周逸凡，孟旭東

(1.寬帶無線通信與傳感網(wǎng)技術(shù)教育部重點實驗室，江蘇 南京 210003；2.南京郵電大學 江蘇省電信網(wǎng)絡(luò)融合實驗室，江蘇 南京 210003)

0 引 言

被稱為物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的互聯(lián)網(wǎng)上的連接設(shè)備正在以驚人的速度不斷增加。現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)備難以處理飛速增長的數(shù)據(jù)。一個難題是網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)備與全球分布式設(shè)備的連接。新技術(shù)的出現(xiàn)導致硬件的不斷過時，需要一種新的共享架構(gòu)能夠適應(yīng)這種快速的變化[1-2]。另一個核心問題是網(wǎng)絡(luò)的重新配置，以適應(yīng)不斷變化的流量特性如帶寬和延遲要求[3-4]。對未來軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)架構(gòu)進行了討論。建立了一個數(shù)學模型，討論了在不同會話數(shù)以及不同服務(wù)提供商數(shù)量的情況下，用成本來分析這種基于SDN/NFV網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)勢所在。

1 基于SDN的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

在基于SDN的虛擬化結(jié)構(gòu)中，底層硬件只負責數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，沒有其他控制和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)流量的智能因素設(shè)計[5]。整個網(wǎng)絡(luò)管理和控制操作都是在SDN控制器中完成的，它將網(wǎng)絡(luò)的控制平面和數(shù)據(jù)平面分離，它駐留在多個節(jié)點上，分布在大型云網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)器，并且軟件上表現(xiàn)為以集中方式對底層硬件進行邏輯控制。通過數(shù)據(jù)、控制和管理平面之間的標準API開發(fā)，允許異構(gòu)設(shè)備無需任何困難即可連接到網(wǎng)絡(luò)[6]。

在圖1中SDN架構(gòu)顯示了三個不同的平面，即數(shù)據(jù)、控制和管理平面。數(shù)據(jù)平面駐留在實際網(wǎng)絡(luò)硬件上，通過南向接口連接到控制平面。設(shè)備虛擬化發(fā)生在SDN控制器中的控制平面。位于控制層中的控制軟件，與基礎(chǔ)設(shè)施中的交換器路由等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過數(shù)據(jù)和控制平面接口交互，與應(yīng)用層各種應(yīng)用經(jīng)由開放API交互?？傊?，SDN控制器對下負責網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的抽象，對上負責維護全局管理，并提供各種上層應(yīng)用接口。

圖1 SDN體系結(jié)構(gòu)概念圖

2 基于網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

基于網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)的架構(gòu)概念圖如圖2所示。虛擬機管理程序的虛擬層位于設(shè)備上，管理程序在這些物理硬件上創(chuàng)建虛擬機。通過開放的API進行虛擬硬件的訪問。軟件可以通過訪問這些API以創(chuàng)建虛擬網(wǎng)絡(luò)功能(VNF)。VNF可以用一個運行在獨立服務(wù)器中的中央軟件管理器來創(chuàng)建[7]。另一方面，VNF啟用設(shè)備也可以使用中央SDN控制器進行控制，以便兩種架構(gòu)可以共存并共同運行[8]。

VNF體系結(jié)構(gòu)的三個基本組件是：(1)物理硬件：硬件可以是任何裸機，如擁有CPU、內(nèi)存和存儲器等資源的機器；(2)虛擬管理軟件層：這個虛擬層是運行在裸機硬件上的軟件層，用于管理CPU資源、內(nèi)存資源和存儲容量；(3)虛擬機：虛擬機是模擬體系結(jié)構(gòu)的軟件。一個物理硬件可以運行多個虛擬機。在物理硬件上運行的最大VM數(shù)量取決于物理硬件的容量和每個VM使用的資源數(shù)[9]。NFV和SDN體系結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵優(yōu)勢在于可以整合基于COTS服務(wù)器用于大數(shù)據(jù)處理和計算的網(wǎng)絡(luò)。蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)的物理層處理可以在這些COTS服務(wù)器中實現(xiàn)[10]。這對電信業(yè)是一大進步，它將改變整個蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，大大降低成本投資，并通過采用基于云的數(shù)據(jù)中心來減少資源消耗[11-12]。但目前還沒有測試這種網(wǎng)絡(luò)的性能，只有通過未來用戶試驗測試才能回答這些問題。

圖2 NFV體系結(jié)構(gòu)概念圖

3 基于4G基礎(chǔ)設(shè)備的SDN/NFV體系結(jié)構(gòu)的成本分析

本節(jié)采用一種數(shù)學模型來比較傳統(tǒng)4G硬件網(wǎng)絡(luò)以及使用基于云的SDN/NFV架構(gòu)的未來網(wǎng)絡(luò)成本。

3.1 成本分析：傳統(tǒng)4G網(wǎng)絡(luò)

假設(shè)一個4G中央路由器ri能夠處理ki會話并且服務(wù)提供商i將花費ui價錢購買，路由器的保質(zhì)期為x年，之后他們必須被替換。假設(shè)在相同的業(yè)務(wù)中有m個這樣的服務(wù)提供商使用4G中央路由器ri，每個服務(wù)提供者m的總客戶數(shù)設(shè)為cm。每個客戶v∈{1，cm}使用了kv會話。所有的輸入變量總結(jié)在表1中。

表1 4G網(wǎng)絡(luò)輸入變量的定義

服務(wù)提供商i支持所有客戶所需的路由器數(shù)量以及x年的相關(guān)成本:

ni=(kv/ki)×ci

(1)

Ci=ni×ui

(2)

其中,ni是所需路由器的數(shù)量;Ci是服務(wù)提供商i在x年之間的成本。

所有m個客戶的運營商所需要的成本總和是:

(3)

3.2 成本分析：基于SDN/NFV架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)

(4)

(5)

為了定量比較，令

(6)

(7)

服務(wù)提供商i在x年內(nèi)使用基于SDN/NFV的網(wǎng)絡(luò)所花費的成本，用它在4G網(wǎng)絡(luò)中的Ci表示。

(8)

下式給出了服務(wù)提供商i使用基于SDN/NFV體系結(jié)構(gòu)的共享網(wǎng)絡(luò)成本降低百分比，由Γi表示。

(9)

(10)

3.3 結(jié) 果

以變量的形式來獲取兩種技術(shù)之間的差異，研究SDN/NFV網(wǎng)絡(luò)和4G網(wǎng)絡(luò)之間的相對成本，如上述模型所示。不過，該模型中提出了基于成本許多重要的參數(shù)。其中一個重要指標是設(shè)備支持的會話數(shù)量。

圖3是使用基于SDN/NFV網(wǎng)絡(luò)的虛擬機和4G硬件的成本分析。在該模型和所有呈現(xiàn)的結(jié)果中，假設(shè)所有客戶在無限的時間段一直有流量。雖然這個假設(shè)不太現(xiàn)實，但它代表了最壞的情況，同時也代表了共享SDN/NVF網(wǎng)絡(luò)資源的增益情況。因此相對成本是可靠和定量的參數(shù)。服務(wù)提供商i在SDN/NFV網(wǎng)絡(luò)中的相對成本取決于虛擬機的功能。圖3顯示了4G路由器支持500個會話情況下的結(jié)果。通過將支持的會話數(shù)量從400提高到2 000，改變了SDN/NFV網(wǎng)絡(luò)的虛擬機的性能。令虛擬機租用成本與購買4G路由器相同，很明顯的看到，如果虛擬機功能不夠強大，SDN/NFV網(wǎng)絡(luò)的成本會更高。但是，當VM開始支持比4G路由器更多的會話時，SDN/NFV網(wǎng)絡(luò)的成本就會下降。租用虛擬機的實際成本低于此時4G路由器的實際成本。當虛擬機可以支持2 000個會話時，在SDN/NFV網(wǎng)絡(luò)上租用虛擬機的成本將大幅下降。

圖3 單個服務(wù)提供商情況下虛擬機相對于4G網(wǎng)絡(luò)硬件的成本比較

對于4G路由器分別支持500個和1 000個會話的情況，SDN/NFV網(wǎng)絡(luò)的成本降低百分比如圖4所示?？煽闯?，SDN/NFV技術(shù)成功使成本降低40%～80%。但正如之前提到，成本與現(xiàn)有的4G硬件技術(shù)相關(guān)。使用高效虛擬化軟件使COTS服務(wù)器更強大是降低SDN/NFV網(wǎng)絡(luò)成本的另一個關(guān)鍵因素[13]。

圖4 單個服務(wù)提供商的成本減少百分比

對于多個服務(wù)提供商，考慮兩種情況，首先是3個服務(wù)提供商，其次是5個服務(wù)提供商。對于3個服務(wù)提供商，kv={1,2,3}，ki={700,800,1 000}，γi={0.5,0.6,0.7}，并且ci={1 500,2 000,2 500}。對于由5個服務(wù)提供商組成的另一個網(wǎng)絡(luò)場景，kv={1,2,3,4,5}，ki={500,600,700,800,1 000}，γi={0.3,0.4,0.5,0.6,0.7}，且ci={1 500,2 000,2 500,3 000,3 000}。圖5顯示了共享通用SDN/NFV網(wǎng)絡(luò)的所有服務(wù)提供商的總成本節(jié)省。

由圖5可以看出，即使SDN/NFV沒有采用復用增益，它仍然提供了大量的成本和能量節(jié)省。在未來的工作中，希望能進一步了解多路復用如何在共享SDN/NFV網(wǎng)絡(luò)中提供更多的成本節(jié)約[14]。

圖5 SDN/NFV網(wǎng)絡(luò)所有服務(wù)提供商的總成本

4 結(jié)束語

研究了基于云的SDN/NFV網(wǎng)絡(luò)，并提出了一個數(shù)學模型用于比較SDN/NFV網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)4G網(wǎng)絡(luò)之間的成本。所有關(guān)鍵指標都是作為可變函數(shù)來研究它們對SDN/NFV網(wǎng)絡(luò)中整體成本的影響。

基于文獻中所提出的假設(shè)，文中提出的模型研究基于單個服務(wù)提供商和多個服務(wù)提供商。消除了任何復用增益的可能性，仍然發(fā)現(xiàn)在基于SDN/NFV網(wǎng)絡(luò)中仍存在相當多的成本降低。這一結(jié)果證實了通過部署基于軟件虛擬化的網(wǎng)絡(luò)的可實現(xiàn)收益。