站點(diǎn)云管理器可以跨多站點(diǎn)云配置虛擬租戶數(shù)據(jù)中心，并管理每個(gè)租戶的 DC內(nèi)網(wǎng)絡(luò)連接。但是本文重點(diǎn)介紹了兩個(gè) API，并沒有提到如何控制具體分配網(wǎng)絡(luò)資源。

Davy S等人[8]介紹了邊緣服務(wù)（EaaS）的概念，這是利用虛擬網(wǎng)絡(luò)功能和虛擬資源靈活性的手段，使網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商能夠突破與基礎(chǔ)設(shè)施緊密結(jié)合的關(guān)系，并實(shí)現(xiàn)更有效的創(chuàng)收方式。作者提出了一種虛擬化服務(wù)訪問接口（VASI），可用于以編程方式以彈性方式更改服務(wù)提供商可用的接入網(wǎng)絡(luò)功能和資源。但是，本文僅僅從高層次提出了EaaS和VASI的概念，沒有網(wǎng)絡(luò)資源分配的方案。

Gomes R L等人[9]指出，接入網(wǎng)絡(luò)是運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)中最昂貴的部分，提供混合基礎(chǔ)設(shè)施非常昂貴并且低效率。作者通過解決網(wǎng)絡(luò)事件（如流量過載，故障等），為用戶提供 QoS保證，提高網(wǎng)絡(luò)資源在動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中的利用率，提出了在互聯(lián)網(wǎng)邊緣網(wǎng)絡(luò)資源的軟件定義管理。但本文著重于互聯(lián)網(wǎng)邊緣，并且沒有提供如何分配網(wǎng)絡(luò)資源的模型。

Chen J L等人[10]提出了一種EnterpriseVisor引擎動(dòng)態(tài)資源管理方案。EnterpriseVisor引擎將企業(yè)網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)虛擬子網(wǎng)，監(jiān)控每個(gè)子網(wǎng)的資源利用率，使用線性規(guī)劃方法動(dòng)態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)資源，使整體網(wǎng)絡(luò)資源的利用率達(dá)到最高。然而，本文著重于企業(yè)網(wǎng)絡(luò)，并強(qiáng)調(diào)將EnterpriseVisor與Flowvisor進(jìn)行比較。

Fukuhara S等人[11]提出了一種網(wǎng)絡(luò)切片間資源交易模型，作者定義了網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵性來評(píng)估網(wǎng)絡(luò)魯棒性，基于網(wǎng)絡(luò)資源和服務(wù)質(zhì)量的交易成本執(zhí)行最優(yōu)資源交易。但本文僅給出了網(wǎng)絡(luò)切片之間的交易資源模型。

大多數(shù)文章沒有提出具體的資源動(dòng)態(tài)調(diào)整的方案，僅僅提供概念、提出API需求設(shè)計(jì)和提出不完善的方法。結(jié)合 5G網(wǎng)絡(luò)切片的場(chǎng)景，本文提出了5G網(wǎng)絡(luò)切片中資源動(dòng)態(tài)調(diào)整的完整方案。

2 場(chǎng)景

5G支持端到端的網(wǎng)絡(luò)切片，從接入網(wǎng)到傳輸網(wǎng)再到核心網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)切片在 5G中扮演著重要角色，有但不局限于以下場(chǎng)景用例：增強(qiáng)移動(dòng)寬帶、海量機(jī)器通信、關(guān)鍵機(jī)器類通信與遠(yuǎn)程操作通信。

“租戶”是擁有和運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)切片的邏輯實(shí)體，可以是MVNO，OTT和垂直行業(yè)。租戶可以進(jìn)一步部署自己的網(wǎng)絡(luò)切片，或允許多個(gè)第三方租戶在切片之上實(shí)例化其網(wǎng)絡(luò)切片[6]。

面對(duì)接入網(wǎng)絡(luò)帶寬不斷的增加，5G需要更靈活的傳輸網(wǎng)絡(luò)，以便支持不同租戶的動(dòng)態(tài)需求，從而提高資源利用率。將傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行切片是一個(gè)有力的解決方案。本文提出了一種在本地傳輸網(wǎng)絡(luò)中基于SDN的資源動(dòng)態(tài)調(diào)整的方案（DRANS）。如圖1所示，在網(wǎng)絡(luò)切片中劃分出了三個(gè)租戶網(wǎng)絡(luò)切片，分別由黃、灰、藍(lán)三種不同顏色表示。DRANS由Hypervisor，SDN控制器和內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)組成。Hypervisor虛擬化本地傳輸網(wǎng)絡(luò)，SDN控制器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)切片的使用情況管理分配給虛擬網(wǎng)絡(luò)的帶寬。

圖1 DRANS場(chǎng)景架構(gòu)圖Fig.1 Senior of DRANS

假設(shè)本地傳輸網(wǎng)總?cè)萘縈為1000 Mbps。slice1、slice2和slice3的帶寬最初分配分別是500 Mbps、200 Mbps和300 Mbps。進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)切片交換設(shè)備的所有流量將由 Hypervisor推送到該切片所屬的控制器，控制器隨之處理流量。某個(gè)時(shí)間段，切片1上的實(shí)際流量迅速下降，切片2和切片3上的流量迅速增加。管理切片的控制器從交換機(jī)獲取到網(wǎng)絡(luò)切片的實(shí)際流量信息，與分配給切片的帶寬相比，控制器知道切片1需要分配較少的帶寬，切片2和3需要分配更多的帶寬并進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整后，slice1、slice2和slice3的帶寬分配為200 Mbps，350 Mbps和 450 Mbps。

3 基于SDN的資源動(dòng)態(tài)調(diào)整方案

3.1 架構(gòu)

Hypervisor將本地傳輸網(wǎng)切片并且實(shí)現(xiàn)帶寬隔離。Flowvisor是一種實(shí)現(xiàn)了 OpenFlow協(xié)議的Hypervisor，處于SDN控制器和轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備之間的代理。SDN控制器在帶寬調(diào)整中起著重要作用。本文將SDN控制器分為兩類：一類是主控制器，另一類是輔控制器。DRANS功能架構(gòu)如圖2所示。

（1）網(wǎng)絡(luò)切片監(jiān)控模塊：監(jiān)控每個(gè)租戶網(wǎng)絡(luò)切片中的實(shí)際流量。通過Openflow交換機(jī)計(jì)算實(shí)際流量速率。

（2）網(wǎng)絡(luò)資源分配模塊:接收租戶網(wǎng)絡(luò)切片監(jiān)控模塊的數(shù)據(jù)，進(jìn)行決策是否需要進(jìn)行帶寬調(diào)整；若需要進(jìn)行帶寬調(diào)整，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)切片監(jiān)控模塊和內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)資源分配模塊進(jìn)行決策需要調(diào)整的資源量，例如增加或減少多少帶寬。將結(jié)果發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)切片更新模塊，并通知數(shù)據(jù)庫(kù)更新分配給每個(gè)租戶切片的帶寬。

（3）網(wǎng)絡(luò)切片更新模塊。該模塊接受網(wǎng)絡(luò)資源分配模塊的結(jié)果，并生成切片更新策略。通過Hypervisor的北向接口，將策略發(fā)送到Hypervisor。然后，Hypervisor更新切片規(guī)則并更新每個(gè)切片的帶寬。

（4）內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)模塊。記錄有關(guān)租戶網(wǎng)絡(luò)切片的信息，如租戶切片識(shí)別，租戶切片帶寬等。每個(gè)控制器連接到它并共享有關(guān)切片的數(shù)據(jù)。它減少了控制器之間協(xié)調(diào)的開銷。

圖2 DRANS功能架構(gòu)圖Fig.2 Functionalties of DRANS

在網(wǎng)絡(luò)切片中，只需有一個(gè)主SDN控制器，具有所有的功能；其他是輔助控制器，只有網(wǎng)絡(luò)切片監(jiān)控模塊。輔助控制器監(jiān)控切片的實(shí)際流量并將其寫入內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)。主控制器從內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)獲取數(shù)據(jù)，并對(duì)帶寬進(jìn)行調(diào)整決策。

3.2 資源動(dòng)態(tài)調(diào)整決策機(jī)制

資源動(dòng)態(tài)調(diào)整決策機(jī)制，對(duì)帶寬資源調(diào)整觸發(fā)條件和資源的調(diào)整量進(jìn)行了決策。帶寬資源調(diào)整觸發(fā)條件，即確定資源調(diào)整的觸發(fā)因素；帶寬分配機(jī)制資源，即確定資源的調(diào)整量，調(diào)整后的資源分配情況。以下分別對(duì)這兩部分進(jìn)行介紹。

3.2.1 帶寬資源調(diào)整觸發(fā)條件

每個(gè)租戶網(wǎng)絡(luò)切片上的流量隨時(shí)間變化而動(dòng)態(tài)變化，因此需要?jiǎng)討B(tài)改變每個(gè)租戶網(wǎng)絡(luò)切片分配的網(wǎng)絡(luò)資源。然而，因?yàn)榱髁康纳倭吭黾踊蛏倭繙p少就去調(diào)整網(wǎng)絡(luò)切片的帶寬是低效的。因此，應(yīng)該確定帶寬調(diào)整的觸發(fā)條件。

假設(shè)以下變量：G是租戶網(wǎng)絡(luò)切片保障的最低帶寬；A是分配給租戶網(wǎng)絡(luò)切片的帶寬；C是租戶網(wǎng)絡(luò)切片上的當(dāng)前流量速率：αL，αH是當(dāng)前分配帶寬的百分比，當(dāng)C小于AαL時(shí)，存在資源浪費(fèi)，當(dāng)C大于AαL時(shí)，會(huì)存在網(wǎng)絡(luò)擁塞；L是C保持的時(shí)間。如圖3所示，可以得到以下狀態(tài)：

（a）擁塞：當(dāng) C ＞=AαH；

（b）可行：當(dāng) AαL=＜C＜=AαH；

（c）浪費(fèi)：當(dāng)C＜=AαL

租戶網(wǎng)絡(luò)切片帶寬是否需要進(jìn)行調(diào)整是根據(jù) C的值。若C處于AαL和AαH之間時(shí), 不需要進(jìn)行帶寬調(diào)整；若 C小于AαL, 意味著存在資源浪費(fèi)，需要進(jìn)行帶寬調(diào)整，將租戶網(wǎng)絡(luò)切片分配的資源量調(diào)??；若C大于AαH，意味著租戶網(wǎng)絡(luò)切片可能存在擁塞，需要將租戶網(wǎng)絡(luò)切片分配的資源量調(diào)大，從而不影響租戶體驗(yàn)。

圖3 資源狀態(tài)圖Fig.3 Status of bandwidth resource

3.2.2 帶寬資源分配機(jī)制

我們假設(shè)第 i個(gè)租戶網(wǎng)絡(luò)切片分配的總帶寬為iA，從網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施商的單元帶寬租用價(jià)格為Pi，單元帶寬的收益為ig。

考慮情況1：當(dāng)租戶網(wǎng)絡(luò)切片i的用戶量突然增多，產(chǎn)生的實(shí)際流量逐漸逼近分配的資源量時(shí)，租戶網(wǎng)絡(luò)切片i的實(shí)際收益如公式（1）所示。

其中iU為租戶網(wǎng)絡(luò)切片i的實(shí)際流量，iA為租戶網(wǎng)絡(luò)切片i分配的帶寬值，σ為租戶網(wǎng)絡(luò)切片i的資源利用率。并且滿足：

為了不造成網(wǎng)絡(luò)擁塞和影響用戶體驗(yàn)，需要提高租戶網(wǎng)絡(luò)切片 i分配的帶寬值。提高分配的帶寬值后的收益：

調(diào)整后與調(diào)整前的收益差為：

由公式（3）可以分析出：ρ小于σ，所以ΔK小于0?？梢缘贸鼋Y(jié)論：利用率越高，收益越高。

考慮情況2：當(dāng)租戶網(wǎng)絡(luò)切片i的用戶量突然減少，產(chǎn)生的實(shí)際流量遠(yuǎn)小于分配的資源量時(shí)，需要對(duì)租戶網(wǎng)絡(luò)切片 i的分配資源調(diào)小，同樣得出公式（3），但ρ大于σ，所以ΔK大于0。同樣得出結(jié)論：利用率越高，收益越高。

因此，租戶網(wǎng)絡(luò)切片收益與網(wǎng)絡(luò)資源利用率成正比關(guān)系。

假設(shè)一共有m個(gè)租戶網(wǎng)絡(luò)切片，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片總量為Aall，iμ為租戶網(wǎng)絡(luò)切片i的資源利用率，可以得出：

其中 aj為租戶網(wǎng)絡(luò)切片i的上第j個(gè)用戶的實(shí)際流量，一共有n個(gè)用戶。為租戶網(wǎng)絡(luò)切片i調(diào)整后分配的資源。

目標(biāo)函數(shù)1即為所有租戶網(wǎng)絡(luò)切片調(diào)整后的資源利用率達(dá)到最大：

然而，調(diào)整網(wǎng)絡(luò)資源是有開銷的，比如更新租戶網(wǎng)絡(luò)切片所帶來的延遲。假設(shè) 是租戶網(wǎng)絡(luò)切片i單元帶寬調(diào)整的開銷。可以得出第二個(gè)目標(biāo)函數(shù)，即使得帶寬調(diào)整開銷最小化：

以上有兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)，一個(gè)是使得資源利用率最大化，一個(gè)是使得資源調(diào)整開銷最小化，可以將目標(biāo)歸一化，最終目標(biāo)是求解各個(gè)租戶網(wǎng)絡(luò)切片的重新分配值，使得歸一化函數(shù)result值最大：

我們使用遺傳算法來解決上述問題。一個(gè)個(gè)體編碼為長(zhǎng)度為 m位的二進(jìn)制序列，該序列由m個(gè)長(zhǎng)度為 l子序列組成。個(gè)體編碼結(jié)構(gòu)如圖4所示。初代數(shù)量隨機(jī)產(chǎn)生，我們假設(shè)為k。上述目標(biāo)函數(shù)（7）作為適應(yīng)度函數(shù)。流程如下：

選擇操作：計(jì)算每個(gè)個(gè)體if各自的適應(yīng)度和所有個(gè)體適應(yīng)度總和sumf ，之后計(jì)算出每個(gè)個(gè)體與所有個(gè)體適應(yīng)度總和的比值選擇相對(duì)適應(yīng)度值更高的個(gè)體來產(chǎn)生下一代。

交叉操作：在個(gè)體二進(jìn)制序列之間交換部分序列。首先隨機(jī)地選擇兩個(gè)個(gè)體作為交換者，然后選擇交換序列的起始位置和結(jié)束位置，最后整體交換這兩部分序列。

變異操作：隨機(jī)選擇個(gè)體序列中的部分序列，對(duì)其進(jìn)行取反操作。

經(jīng)過以上步驟，一個(gè)具有更高適應(yīng)度的新生代群體產(chǎn)生。經(jīng)過不斷的迭代，設(shè)置迭代終結(jié)條件為群體的適應(yīng)度提高小于千分之一，得到最終結(jié)果。

圖4 個(gè)體編碼Fig.4 Individual encoding

4 實(shí)驗(yàn)仿真

本文使用Mininet、Flowvisor和Ryu來仿真以上方案。仿真拓?fù)淙鐖D 5所示，包含了 OpenFlow交換機(jī)、Flowvisor虛擬化管理器和SDN控制器。

圖5 仿真拓?fù)銯ig.5 Simulation topology

Flowvisor通過北向接口連接到Ryu控制器，通過南向接口連接到 Mininet。Mininet網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生的流量被Flowvisor攔截并且根據(jù)Flowvisor定義的切片規(guī)則，發(fā)送到對(duì)應(yīng)租戶網(wǎng)絡(luò)切片中的控制器，控制器對(duì)流進(jìn)行相關(guān)處理。

Flowvisor將底層網(wǎng)絡(luò)切分為3個(gè)虛擬子網(wǎng)。h1，h2和h3分別為劃分到租戶網(wǎng)絡(luò)切片1，租戶網(wǎng)絡(luò)切片2和租戶網(wǎng)絡(luò)切片3上的終端。h4為這3個(gè)終端的服務(wù)器。本實(shí)驗(yàn)采用 Iperf服務(wù)器作為 h4，h1、h2和h3分別為Iperf客戶端。開啟Iperf服務(wù)器，可以使用 Iperf客戶端隨機(jī)產(chǎn)生一定帶寬大小的流量，模擬租戶網(wǎng)絡(luò)切片中流量的變化。

我們通過使用OpenFlow協(xié)議來檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)流量，用交換機(jī)端口的流量來代替鏈路上的流量?？刂破魍ㄟ^發(fā)送端口統(tǒng)計(jì)請(qǐng)求信息給交換機(jī)。交換機(jī)回復(fù)控制器，回復(fù)信息包含端口上接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量、字節(jié)數(shù)和統(tǒng)計(jì)時(shí)間，計(jì)算出一段時(shí)間內(nèi)的字節(jié)數(shù)差，即可得到當(dāng)前流量速率。

我們通過使用openflow協(xié)議來檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)流量，用交換機(jī)端口的流量來代替鏈路上的流量。初始分配給切片1、切片2、切片3的帶寬分別為50 M，分別使用Qos隊(duì)列1、隊(duì)列2、隊(duì)列3，進(jìn)行限速即初始時(shí)每個(gè)切片最大帶寬為50 M，物理帶寬總共為150 M。方案中的參數(shù)αL，αH,，ci，L以根據(jù)用戶策略設(shè)置，實(shí)驗(yàn)使用初始化值如表1所示。

實(shí)驗(yàn)中預(yù)先配置若干個(gè)隊(duì)列模板，以便切片帶寬改變后進(jìn)行匹配限速。使用Iperf客戶端模擬流量變化，監(jiān)測(cè)模塊計(jì)算流量帶寬，資源分配模塊進(jìn)行決策并計(jì)算出最優(yōu)分配值，最后調(diào)用切片更新腳本進(jìn)行切片策略更新，改變切片中的帶寬分配值。

表1 初始化參數(shù)Tab.1 Initialize parameters

這里我們模擬從h1、h2和h3中產(chǎn)生的流量分別為60 Mbps、15 Mbps和40 Mbps，以切片2為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程展示：

a. 首先建立好實(shí)驗(yàn)拓?fù)?，啟?dòng) Mininet，對(duì) S1進(jìn)行預(yù)先配置帶寬隊(duì)列，h4開啟 Iperf服務(wù)功能，此時(shí)h2先模擬產(chǎn)生15 Mbps的流量，帶寬值、控制器、流表分別如圖6～8所示。

圖6 產(chǎn)生15 Mbps的流量分配的帶寬Fig. 6 Bandwidth allocation before adjustment

圖7 Ryu控制器處理Fig.7 Ryu controller response

b. 改變h2產(chǎn)生的流量，改為40 Mpbs，得到相應(yīng)結(jié)果如圖9～11所示。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，改變了終端h2產(chǎn)生的流量后，Ryu控制器監(jiān)控到流量的變化，更新了流表以及切片策略，分配的帶寬隨著發(fā)生了相應(yīng)變化。

我們?nèi)ˇ罫=0.2，αH=0.8，c1=1，c2=2，c3=3和L=1minutes進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，三個(gè)切片實(shí)際流量變化如圖12所示，帶寬利用率數(shù)據(jù)如圖13所示，與圖14對(duì)比可以得出結(jié)論：DRANS方案可以使得帶寬資源利用率維持在20%和80%之間并且使得所有切片利用率最高；非 DRANS方案中，一些切片帶寬資源利用率超過80%，接近100%，容易造成網(wǎng)絡(luò)阻塞。因此可以證明DRANS可以提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)資源利用率。

圖8 交換機(jī)S1上流表Fig.8 Flow in S1

圖10 Ryu控制器調(diào)整帶寬處理Fig.10 Ryu controller response

圖11 交換機(jī)S1上流表更新Fig.11 Flow in S1 update

圖12 切片帶寬時(shí)間變化圖Fig.12 Bandwidth variation by Time

圖13 DRANS資源利用率Fig.13 Resource utilization of DRANS

圖14 non-DRANS資源利用率Fig.14 Resource utilization of non-DRANS

5 結(jié)論

本文針對(duì) 5G網(wǎng)絡(luò)切片中因業(yè)務(wù)波動(dòng)而產(chǎn)生資源利用不足且傳輸網(wǎng)不靈活的問題，提出了在 5G本地傳輸網(wǎng)上基于SDN的資源動(dòng)態(tài)調(diào)整方案，該方法將功能模塊內(nèi)置在SDN控制器中，采用主輔控制器方式，為減少控制器間的協(xié)同開銷采用內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并提出了網(wǎng)絡(luò)切片資源動(dòng)態(tài)調(diào)整的決策算法，主控制器通過數(shù)據(jù)分析決策是否進(jìn)行資源調(diào)整以及決策需要調(diào)整的資源量，以便保證網(wǎng)絡(luò)的資源利用率達(dá)到最大。實(shí)驗(yàn)仿真表明，此方案具有可行性并且能夠明顯地提高資源利用率。

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The Method of Resource Dynamic Adjustment in Network Slice Based on SDN

PAN Zhi-wei
(Beijing University of Posts and Telecommunications, Network Technology Research Institute, Beijing City 100876)

5G is envisioned to be a multi-service network supporting a wide range of verticals with a diverse set of performance and service requirements. Network Slicing has emerged as a key to realizing this vision. As the network slice usage varies frequently, the resources assigned to it if statically sometimes may be over-allocated or less-allocated. Hence it is indispensable to adjust the amount of network resources for network slice for optimizing the utilization of network resources. 5G requires more flexible transport networks in order to feed the increasingly bandwidth hungry radio access networks. Based on the above analysis, this paper proposes a method of dynamic resource adjustment of the network slice (DRANS) based on SDN to improve resource utilization at the local transport network. A novel architecture with several functionalities built in SDN controller and shared memory database is proposed. It decides when and how much the network slice resources should be adjusted by a resource allocation model. Experiments are conducted using Mininet to verify the above theory.

Network slice; Resource adjustment; Software defined networking

TN929.5

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.12.026

本文著錄格式：潘志偉. 基于SDN的網(wǎng)絡(luò)切片中資源動(dòng)態(tài)調(diào)整的方法[J]. 軟件，2017，38（12）：136-142

潘志偉，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)镾DN、5G、移動(dòng)性管理。