韓曉陽, 孟相如, 康巧燕, 翟 東, 劉鵬飛

(空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院, 陜西 西安 710077)

0 引 言

傳統(tǒng)的功能與硬件緊耦合的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供方式存在管理復(fù)雜、升級換代成本昂貴、可擴(kuò)展性差、新服務(wù)上線周期長等問題,不斷發(fā)展的多樣化業(yè)務(wù)需求更加劇了這些問題,互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展面臨著瓶頸,進(jìn)行技術(shù)變革勢在必行[1-3]。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化基于虛擬化技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)服務(wù)器、交換機(jī)和存儲器來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能,替代網(wǎng)絡(luò)中的專用中間盒,使虛擬網(wǎng)絡(luò)功能(virtual network function, VNF)與專用硬件設(shè)備完全解耦,能夠支持新興業(yè)務(wù)的快速上線,極大地提高業(yè)務(wù)部署的靈活性并降低運(yùn)維成本[4-6]。

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化以服務(wù)功能鏈(service function chain, SFC)的形式部署,由多個部署在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上的VNF按一定的邏輯順序組合成的虛擬路徑來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能,為用戶提供相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)[4]。SFC為網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)提供了高度靈活、資源節(jié)約和集中編排的特性,成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。很多學(xué)者就SFC部署問題付出了不懈努力,取得了較為豐富的研究成果[7-9]。

當(dāng)前的SFC部署研究多假設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施是完全可靠的,然而現(xiàn)實(shí)情況中問題卻復(fù)雜得多。相比于高可靠的電信級專用硬件設(shè)備,“軟件化”VNF的脆弱性給網(wǎng)絡(luò)帶來了一定的可靠性風(fēng)險,導(dǎo)致VNF發(fā)生失效的因素復(fù)雜多樣。任何一個服務(wù)器節(jié)點(diǎn)故障或是VNF失效都將導(dǎo)致相關(guān)SFC的故障,造成服務(wù)中斷、數(shù)據(jù)丟失、資源浪費(fèi)等問題。文獻(xiàn)[10]重點(diǎn)研究了網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化相關(guān)的可靠性問題,并指出硬件或軟件故障均可能導(dǎo)致VNF的失效,而任意VNF的失效都將影響整個SFC的工作,造成服務(wù)中斷。文獻(xiàn)[11]研究了SFC的可靠性部署問題,在未預(yù)留備份資源的情況下盡可能提高SFC的可靠性,但并未解決基礎(chǔ)設(shè)施故障時的服務(wù)中斷問題。

采用預(yù)留備份資源的方式能夠提高網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的可靠性,但也存在物理網(wǎng)絡(luò)資源利用率不高的問題。文獻(xiàn)[12]采用專用備份的方式備份部署VNF實(shí)例,并實(shí)現(xiàn)了SFC及備份VNF的一階段協(xié)同部署,但專用備份方式將會帶來較高的資源開銷,并且影響整體的部署成功率。文獻(xiàn)[13]在滿足SFC可靠性需求的基礎(chǔ)上,以提高部署成功率和降低部署花費(fèi)為目標(biāo),將SFC部署轉(zhuǎn)化為馬爾可夫決策過程并求解,完成SFC可靠部署。文獻(xiàn)[14]對SFC中的所有VNF進(jìn)行備份,并考慮了備份資源的共享問題,在保證服務(wù)可靠性的同時一定程度上降低了備份資源量。文獻(xiàn)[15]設(shè)置了一個參數(shù)來衡量服務(wù)器節(jié)點(diǎn)可靠性和量化SFC中VNF的可靠性需求,并設(shè)計(jì)了一種魯棒的SFC可靠部署方法以降低備份資源量并提高物理網(wǎng)絡(luò)資源利用率。文獻(xiàn)[16]提出了一種系統(tǒng)可用性評價方法,并設(shè)計(jì)了一種預(yù)留備份資源以保證服務(wù)安全性的SFC部署方法。文獻(xiàn)[17]針對SFC部署時的可靠性問題,提出對備份VNF選擇、備份實(shí)例放置和SFC部署的聯(lián)合優(yōu)化方法,在優(yōu)先滿足網(wǎng)絡(luò)服務(wù)可靠性需求的同時,提高了SFC部署成功率。文獻(xiàn)[18]提出一種新的備份保護(hù)方法,通過對VNF重要度進(jìn)行評估,為重要的VNF預(yù)留備份資源,提高了SFC可靠性,并盡可能降低資源消耗。文獻(xiàn)[19]為降低備份資源消耗,對SFC中可靠性較低的VNF進(jìn)行備份保護(hù)來保證SFC可靠性,提高了服務(wù)器節(jié)點(diǎn)資源利用率,但未能充分考慮VNF備份資源共享,因此資源利用率還有提高的空間。文獻(xiàn)[20]以最小化備份資源消耗為目標(biāo),提出一種資源感知的SFC備份保護(hù)方法,在保證SFC可靠性的同時降低了備份資源消耗,提高了資源利用率。

為了在保證SFC可靠性的同時進(jìn)一步提高資源利用率,本文提出一種可靠性與拓?fù)涓兄腟FC備份保護(hù)方法,在保證SFC可靠性需求的前提下盡可能降低備份資源消耗。首先,在SFC初步部署階段,以可靠性為約束條件,利用最小費(fèi)用最大流算法形成SFC請求的初步部署方案,在未預(yù)留備份資源的情況下盡可能提高SFC部署的可靠性。其次,在備份保護(hù)階段,利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)(software defined network, SDN)控制器實(shí)時感知服務(wù)器節(jié)點(diǎn)可靠性和物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?為未能達(dá)到可靠性需求的SFC通過預(yù)留備份資源的方式來提高其可靠性,并考慮備份資源可被不同的SFC共享。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法能夠在保證可靠性的基礎(chǔ)上,使物理網(wǎng)絡(luò)資源利用更加合理。

1 網(wǎng)絡(luò)模型及方法描述

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

(1) SFC請求

一個SFC請求可以用一個賦權(quán)無向圖Gv=(S,T,V,Ev,dv,Dd)表示，其中V={v1,v2,…,vP}。業(yè)務(wù)流從一個交換機(jī)節(jié)點(diǎn)流入,經(jīng)過給定順序的VNF后,從另一個交換機(jī)節(jié)點(diǎn)流出,本文常用符號及其含義如表1所示。

表1 常用符號及其含義

(2) 物理網(wǎng)絡(luò)

(3) SFC部署

當(dāng)SFC請求到達(dá)時,服務(wù)提供者按照既定順序?qū)嵗疭FC的各個VNF。SFC部署需要消耗物理網(wǎng)絡(luò)的帶寬資源、計(jì)算資源和轉(zhuǎn)發(fā)資源。為防止由于流分裂帶來的性能下降,本文規(guī)定一條業(yè)務(wù)流不能被分裂成兩條以上流。

1.2 評價指標(biāo)

(1) 可靠部署成功率

可靠部署成功率是指在滿足可靠性需求的前提下的SFC部署成功率,是描述SFC可靠部署的重要指標(biāo)之一,可以表示為

(1)

式中:SFCsuc(t)表示t時刻成功部署的SFC請求數(shù)量;SFC(t)表示t時刻到達(dá)的SFC請求數(shù)量;Td表示總的運(yùn)行時間;δ是接近于0的常數(shù)。

(2) 長期平均收益開銷比

對于SFC請求Gv,定義收益R(Gv,t)和開銷C(Gv,t)分別為

(2)

(3)

通常利用長期平均收益開銷比來表征穩(wěn)定狀態(tài)下SFC部署算法的性能,可以表示為

(4)

(3) 平均鏈路擴(kuò)張系數(shù)

本文將平均鏈路擴(kuò)張系數(shù)定義為SFC部署在物理網(wǎng)絡(luò)鏈路的跳數(shù)之和相較于部署成功的SFC虛擬鏈路跳數(shù)之和的比值。平均鏈路擴(kuò)張系數(shù)反映了物理鏈路資源利用情況,可以表示為

(5)

(4) 備份與主用資源比例

備份與主用資源比例是描述備份保護(hù)方法的重要指標(biāo)之一,是指用于備份保護(hù)的資源總量與主用資源總量的比值,可表示為

(6)

式中:Reb(t)表示t時刻備份資源總量,是鏈路備份資源消耗、服務(wù)器節(jié)點(diǎn)備份資源消耗及備份拓?fù)滢D(zhuǎn)發(fā)資源消耗三者之和;Rez(t)表示t時刻主用資源總量,是主用鏈路資源消耗、主用服務(wù)器節(jié)點(diǎn)資源消耗、以及主用轉(zhuǎn)發(fā)資源消耗三者之和。

1.3 SFC備份保護(hù)方法描述

本文首先將SFC部署問題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)路徑選擇問題,并利用最小費(fèi)用最大流算法尋找可靠性最高的部署路徑,盡可能提高SFC的可靠性。其次,為未達(dá)到可靠性需求的SFC通過預(yù)留備份資源的方式進(jìn)行可靠性增強(qiáng),并考慮不同VNF和不同SFC之間備份資源共享以提高資源利用率。

(1) 未備份保護(hù)時SFC部署的可靠性計(jì)算

VNF的可靠性依賴于其部署的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的可靠性,未預(yù)留備份資源進(jìn)行備份保護(hù)時SFC的可靠性AR可表示為

(7)

式中:ri為一條SFC中各VNF部署的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的可靠性。如果部署過程中各VNF未進(jìn)行聚合,則該條SFC請求部署的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)數(shù)n與該SFC請求中的VNF個數(shù)相等。如果部署過程中存在VNF聚合的情況,則n為該條SFC請求部署的實(shí)際服務(wù)器節(jié)點(diǎn)數(shù)。由式(7)可以看出,VNF聚合由于減少了部署的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)數(shù)量,可以提高SFC部署時的可靠性,因此在部署階段應(yīng)優(yōu)先考慮VNF聚合。為減少預(yù)留的備份資源量,在SFC主鏈部署時應(yīng)盡可能提高其可靠性,因此應(yīng)選擇在滿足時延約束的條件下,將VNF部署在可靠性更高的節(jié)點(diǎn)上。

(2) 進(jìn)行備份保護(hù)的SFC可靠性計(jì)算

在對SFC進(jìn)行備份保護(hù)時,應(yīng)對SFC中已初步部署的VNF進(jìn)行可靠性排序,并對可靠性最低的VNF進(jìn)行備份保護(hù)。

當(dāng)僅為SFC中VNFvq預(yù)留備份資源進(jìn)行備份保護(hù)時,預(yù)留備份資源的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)可靠性為rb,備份資源僅對vq進(jìn)行備份保護(hù),則AR可表示為

(8)

式中:M為SFC中VNF(除vq外)部署的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)集合。

考慮備份資源對SFC中鄰近的VNF進(jìn)行共享保護(hù)可以進(jìn)一步提高SFC部署的可靠性。當(dāng)為vq和vq+1預(yù)留備份資源進(jìn)行備份保護(hù)時,預(yù)留備份資源的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)可靠性為rb,預(yù)留備份資源可以共享,則AR可表示為

(9)

式中:N為SFC中VNF(除vq和vq+1外)部署的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)集合。

(3) VNF備份部署節(jié)點(diǎn)位置選擇

以選定被保護(hù)VNF的上一個VNF部署位置(或是流入交換機(jī)節(jié)點(diǎn)位置)和下一個VNF部署位置(或是流出交換機(jī)節(jié)點(diǎn)位置)為位置約束,尋找鄰近滿足時延和可靠性約束的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)作為備份VNF部署位置。如果此時能夠達(dá)到可靠性需求,則形成部署方案,如圖1(a)所示,其中綠色節(jié)點(diǎn)為備份VNF部署服務(wù)器節(jié)點(diǎn)。否則考慮利用該備份資源對待被保護(hù)VNF與鄰近VNF進(jìn)行共享備份保護(hù)以提高SFC可靠性,如圖1(b)所示,并計(jì)算其可靠性和時延,判斷是否符合要求。如果滿足條件,輸出部署方案,否則判斷為備份保護(hù)失敗。

圖1 SFC備份保護(hù)示例Fig.1 Example of SFC backup protection

如果選擇的備份節(jié)點(diǎn)和鏈路上已預(yù)留備份資源,則可考慮備份資源被不同的SFC共享,以提高物理網(wǎng)絡(luò)資源利用率。

2 整數(shù)線性規(guī)劃模型

為更好地描述SFC的可靠部署問題,本文建立SFC可靠部署的整數(shù)線性規(guī)劃模型,目標(biāo)函數(shù)和相關(guān)約束條件如下。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

備份資源與主用資源比例能夠較好地反映出本文提出方法的性能,因此本文以最小化備份資源與主用資源比例作為目標(biāo)函數(shù)minpb：

(10)

2.2 約束條件

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

rrp≤ARp

(23)

3 可靠性與拓?fù)涓兄腟FC備份保護(hù)方法

可靠性與拓?fù)涓兄腟FC部署方法包括:基于最小費(fèi)用最大流的SFC部署方法以及拓?fù)涓兄腣NF備份保護(hù)方法,其流程如圖2所示。首先,利用最小費(fèi)用最大流算法綜合考慮時延和可靠性進(jìn)行SFC部署,盡可能提高其可靠性,并生成SFC初步部署方案。其次,判斷該方案能否達(dá)到SFC可靠性需求。如果已經(jīng)達(dá)到可靠性需求,則為可行部署方案。否則利用拓?fù)涓兄腣NF備份保護(hù)方法,通過為該方案中可靠性較低的VNF預(yù)留備份資源的方式提高SFC可靠性。

圖2 SFC備份保護(hù)方法流程Fig.2 Process of SFC backup protection method

3.1 基于最小費(fèi)用最大流的SFC部署方法

為提高SFC部署性能,本文所提算法首先把SFC部署問題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)路徑選擇問題,然后利用最小費(fèi)用最大流算法進(jìn)行求解,其流程如圖3所示。

圖3 SFC部署方法流程Fig.3 Process of SFC deployment method

首先,根據(jù)業(yè)務(wù)流流入流出節(jié)點(diǎn)位置、各VNF節(jié)點(diǎn)資源需求以及業(yè)務(wù)流帶寬需求確定候選節(jié)點(diǎn)集合和候選路徑集合,并利用候選路徑集合構(gòu)造有向網(wǎng)絡(luò)。其次,利用拆點(diǎn)法將有向網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化為容量-流量-費(fèi)用網(wǎng)絡(luò),以物理鏈路時延為約束,以服務(wù)器節(jié)點(diǎn)可靠性作為費(fèi)用,將SFC部署問題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)路徑選擇問題。最后,利用最小費(fèi)用最大流算法在物理網(wǎng)絡(luò)上尋找從源節(jié)點(diǎn)和匯節(jié)點(diǎn)之間的最小費(fèi)用最大流路徑,該路徑即為可靠性最高的部署路徑。

3.1.1 拆點(diǎn)法構(gòu)造容量-流量-費(fèi)用網(wǎng)絡(luò)

(1)確定候選節(jié)點(diǎn)集合

為防止SFC部署鏈路過長的問題,對于第i個VNFvi,其候選部署節(jié)點(diǎn)應(yīng)滿足如下位置約束:

(24)

(25)

確定候選節(jié)點(diǎn)集合具體算法如下。

(2)確定候選路徑集合

根據(jù)第2節(jié)算法結(jié)果,可得到各候選節(jié)點(diǎn)集合,如圖4所示。

圖4 各候選節(jié)點(diǎn)集合示例Fig.4 Example of candidate node sets

此時SFC部署問題就轉(zhuǎn)化為尋找從源節(jié)點(diǎn)出發(fā)經(jīng)過候選節(jié)點(diǎn)到達(dá)匯節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路徑問題,該路徑必須經(jīng)過所有候選節(jié)點(diǎn)集合,且每個候選集合中的節(jié)點(diǎn)只能使用一次,各候選節(jié)點(diǎn)集合中的重合節(jié)點(diǎn)可以作為VNF的聚合部署節(jié)點(diǎn)使用,以降低鏈路時延。假定物理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可承載的VNF類型數(shù)為m,則相鄰m個VNF可部署在同一個服務(wù)器節(jié)點(diǎn),除此之外則不可進(jìn)行VNF聚合以防止流量的乒乓效應(yīng)。例如m=2,則vi可與相鄰的vi-1部署在同一個服務(wù)器節(jié)點(diǎn)上,vi不可與除vi-1和vi+1以外的其他VNF聚合,否則易產(chǎn)生流量的乒乓效應(yīng)。利用深度優(yōu)先搜索算法以鏈路帶寬為約束在物理網(wǎng)絡(luò)上找出所有符合條件的有向路徑,以這些有向路徑構(gòu)成適用于網(wǎng)絡(luò)流的有向網(wǎng)絡(luò)。

(3) 拆點(diǎn)法構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)

因業(yè)務(wù)流量的有向性,為便于利用網(wǎng)絡(luò)流理論尋找最優(yōu)部署路徑,需利用拆點(diǎn)法將有向網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化為適用于網(wǎng)絡(luò)流方法的容量-流量-費(fèi)用網(wǎng)絡(luò)Gc。將網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號,將節(jié)點(diǎn)Ai拆點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)對Ai與Ai′,從Ai到Ai′連接一條邊,邊的容量為1(表示只能經(jīng)過一次),流量為1(表示經(jīng)過次數(shù)),一個節(jié)點(diǎn)對之間的流量費(fèi)用為0(相當(dāng)于自己到自己的費(fèi)用)。如果節(jié)點(diǎn)Ai到Aj直接連接,則從Ai′到節(jié)點(diǎn)Aj連接一條邊,邊的容量為1,以節(jié)點(diǎn)Ai可靠性的倒數(shù)1/Ri作為Ai到Aj流量費(fèi)用Rij,即cost=Rij=1/Ri,如圖5所示。

圖5 容量-流量-費(fèi)用網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造Fig.5 Construction of capacity-flow-cost network

3.1.2 最小費(fèi)用最大流算法

最小費(fèi)用最大流問題就是在容量-流量-費(fèi)用網(wǎng)絡(luò)中求一個費(fèi)用最小的最大流。利用最小費(fèi)用最大流算法求解該問題,能夠保證在流量最大的路徑上費(fèi)用最小,即可靠性最高,保證了SFC部署性能。為清楚地表述該問題,引入剩余網(wǎng)絡(luò)RN(f),其與網(wǎng)絡(luò)Gc節(jié)點(diǎn)相同,剩余網(wǎng)絡(luò)反映了節(jié)點(diǎn)間鏈路的剩余容量。最小費(fèi)用最大流算法具體步驟如下。

算法2 最小費(fèi)用最大流算法輸入 Gc,Gs,SFC請求輸出 SFC初步部署方案1. 令流量為0的最小費(fèi)用流fk=02. for i=1: k3. 構(gòu)造剩余網(wǎng)絡(luò)RN(fk)4. 以Rij作為費(fèi)用,利用深度優(yōu)先搜索算法在RN(fk)中尋找從源點(diǎn)到匯點(diǎn)的最小費(fèi)用路5. if 最小費(fèi)用路P不存在6. fk為最小費(fèi)用最大流,計(jì)算結(jié)束7. else8. 更新fk為fk+P,更新剩余網(wǎng)絡(luò)RN(fk)9. end if10. end for11. return 最小費(fèi)用最大流路徑即為候選最優(yōu)部署路徑12. if 候選最優(yōu)部署路徑為空集或不滿足SFC計(jì)算資源需求13. 部署失敗14. else 初步部署成功15. return SFC初步部署方案16. end if

3.2 拓?fù)涓兄腣NF備份保護(hù)方法

如果SFC初步部署方案能夠滿足SFC可靠性需求,則為最終部署方案。否則,對該初步部署方案利用拓?fù)涓兄腣NF備份保護(hù)方法,對SFC中可靠性最低的VNF預(yù)留備份資源進(jìn)行備份保護(hù)。如果可靠性仍不能滿足需求,則考慮該SFC中的鄰近VNF共享備份資源,通過這種共享保護(hù)的方式提高其可靠性。不同SFC之間的備份資源也可以共享,盡可能提高物理網(wǎng)絡(luò)資源利用率。選定VNFvr作為待備份VNF,首先利用k-最短路徑方法,選出從vr-1部署節(jié)點(diǎn)S′(或流入交換機(jī)節(jié)點(diǎn))到vr+1部署節(jié)點(diǎn)T′ (或流出交換機(jī)節(jié)點(diǎn))之間除本條路徑以外的k條最短路徑作為候選備份路徑集合BL,并選擇BL中滿足時延約束且可靠性最高的路徑作為最優(yōu)備份路徑,拓?fù)涓兄腣NF備份保護(hù)方法具體步驟如下。

輸入 SFC初步部署方案輸出 VNF備份節(jié)點(diǎn)位置及備份路徑1. if SFC初步部署方案滿足SFC可靠性需求2. 可靠部署成功3. return SFC初步部署方案即為最終部署方案4. else 5. 選擇SFC可靠部署初步方案中最脆弱VNF部署位置Locr6. 利用k-最短路徑方法選出從S'到T'之間除本條以外的k條最短路徑作為候選備份路徑集合BL,并計(jì)算其時延和可靠性7. for j=1: k8. if 方案j滿足資源和時延約束條件9. 方案j為備份候選方案10. return 最優(yōu)備份路徑集合BLO11. end if12. end for13. 選擇最優(yōu)備份路徑集合BLO中可靠性最高的路徑,計(jì)算其可靠性ARp1,并考慮鄰近VNF共享保護(hù),計(jì)算其可靠性ARp14. if rrp≤ARp115. 備份保護(hù)成功16. return 最終部署方案17. else if rrp≤ARp 18. 備份保護(hù)成功19. return 最終部署方案20. else 備份保護(hù)失敗21. end if22. end if23. end if

根據(jù)最終部署方案,占用物理網(wǎng)絡(luò)計(jì)算、轉(zhuǎn)發(fā)和帶寬資源,完成SFC可靠部署。

4 實(shí)驗(yàn)仿真

本文利用Matlab進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真,選取在較大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)場景中對本文提出方法進(jìn)行性能驗(yàn)證,并與其他兩種方法進(jìn)行對比分析。

4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置

實(shí)驗(yàn)所用的物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蚐FC拓?fù)溆筛倪M(jìn)的Salam網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆S機(jī)生成算法生成。本文假定物理網(wǎng)絡(luò)的交換機(jī)節(jié)點(diǎn)和服務(wù)器節(jié)點(diǎn)處于同一位置,數(shù)量均為100,節(jié)點(diǎn)間的連接度為0.5。服務(wù)器節(jié)點(diǎn)和交換機(jī)節(jié)點(diǎn)的資源都服從參數(shù)為(50,60)的平均分布,交換機(jī)間的鏈路帶寬資源服從參數(shù)為(20,25)的平均分布。物理網(wǎng)絡(luò)的鏈路傳輸時延服從參數(shù)為(1, 2)的平均分布。本文假定每一個服務(wù)器節(jié)點(diǎn)可承載VNF類型為{v1,v2,v3,v4}中的兩種,即m=2。服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的可靠性在{0.7, 0.8, 0.9}中隨機(jī)選擇。

隨機(jī)選擇SFC請求的流入流出節(jié)點(diǎn)且不能重復(fù),每個SFC請求中的VNF數(shù)量滿足參數(shù)為[2, 4]的平均分布,且分屬于不同類型。各VNF計(jì)算資源需求滿足參數(shù)為[7, 10]的平均分布,各虛擬鏈路帶寬資源需求滿足參數(shù)為[5, 8]的平均分布。每條SFC請求允許的最大傳輸時延滿足參數(shù)為[6, 8]的平均分布。SFC請求到達(dá)率滿足參數(shù)為0.1的泊松分布,每個SFC的平均生存時間滿足參數(shù)為1 000的指數(shù)分布,其可靠性需求在{0.8, 0.9, 0.95}中隨機(jī)選擇。

實(shí)驗(yàn)持續(xù)10 000個時間單位,為減少隨機(jī)因素的影響,實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了10次,取10次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值作為最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4.2 實(shí)驗(yàn)分析

本文設(shè)置兩組實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證可靠性與拓?fù)涓兄腟FC備份保護(hù)方法(簡稱為RB-NFV)性能。第一組實(shí)驗(yàn)中,RB-NFV方法在相同的實(shí)驗(yàn)條件下與其他兩種SFC可靠性部署方法進(jìn)行對比,即可靠性保證的SFC備份保護(hù)方法(簡稱為RG-NFV)[11]和完全備份的SFC可靠性部署方法(簡稱為RU-NFV)[14]，具體如表2所示。第二組實(shí)驗(yàn)分析了物理網(wǎng)絡(luò)資源使用情況,驗(yàn)證RB-NFV方法在資源合理利用方面的性能。

表2 方法對比

4.2.1 實(shí)驗(yàn)1:方法性能對比

(1) 可靠部署成功率

如圖6所示,RU-NFV方法對原始SFC請求和備份拓?fù)渎?lián)合優(yōu)化,且考慮備份資源共享,取得了較好性能,但由于對所有VNF預(yù)留資源進(jìn)行備份,因此物理網(wǎng)絡(luò)資源消耗較快,穩(wěn)定狀態(tài)下可靠部署成功率穩(wěn)定在0.48左右。RG -NFV方法對備份實(shí)例放置和SFC部署進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化,性能較RU-NFV方法有較大提升,穩(wěn)定狀態(tài)下可靠部署成功率保持在0.65左右。本文提出的RB -NFV方法由于在SFC部署階段利用最小費(fèi)用最大流進(jìn)行求解,離最優(yōu)解更近。在備份階段僅對脆弱的VNF進(jìn)行備份保護(hù),且考慮鄰近的VNF共享備份資源,因此預(yù)留備份資源較少,可靠部署成功率在對比3種算法中最高,穩(wěn)定狀態(tài)下保持在0.7左右。

圖6 可靠部署成功率變化情況Fig.6 Change of reliable deploying success ratio

(2) 長期平均收益開銷比

如圖7所示,RU-NFV方法由于對SFC中所有VNF進(jìn)行備份,物理網(wǎng)絡(luò)資源消耗較多,因此長期平均收益開銷比下降較快,穩(wěn)定狀態(tài)下保持在0.53左右。RG-NFV方法對備份實(shí)例放置和SFC部署進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化,性能較RU-NFV方法有較大提升,穩(wěn)定狀態(tài)下收益開銷比保持在0.62左右。本文提出的RB-NFV方法由于在SFC初步部署階段利用最小費(fèi)用最大流進(jìn)行求解,使初步部署結(jié)果離最優(yōu)解更近,在備份保護(hù)階段僅對脆弱的VNF進(jìn)行備份保護(hù),且考慮鄰近的VNF共享備份資源,因此預(yù)留備份資源較少,長期平均收益開銷比在對比3種算法中最高,穩(wěn)定狀態(tài)下保持在0.65左右。

圖7 長期平均收益開銷比變化情況Fig.7 Change of long-term average revenue to cost ratio

(3) 備份與主用資源比例

如圖8所示,RU-NFV方法對SFC中所有VNF進(jìn)行備份,且考慮備份資源共享,穩(wěn)定狀態(tài)下備份資源與主用資源比例穩(wěn)定在0.68左右。RG -NFV方法將備份實(shí)例放置和SFC部署進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化,且能夠充分考慮備份資源共享,因此備份資源消耗減少,性能較RU-NFV方法有一定提升,穩(wěn)定狀態(tài)下備份資源與主用資源比例保持在0.54左右。本文提出的RB -NFV方法僅對脆弱的VNF進(jìn)行備份保護(hù),且考慮鄰近的VNF共享備份資源,可較大幅度減少備份資源消耗,備份資源與主用資源比例在對比3種算法保持最低,穩(wěn)定狀態(tài)下保持在0.49左右。

圖8 備份與主用資源比例變化情況Fig.8 Change of backup to primary resource ratio

(4) 平均鏈路擴(kuò)張系數(shù)

如圖9所示,RU-NFV方法對所有VNF進(jìn)行備份,資源消耗速度較快,平均鏈路擴(kuò)張系數(shù)較高,在到達(dá)率分別為0.1、0.15和0.2的情況下分別為1.44、1.53和1.78。RG-NFV方法充分考慮VNF備份資源共享,預(yù)留備份資源量減少,因此平均鏈路擴(kuò)張系數(shù)有所降低,在到達(dá)率分別為0.1,0.15和0.2的情況下,平均鏈路擴(kuò)張系數(shù)分別保持在1.34、1.39和1.43。本文提出的RB-NFV方法,由于最小費(fèi)用最大流算法在求解最優(yōu)路徑選擇問題方面具有較好性能,且備份資源能夠共享,因此平均鏈路擴(kuò)張系數(shù)在3種算法中最低,在到達(dá)率分別為0.1、0.15和0.2的情況下,平均鏈路擴(kuò)張系數(shù)分別保持在1.31、1.34和1.38,性能在3種算法中最優(yōu)。

圖9 平均鏈路擴(kuò)張系數(shù)變化情況Fig.9 Change of average link expansion coefficient

4.2.2 實(shí)驗(yàn)2:物理網(wǎng)絡(luò)資源使用情況分析

本組實(shí)驗(yàn)主要從物理網(wǎng)絡(luò)資源使用情況對本文所提算法進(jìn)行性能分析,并與其他兩種方法進(jìn)行對比驗(yàn)證。

(1) 瓶頸服務(wù)器節(jié)點(diǎn)占比

如圖10所示,RU-NFV和RG -NFV方法由于未能充分考慮服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的均衡使用問題,因此隨著物理網(wǎng)絡(luò)資源的不斷消耗,瓶頸服務(wù)器節(jié)點(diǎn)較多且增長較快。本文提出的RB -NFV方法在SFC部署階段充分考慮服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的均衡使用問題,因此瓶頸節(jié)點(diǎn)較少,穩(wěn)定狀態(tài)下低于3%,性能較為優(yōu)異。

圖10 瓶頸服務(wù)器節(jié)點(diǎn)占比變化情況Fig.10 Change of bottleneck server nodes proportion

(2) 閑置服務(wù)器節(jié)點(diǎn)占比

如圖11所示,RU-NFV和RG -NFV方法在物理網(wǎng)絡(luò)資源利用過程中未能充分考慮服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的均衡使用問題,因此服務(wù)器節(jié)點(diǎn)資源使用不夠均衡,出現(xiàn)了較多的閑置服務(wù)器節(jié)點(diǎn),穩(wěn)定狀態(tài)下分別為0.18和0.10。本文提出的RB -NFV方法由于在SFC部署階段和備份節(jié)點(diǎn)選擇階段考慮了服務(wù)器節(jié)點(diǎn)資源的均衡使用問題,因此資源使用較為均衡,閑置服務(wù)器節(jié)點(diǎn)比例低于0.05,相較于其他兩種方法性能更好。

圖11 閑置服務(wù)器節(jié)點(diǎn)占比變化情況Fig.11 Change of idle server nodes proportion

從以上兩組實(shí)驗(yàn)可以看出,本文提出的RB -NFV方法相較于其他兩種可靠性備份保護(hù)方法預(yù)留備份資源量更少,部署成功率更高,資源利用更加合理,整體性能較為優(yōu)越。

5 結(jié) 論

本文針對SFC可靠部署中存在資源利率較低的問題,提出了一種可靠性與拓?fù)涓兄腟FC備份保護(hù)方法。首先,將SFC部署問題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)路徑選擇問題,并利用最小費(fèi)用最大流算法求解。其次,利用SDN控制器實(shí)時感知物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜头?wù)器節(jié)點(diǎn)可靠性,對未達(dá)到可靠性需求的SFC通過預(yù)留冗余資源進(jìn)行備份保護(hù),并通過SFC間資源共享,盡可能降低備份資源消耗。實(shí)驗(yàn)表明,該方法在保證SFC可靠性的同時,提高了物理網(wǎng)絡(luò)資源利用率。