陽(yáng) 勇，孟相如，康巧燕，韓曉陽(yáng)

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

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用更新?lián)Q代速度加劇。而傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)功能大都基于專(zhuān)有硬件，部署和升級(jí)都要對(duì)硬件設(shè)施進(jìn)行更改，一定程度上增加了運(yùn)營(yíng)商的開(kāi)銷(xiāo)[1]。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（network function virtualization，NFV）是下一代網(wǎng)絡(luò)重要技術(shù)之一，通過(guò)解耦硬件設(shè)備與運(yùn)行于其上的網(wǎng)絡(luò)功能，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的靈活部署、動(dòng)態(tài)擴(kuò)展以及軟硬件的發(fā)展周期分離[2]。利用NFV 技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)功能可以當(dāng)成一個(gè)普通軟件的實(shí)例，部署和升級(jí)過(guò)程不需要重新購(gòu)置和安裝新的硬件，從而降低運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)營(yíng)成本[3-4]。

在NFV 環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)中，由于服務(wù)功能鏈（service function chain，SFC）請(qǐng)求的到達(dá)時(shí)間與生存周期的差異性，隨著時(shí)間的推移，部分物理節(jié)點(diǎn)將部署大量虛擬網(wǎng)絡(luò)功能（virtual network function，VNF），其資源占用率達(dá)到瓶頸后，服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS）急劇下降[5]。與此同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中存在只部署少量VNF 的節(jié)點(diǎn)，其大量資源處于空閑狀態(tài)。若能將部署于負(fù)載較重節(jié)點(diǎn)上的VNF 遷移到負(fù)載較輕的節(jié)點(diǎn)上，實(shí)現(xiàn)物理網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡[6]，則能在充分利用底層網(wǎng)絡(luò)資源的同時(shí)提高QoS。

目前針對(duì)NFV 環(huán)境中網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡問(wèn)題已有相關(guān)研究[7-15]。文獻(xiàn)[7-9]研究了面向負(fù)載均衡的VNF部署問(wèn)題，其中文獻(xiàn)[7]提出一種基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的雙深度Q 網(wǎng)絡(luò)VNF 部署算法，使用機(jī)器學(xué)習(xí)收集網(wǎng)絡(luò)的流量信息并計(jì)算資源占用閾值，按照基于閾值的策略部署VNF。文獻(xiàn)[8]以負(fù)載均衡與鏈路時(shí)延為原則，采用Google 對(duì)網(wǎng)頁(yè)排名的PageRank 算法進(jìn)行節(jié)點(diǎn)評(píng)價(jià)，將VNF 部署在綜合能力最大的節(jié)點(diǎn)上。文獻(xiàn)[9]研究了具有布局約束的VNF 部署，每次貪婪地將下一個(gè)VNF 部署到當(dāng)前負(fù)載最低且滿(mǎn)足位置約束的服務(wù)器上。這類(lèi)方法在VNF 部署完畢的初期對(duì)網(wǎng)絡(luò)有較好的負(fù)載均衡性能，但難以避免隨著時(shí)間的推移依然出現(xiàn)負(fù)載失衡問(wèn)題。文獻(xiàn)[10-12]研究了有關(guān)負(fù)載均衡的VNF 遷移，其中文獻(xiàn)[10]提出一種多優(yōu)先級(jí)的VNF 遷移開(kāi)銷(xiāo)與網(wǎng)絡(luò)能耗聯(lián)合優(yōu)化算法，針對(duì)節(jié)點(diǎn)資源使用情況劃分了5 個(gè)分區(qū)，基于貪心算法對(duì)其采取不同的遷移策略，低過(guò)載節(jié)點(diǎn)進(jìn)行VNF合并，高過(guò)載節(jié)點(diǎn)進(jìn)行負(fù)載均衡。該算法能在降低網(wǎng)絡(luò)能耗的同時(shí)提高負(fù)載均衡程度，但分區(qū)太多加大了算法的復(fù)雜程度。文獻(xiàn)[11]提出一種基于多維環(huán)境感知的VNF 快速自適應(yīng)遷移算法，采用固定閾值的資源感知算法選擇待遷移VNF，利用TOPSIS 算法對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)并選擇遷移目的節(jié)點(diǎn)，能保證遷移開(kāi)銷(xiāo)的基礎(chǔ)上，提升底層網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡程度，但未考慮遷移后收益開(kāi)銷(xiāo)比問(wèn)題。文獻(xiàn)[12]提出一種優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)影響的VNF 遷移方法，以降低SFC 時(shí)延為目標(biāo)，同時(shí)兼顧節(jié)點(diǎn)負(fù)載與遷移成本，有效提高了SFC 的時(shí)效性，但對(duì)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡提升不明顯。文獻(xiàn)[13]提出使用虛擬軟件定義網(wǎng)絡(luò)（software defined network，SDN）控制器作為VNF 來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡的方法，當(dāng)?shù)讓泳W(wǎng)絡(luò)負(fù)載失衡并且流量持續(xù)增加時(shí)，添加一個(gè)輔助的虛擬SDN 控制器共享高負(fù)載節(jié)點(diǎn)的負(fù)載，有效降低了高負(fù)載節(jié)點(diǎn)資源占用率，但添加SDN控制器加重了運(yùn)營(yíng)商的開(kāi)銷(xiāo)。文獻(xiàn)[14]面向負(fù)載均衡對(duì)VNF 遷移方法進(jìn)行了一般步驟的介紹。文獻(xiàn)[15]設(shè)計(jì)了一種面向NFV 的高性能四層網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡機(jī)制，但二者均未給出關(guān)于負(fù)載均衡的具體方法。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種拓?fù)渑c資源感知的VNF 遷移方法（topology and resource-aware virtual network function migration method，TRA-VNFM）實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡。首先通過(guò)兩級(jí)動(dòng)態(tài)閾值判定算法優(yōu)先對(duì)高過(guò)載節(jié)點(diǎn)實(shí)施VNF 遷移，同時(shí)計(jì)算出待遷移目的節(jié)點(diǎn)集。然后采用資源感知算法計(jì)算部署于過(guò)載節(jié)點(diǎn)上的VNF 的遷移權(quán)重，并結(jié)合資源需求確定待遷移VNF。最后通過(guò)極值交互的拓?fù)涓兄惴ňC合考慮物理節(jié)點(diǎn)的各類(lèi)屬性，選擇出最適合遷移的目的節(jié)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明，本文提出的TRA-VNFM 方法在降低SFC 的平均時(shí)延和提高網(wǎng)絡(luò)收益開(kāi)銷(xiāo)比的基礎(chǔ)上，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡程度有較大提升。本文的主要貢獻(xiàn)有：

（1）設(shè)計(jì)兩級(jí)動(dòng)態(tài)閾值判定VNF 是否進(jìn)行遷移，有效提高了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡程度。

（2）提出節(jié)點(diǎn)就近契合度作為拓?fù)涓兄脑u(píng)價(jià)指標(biāo)，降低了SFC 端到端的平均時(shí)延。

（3）將極值交互式多目標(biāo)決策方法運(yùn)用于節(jié)點(diǎn)評(píng)價(jià)中，綜合考慮了各評(píng)價(jià)指標(biāo)與其組成的整體對(duì)結(jié)果的影響，提升了VNF 遷移方法的性能。

1 網(wǎng)絡(luò)模型及評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

物理網(wǎng)絡(luò)由加權(quán)無(wú)向圖G=(N,E)表示，N是物理節(jié)點(diǎn)集合，E是物理鏈路集合。任意節(jié)點(diǎn)ns∈N，擁有的資源由三元組表示。其中表示計(jì)算資源，表示存儲(chǔ)資源，表示轉(zhuǎn)發(fā)資源。ns的處理速度為proc(ns)。任意一條鏈路es∈E，其帶寬為b(es)，時(shí)延為d(es)。

m條虛擬SFC 組成的集合為F=(f1,f2,…,fm)，fi表示第i條虛擬SFC，可用六元組(Ii,Oi,Di,Si,Vi,Li)表示，Ii為源端點(diǎn)，Oi為目的端點(diǎn)，Di為最大允許時(shí)延，Si為數(shù)據(jù)包大小，Vi為VNF 集合，Li為虛擬鏈路集合。其中Vi=(vi,1,vi,2,…,vi,n)，vi,j表示fi的第j個(gè)VNF，其資源需求用三元組表示，表示計(jì)算資源需求，表示存儲(chǔ)資源需求，表示轉(zhuǎn)發(fā)資源需求。Li=(li,0,li,1,…,li,n),li,0表示Ii到vi,1之間的虛擬鏈路，li,n表示vi,n到Oi之間的虛擬鏈路，當(dāng)j≠0,n時(shí)，li,j表示vi,j到vi,j+1之間的虛擬鏈路。Ti,j表示li,j的帶寬需求。

Table 1 Meaning of major variables表1 主要變量含義

1.2 節(jié)點(diǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

（1）節(jié)點(diǎn)ns的k類(lèi)資源占用率ηk(ns) 。設(shè)k∈(cal,mem,for)，分別表示計(jì)算、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)，對(duì)于任意物理節(jié)點(diǎn)ns∈N，其k類(lèi)資源占用率ηk(ns)定義為當(dāng)前部署（包括遷入）于ns的VNF 對(duì)k類(lèi)資源的占用量與ns所擁有的k類(lèi)資源總量的比值，其計(jì)算公式為式（1）。

（2）節(jié)點(diǎn)ns對(duì)部署于其上的vi,j的處理時(shí)延本文采用通用處理器共享算法下的處理時(shí)延模型[11]，如式（2）所示。

式中，tproc表示vi,j對(duì)數(shù)據(jù)包的處理時(shí)間，其計(jì)算方式為tproc=Si/proc(ns)。loadns表示節(jié)點(diǎn)ns上處理器負(fù)載百分比，即為計(jì)算資源占用率ηcal(ns)。loadi表示vi,j的計(jì)算資源需求與節(jié)點(diǎn)ns上所占計(jì)算資源的比值，即上下同比并令得的物理意義為部署于節(jié)點(diǎn)ns上的vi,j對(duì)ns計(jì)算資源的占用率。因此節(jié)點(diǎn)ns對(duì)vi,j的處理時(shí)延計(jì)算公式轉(zhuǎn)化為式（3）。

（3）節(jié)點(diǎn)nr的就近契合度。其表示vi,j遷移的目的節(jié)點(diǎn)nr與待遷移fi之間的緊密程度，計(jì)算公式設(shè)計(jì)為式（4）。

式中，ns為遷移的出發(fā)節(jié)點(diǎn)，nr為遷移的目的節(jié)點(diǎn)，為待遷移vi,j所在fi中vi,j+1所部署的物理節(jié)點(diǎn)，為待遷移vi,j所在fi中vi,j-1所部署的物理節(jié)點(diǎn)。若待遷移vi,j為所在fi中第一個(gè)VNF，則n-s為源端點(diǎn)，若待遷移vi,j為所在fi中最后一個(gè)VNF，則n+s為目的端點(diǎn)。為節(jié)點(diǎn)nr與節(jié)點(diǎn)之間的最短跳數(shù)，同理。TD(nr)為節(jié)點(diǎn)nr的鄰接節(jié)點(diǎn)數(shù)目。就近契合度越大，遷移的目的節(jié)點(diǎn)nr與fi在物理拓?fù)渖下?lián)系越緊密，反之越松弛。節(jié)點(diǎn)就近契合度可作為VNF 遷移時(shí)進(jìn)行拓?fù)涓兄脑u(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.3 方法評(píng)價(jià)指標(biāo)

（1）負(fù)載均衡指數(shù)α，用來(lái)衡量網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡的效果，其計(jì)算公式設(shè)計(jì)為式（5）。

（2）收益開(kāi)銷(xiāo)比γ，計(jì)算公式為式（6）：

式中，hop(li,j)表示li,j部署到底層網(wǎng)絡(luò)后的跳數(shù)。收益開(kāi)銷(xiāo)比γ越大的網(wǎng)絡(luò)性能越好。

（3）虛擬SFC的平均時(shí)延delay，計(jì)算公式為式（7）。

式中，delayi表示fi的時(shí)延，|F|表示集合F中元素的個(gè)數(shù)，即SFC 條數(shù)。在計(jì)算delayi時(shí)既要考慮節(jié)點(diǎn)的處理延時(shí)，還要考慮鏈路的傳輸延時(shí)d(es)，因此delayi的計(jì)算公式為式（8）：

虛擬SFC 平均時(shí)延delay越小的網(wǎng)絡(luò)性能越好。

2 VNF 遷移方法

2.1 基于兩級(jí)動(dòng)態(tài)閾值的遷移判定算法

為確定觸發(fā)VNF 遷移的條件，需要對(duì)物理節(jié)點(diǎn)設(shè)置資源過(guò)載閾值；為使遷移盡量對(duì)高過(guò)載節(jié)點(diǎn)進(jìn)行，并提升高過(guò)載節(jié)點(diǎn)的遷移成功率，需要對(duì)節(jié)點(diǎn)的過(guò)載程度進(jìn)行分級(jí)，并對(duì)不同級(jí)別的過(guò)載節(jié)點(diǎn)設(shè)置不同的遷移判定條件；為使VNF 遷移更適應(yīng)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，過(guò)載閾值應(yīng)隨網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載變化而動(dòng)態(tài)變化?；诖嗽瓌t，本文針對(duì)物理節(jié)點(diǎn)的k類(lèi)資源占用率，設(shè)置兩級(jí)動(dòng)態(tài)閾值，其中，針對(duì)N中的物理節(jié)點(diǎn)ns：

若ns存在某種資源占用率，則稱(chēng)之為二級(jí)過(guò)載節(jié)點(diǎn)。若ns不是二級(jí)過(guò)載節(jié)點(diǎn)，但存在ηk(ns)>則稱(chēng)之為一級(jí)過(guò)載節(jié)點(diǎn)。ns的遷移具體判定過(guò)程如圖1 所示。

Fig.1 Migration judgment process based on two-level dynamic threshold圖1 基于兩級(jí)動(dòng)態(tài)閾值的遷移判定過(guò)程

首先判斷ns是否為二級(jí)過(guò)載節(jié)點(diǎn)。若是，則計(jì)算其待遷移目的節(jié)點(diǎn)集合Φ是否為空。對(duì)于二級(jí)過(guò)載節(jié)點(diǎn)，Φ定義為將待遷移VNF 遷入后仍然不會(huì)二級(jí)過(guò)載的節(jié)點(diǎn)集合。若Φ不為空，則在Φ中選擇節(jié)點(diǎn)作為遷移的目的節(jié)點(diǎn)并實(shí)施VNF 遷移，直到ns不再二級(jí)過(guò)載。若Φ為空，則說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)都負(fù)載嚴(yán)重，無(wú)法再對(duì)ns進(jìn)行負(fù)載均衡，故不進(jìn)行VNF遷移。

若ns不是二級(jí)過(guò)載節(jié)點(diǎn)，或經(jīng)過(guò)VNF 遷移后已從二級(jí)過(guò)載節(jié)點(diǎn)中移除，則判斷其是否為一級(jí)過(guò)載節(jié)點(diǎn)。若是，則計(jì)算其待遷移目的節(jié)點(diǎn)集合Φ是否為空。對(duì)于一級(jí)過(guò)載節(jié)點(diǎn)，Φ定義為將待遷移VNF遷入后仍然不會(huì)一級(jí)過(guò)載的節(jié)點(diǎn)集合。若Φ不為空，則在Φ中選擇節(jié)點(diǎn)作為遷移的目的節(jié)點(diǎn)并實(shí)施VNF 遷移，直到ns不再一級(jí)過(guò)載。若Φ為空，則說(shuō)明此時(shí)底層網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載已較為均衡，無(wú)需進(jìn)行遷移。

為實(shí)現(xiàn)過(guò)載閾值隨網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載變化而動(dòng)態(tài)變化，k類(lèi)資源的一級(jí)過(guò)載閾值設(shè)定為物理網(wǎng)絡(luò)中該類(lèi)資源的均值，即為式（9）：

式中，|N|表示物理節(jié)點(diǎn)集合N中元素的個(gè)數(shù)，即物理節(jié)點(diǎn)總個(gè)數(shù)。k類(lèi)資源的二級(jí)過(guò)載閾值設(shè)定為該類(lèi)資源的一級(jí)過(guò)載閾值與1 的均值，即為式（10）：

2.2 基于資源感知的待遷移VNF 選擇算法

一個(gè)過(guò)載的物理節(jié)點(diǎn)上可能部署了多個(gè)VNF，需要從中選擇待遷移VNF。引入遷移指數(shù)θi,j(ns)表示節(jié)點(diǎn)ns上的vi,j適合遷移的程度。本算法基于資源感知的動(dòng)態(tài)權(quán)值計(jì)算遷移指數(shù)，保證二級(jí)過(guò)載資源的權(quán)重大于一級(jí)過(guò)載資源，一級(jí)過(guò)載資源的權(quán)重大于不過(guò)載資源，占用大過(guò)載級(jí)別資源越多的VNF遷移指數(shù)越大。

令l∈{1,2}，則k類(lèi)資源l級(jí)過(guò)載閾值可表示為定義表示節(jié)點(diǎn)ns的k類(lèi)資源是否l級(jí)過(guò)載，即ηk(ns)是否大于。則遷移指數(shù)計(jì)算公式設(shè)計(jì)為式（11）。

通過(guò)比較過(guò)載節(jié)點(diǎn)上各VNF 的遷移指數(shù)大小，值最大的VNF 進(jìn)行遷移，若節(jié)點(diǎn)仍然過(guò)載，則將剩下的VNF 中值最大的繼續(xù)進(jìn)行遷移，直到節(jié)點(diǎn)不再過(guò)載。

2.3 基于拓?fù)涓兄哪康墓?jié)點(diǎn)選擇算法

在集合Φ中進(jìn)行目的節(jié)點(diǎn)選擇是一個(gè)多目標(biāo)決策問(wèn)題，本文通過(guò)極值交互的拓?fù)涓兄惴▽?duì)Φ中節(jié)點(diǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)并計(jì)算遷入指數(shù)。其中拓?fù)涓兄ㄟ^(guò)使用評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)，遷入指數(shù)用來(lái)衡量節(jié)點(diǎn)作為遷移目的節(jié)點(diǎn)的適合程度。最終選擇遷入指數(shù)最大的節(jié)點(diǎn)作為遷移目的節(jié)點(diǎn)。極值交互的拓?fù)涓兄惴ㄖ泄?jié)點(diǎn)評(píng)價(jià)與遷入指數(shù)計(jì)算過(guò)程如下：

步驟1確定評(píng)價(jià)指標(biāo)。本文對(duì)待遷移目的節(jié)點(diǎn)nr的評(píng)價(jià)指標(biāo)有計(jì)算資源占用率ηcal(nr)，存儲(chǔ)資源占用率ηmem(nr)，轉(zhuǎn)發(fā)資源占用率ηfor(nr)，對(duì)待遷移vi,j的處理時(shí)延就近契合度，其中ns為遷移的出發(fā)節(jié)點(diǎn)。越小，越大，則節(jié)點(diǎn)nr的遷入指數(shù)越大。令集合φ=

步驟2計(jì)算待遷移目的節(jié)點(diǎn)nr的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)滿(mǎn)意度ρ。評(píng)價(jià)指標(biāo)滿(mǎn)意度反映節(jié)點(diǎn)nr的某項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)與所有待遷移目的節(jié)點(diǎn)中該項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)最優(yōu)值的契合程度，其計(jì)算方法如式（13）、式（14）所示，其中a代指ηcal(nr)、ηmem(nr)、ηfor(nr)以及中任意一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

步驟3計(jì)算待遷移目的節(jié)點(diǎn)nr的總體協(xié)調(diào)度λ(d)?？傮w協(xié)調(diào)度反映節(jié)點(diǎn)的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)總體與理論最優(yōu)節(jié)點(diǎn)之間的契合程度，其與各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)滿(mǎn)意度結(jié)合完成對(duì)遷移目的節(jié)點(diǎn)的選擇?？傮w協(xié)調(diào)度計(jì)算方法如下：

首先計(jì)算節(jié)點(diǎn)的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)與其相應(yīng)最優(yōu)值之間的歐式距離和d1，如式（15）所示。

然后計(jì)算各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)最優(yōu)值與最差值之間的歐式距離和d2，如式（16）所示。

最后結(jié)合d1、d2構(gòu)造總體協(xié)調(diào)度λ(d)，計(jì)算方法如式（17）所示。

步驟4計(jì)算待遷移目的節(jié)點(diǎn)nr的遷入指數(shù)τ(nr)。設(shè)總體協(xié)調(diào)度允許的下限值為λ(d-)，集合φ中各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)滿(mǎn)意度允許的下限值分別為ρ(a-)，的滿(mǎn)意度允許的下限值為若某項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)滿(mǎn)意度低于其下限值，則計(jì)算出下限值與其的差值，定義為該項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的補(bǔ)差值。若評(píng)價(jià)指標(biāo)滿(mǎn)意度高于或等于其下限值，則補(bǔ)差值為0?？傮w協(xié)調(diào)度的補(bǔ)差值亦然。補(bǔ)差值的引入可以增加低于下限值的評(píng)價(jià)指標(biāo)滿(mǎn)意度對(duì)節(jié)點(diǎn)遷入指數(shù)的影響。設(shè)總體協(xié)調(diào)度的補(bǔ)差值為z*，滿(mǎn)意度的補(bǔ)差值分別為z1、z2、z3、z4、z5。則待遷移目的節(jié)點(diǎn)nr的遷入指數(shù)計(jì)算公式為式（18）：

待遷移目的節(jié)點(diǎn)nr的遷入指數(shù)τ(nr)隨各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)滿(mǎn)意度與總體協(xié)調(diào)度的增大而增大，隨其補(bǔ)差值的增大而減少，反映了nr作為遷移目的節(jié)點(diǎn)的適合程度。因此在VNF 遷移中，選擇τ最大的節(jié)點(diǎn)作為VNF 遷入的目的節(jié)點(diǎn)。VNF 遷移成功后，再對(duì)相關(guān)聯(lián)虛擬鏈路進(jìn)行重新部署。先將不滿(mǎn)足虛擬鏈路帶寬需求的物理鏈路刪除，然后在剩余物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲羞\(yùn)行k-最短路徑算法重新部署虛擬鏈路。

綜合以上三種算法，拓?fù)渑c資源感知的VNF 遷移方法基本流程如下所示。

3 實(shí)驗(yàn)仿真

本文通過(guò)Matlab 進(jìn)行兩組仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比TRAVNFM 方法與其他三種VNF 遷移方法的性能。第一組實(shí)驗(yàn)通過(guò)比較單次遷移平均時(shí)間和總遷移時(shí)間，對(duì)比四種方法在遷移過(guò)程中的性能。第二組實(shí)驗(yàn)通過(guò)比較負(fù)載均衡指數(shù)、收益開(kāi)銷(xiāo)比和SFC 平均時(shí)延，對(duì)比四種方法在遷移后對(duì)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化程度。

3.1 仿真環(huán)境設(shè)置

物理網(wǎng)絡(luò)是一張有25 個(gè)節(jié)點(diǎn)和27 條鏈路的連通圖，為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從中設(shè)置5 個(gè)節(jié)點(diǎn)空閑。實(shí)驗(yàn)各項(xiàng)參數(shù)如表2 所示。其中滿(mǎn)意度下限與協(xié)調(diào)度下限通過(guò)多次調(diào)試，最終確定為效果最優(yōu)的表中所示值。

3.2 不同方法對(duì)比

本文將TRA-VNFM 方法與其他三種VNF 遷移方法在相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行對(duì)比，如表3 所示。

3.3 算法性能分析

遷移過(guò)程中計(jì)算、存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)發(fā)資源的一級(jí)與二級(jí)過(guò)載閾值如表4 所示。

為適應(yīng)物理網(wǎng)絡(luò)整體的資源占用變化，每一種資源的過(guò)載閾值都隨著SFC 數(shù)量的變化而動(dòng)態(tài)調(diào)整。隨著SFC 數(shù)量的增加，網(wǎng)絡(luò)整體負(fù)載上升，過(guò)載閾值隨之上升。同時(shí)每種資源的二級(jí)過(guò)載閾值都高于其一級(jí)過(guò)載閾值，這是為了實(shí)現(xiàn)遷移優(yōu)先對(duì)高過(guò)載節(jié)點(diǎn)進(jìn)行，并提升高過(guò)載節(jié)點(diǎn)的遷移成功率。

Table 2 Simulation parameters表2 仿真參數(shù)

Table 3 Comparison of different VNF migration methods表3 不同VNF 遷移方法對(duì)比

第一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2 和圖3 所示。

Table 4 Variation of overload threshold表4 過(guò)載閾值變化情況

Fig.2 Average time for single migration圖2 單次遷移平均時(shí)間

Fig.3 Total migration time圖3 總遷移時(shí)間

圖2 是四種方法的單次遷移平均時(shí)間隨服務(wù)功能鏈請(qǐng)求增加的變化對(duì)比圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)TRAVNFM 與OTRA-VNFM 單次遷移的平均時(shí)間小于MJOVME-VNFM 與RT-VNFM。這是因?yàn)門(mén)RAVNFM 與OTRA-VNFM 在對(duì)遷移目的節(jié)點(diǎn)選擇時(shí)進(jìn)行了拓?fù)涓兄?，選擇了與待遷移SFC 較近的節(jié)點(diǎn)作為遷移的目的節(jié)點(diǎn)，從而降低了單次遷移的時(shí)間。在TRA-VNFM 與OTRA-VNFM 的對(duì)比中，由于兩者分別采用二級(jí)閾值和一級(jí)閾值進(jìn)行遷移判定，遷移次數(shù)和遷移目的節(jié)點(diǎn)具有差異性，導(dǎo)致二者的單次遷移平均時(shí)間有所不同。

圖3 是四種方法的總遷移時(shí)間隨服務(wù)功能鏈請(qǐng)求增加的變化對(duì)比圖，TRA-VNFM 與OTRA-VNFM的總遷移時(shí)間略小于MJOVME-VNFM 與RT-VNFM。這是因?yàn)門(mén)RA-VNFM 與OTRA-VNFM 在目的節(jié)點(diǎn)選擇過(guò)程中增加了節(jié)點(diǎn)就近契合度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，與MJOVME-VNFM 和RT-VNFM 只考慮資源占用率相比，TRA-VNFM 與OTRA-VNFM 雖減小了單次遷移的平均時(shí)間，一定程度上也增加了遷移次數(shù)。但TRA-VNFM 與OTRA-VNFM 采用極值交互的多目標(biāo)決策算法對(duì)遷移目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行選擇，既考慮各評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響，又考慮其組成的整體產(chǎn)生的影響，因此在總遷移時(shí)間方面仍然具有優(yōu)勢(shì)。

第二組實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4～圖6 所示。

Fig.4 Load balancing index圖4 負(fù)載均衡指數(shù)

Fig.5 Revenue to expense ratio圖5 收益開(kāi)銷(xiāo)比

Fig.6 Average delay of SFC圖6 SFC 平均時(shí)延

圖4 是四種方法的負(fù)載均衡指數(shù)對(duì)比圖，TRAVNFM 的負(fù)載均衡效果明顯優(yōu)于另外三種方法。這是因?yàn)門(mén)RA-VNFM 使用了兩級(jí)動(dòng)態(tài)閾值遷移判定條件，相對(duì)于后三種方法，TRA-VNFM 優(yōu)先對(duì)高負(fù)載節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遷移，并提升了高負(fù)載節(jié)點(diǎn)的遷移成功率。而高負(fù)載節(jié)點(diǎn)的減少會(huì)明顯降低節(jié)點(diǎn)資源占用率方差，從而使得網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡指數(shù)增加。

圖5 比較了四種方法的收益開(kāi)銷(xiāo)比，TRA-VNFM與OTRA-VNFM 相較MJOVME-VNFM 與RT-VNFM得到了更高的收益開(kāi)銷(xiāo)比。這是因?yàn)檫M(jìn)行了拓?fù)涓兄腡RA-VNFM 與OTRA-VNFM 在對(duì)目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)選擇了與SFC 原部署路徑緊密的節(jié)點(diǎn)作為遷移的目的節(jié)點(diǎn)，使遷移后SFC 的物理長(zhǎng)度相較于MJOVME-VNFM 和RT-VNFM 更小，從而具有更小的鏈路開(kāi)銷(xiāo)，更高的收益開(kāi)銷(xiāo)比。

圖6 是四種方法的SFC 平均時(shí)延對(duì)比圖，SFC 的平均時(shí)延受到遷移目的節(jié)點(diǎn)的處理時(shí)延和重構(gòu)鏈路的傳輸時(shí)延影響。而TRA-VNFM 與OTRA-VNFM在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)評(píng)價(jià)時(shí)，既將節(jié)點(diǎn)時(shí)延作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，使遷移目的節(jié)點(diǎn)的處理時(shí)延盡可能小，又通過(guò)就近契合度，使遷移后SFC 的物理長(zhǎng)度盡可能小。因此與MJOVME-VNFM 和RT-VNFM 相比，TRA-VNFM 與OTRA-VNFM 具有更低的SFC 平均時(shí)延。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于NFV 環(huán)境中網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡的特點(diǎn)，提出一種拓?fù)渑c資源感知的VNF 遷移方法。首先，設(shè)置兩級(jí)動(dòng)態(tài)閾值及相應(yīng)的遷移判定條件，優(yōu)先對(duì)高負(fù)載節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遷移。其次，使用資源感知算法計(jì)算待遷移節(jié)點(diǎn)上各VNF 適合遷移的程度，優(yōu)先遷移對(duì)高過(guò)載資源占用多的VNF。最后，利用極值交互的拓?fù)涓兄惴▽?duì)待遷移目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，完成遷移目的節(jié)點(diǎn)的選擇。實(shí)驗(yàn)表明，本文提出的TRA-VNFM方法在降低SFC 的平均時(shí)延和提高網(wǎng)絡(luò)收益開(kāi)銷(xiāo)比的基礎(chǔ)上，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡程度有較大提升。下一步將對(duì)SFC 的生存性進(jìn)行研究，進(jìn)一步提高NFV環(huán)境中網(wǎng)絡(luò)的性能。