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运营商网络中面向时延优化的服务功能链迁移重配置策略

更新时间：2019-12-25 08:21:27 大小：832K 上传用户：守着阳光1985查看TA发布的资源 标签：运营商网络 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

在引入网络功能虚拟化(NFV)后,运营商能基于通用的计算和网络平台提供更具弹性的服务.本文研究基于NFV的运营商网络中的服务功能链(SFC)的迁移重配置问题.首先分析了业务流的动态性导致的运营商网络中资源利用率下降和负载不均的问题,然后在将计算资源、网络资源和业务流端到端限制等条件纳入考虑的基础上,建立了面向业务流服务时延优化的数学模型,并证明了SFC迁移重配置问题的NP性.进一步基于遗传算法提出了一种易于部署的启发式SFC迁移重配置策略.通过详细的对比实验表明算法在端到端时延、链路带宽资源占用率和通用服务器资源占用率等关键指标上优于其它方案12.3%、10.9%和15.8%以上.这进一步说明所提出方案通过对运营商网络资源的合理调配,在保证业务流服务质量的同时有效改善了资源利用效率.


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运营商网络中面向时延优化的服务功能链迁移重配置策略.pdf 832K

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9
Vol． 46 No． 9  
Sep． 2018  
第
期
电
子
学
报
2018  
9
ACTA ELECTRONICA SINICA  
年
月
运营商网络中面向时延优化的服务功能链  
迁移重配置策略  
1，2  
2
2
3
，
，
，
陈 卓 冯 钢 刘 蓓 周 杨  
( 1.  
，
200433;  
重庆理工大学计算机科学与工程学院 重庆  
2.  
，
710077;  
36849)  
电子科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室 四川成都  
3.  
，
奥本大学计算机科学与软件工程学院 美国阿拉巴马州奥本  
:
( NFV)  
，
．
摘
要
在引入网络功能虚拟化  
后 运营商能基于通用的计算和网络平台提供更具弹性的服务 本文研  
NFV  
( SFC)  
．
究基于  
中资源利用率下降和负载不均的问题 然后在将计算资源 网络资源和业务流端到端限制等条件纳入考虑的基础上  
SFC NP  
的运营商网络中的服务功能链  
的迁移重配置问题 首先分析了业务流的动态性导致的运营商网络  
，
、
，
，
．
建立了面向业务流服务时延优化的数学模型 并证明了  
迁移重配置问题的  
迁移重配置策略 通过详细的对比实验表明算法在端到端时延 链路带宽资源占用率和通  
12. 3% 、10. 9% 15. 8%  
性 进一步基于遗传算法提出了一  
SFC  
．
、
种易于部署的启发式  
．
用服务器资源占用率等关键指标上优于其它方案  
和
以上 这进一步说明所提出方案通过对运  
，
营商网络资源的合理调配 在保证业务流服务质量的同时有效改善了资源利用效率  
．
:
;
;
;
关键词  
中图分类号  
URL: http: / /www． ejournal． org． cn  
网络功能虚拟化 服务功能链 运营商网络 遗传算法  
:
TP393. 0  
:
A
:
文章编号  
0372-2112 ( 2018) 09-2229-09  
文献标识码  
DOI: 10． 3969 /j． issn． 0372-2112． 2018． 09． 026  
电子学报  
Delay Optimization Oriented Service Function Chain  
Migration and Re-deployment in Operator Network  
1，2  
2
2
3
CHEN Zhuo ，FENG Gang ，LIU Bei ，ZHOU Yang  
( 1. College of Computer Science and Engineering，Chongqing University of Technology，Chongqing 200433，China;  
2. National Key Laboratory of Science and Technology on Communications，  
University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu，Sichuan 710077，China;  
3. Department of Computer Science and Software Engineering，Auburn University，Auburn 36849，USA)  
Abstract: With the introduction of network functional virtualization ( NFV) ，operators can provide more flexible  
services based on general computing and network platforms． This paper investigates the problem of migration and re-deploy-  
ment of service function chain ( SFC) in NFV based operator network ． Firstly，this paper analyzes the problem of resource  
under-utilization and load unbalance in the operator network caused by the dynamic of the flow． Then，based on the consider-  
ation of the conditions such as computing resources，network resources and end-to-end restrictions，the mathematical model  
towards the service delay optimization is formulated，and the NP property of SFC migration and re-deployment problem is  
proved． Furthermore，a heuristic SFC migration and re-deployment policy is proposed based on genetic algorithm． In-depth  
experimental result demonstrates that the proposed solution is superior to other solutions in terms of end-to-end delay，the uti-  
lization ratio of link bandwidth resource and the utilization ratio of general server by 12. 3% ，10. 9% ，and 15. 8% ． The re-  
sults further shows that the resource utilization is effectively improved in the case of guaranteeing the quality of service for  
flow，through the reasonable deployment of operator network resources．  
Key words: network function visualization; service function chain; operator network; genetic algorithm  
: 2017-08-10;  
: 2018-05-02;  
:
收稿日期  
修回日期  
责任编辑 蓝红杰  
:
( No． 61631005) ;  
( No． ZYGX2015Z005) ;  
重庆市基础 与前沿研究计划 项目  
基金项目 国家自然科学基金  
中央高校基本科研业务费项目  
( No． cste2013jcyjA40024)  
2230  
2018  
电
子
学
报
年
，
模型进行形式化描述 最后给出并通过实验验证了估  
1
引言  
． Xiao  
计虚拟机动态迁移过程中所需网络资源的算法  
等学者［11］研究了一种基于虚拟机资源需求的虚拟机动  
( Network Function Visualization，  
网络功能虚拟化  
NFV)  
是一种重新构建网络体系架构和改变网络管理模  
，
态迁移和虚拟网络拓扑动态调整的策略 其目的是虚  
，
式的新技术 近年来已被越来越多的运用于运营商网  
拟机在迁移过程中所需的资源开销和虚拟机之间的通  
络中［1，2］ 使用  
技术的优势主要体现在  
硬件资  
．
NFV  
( 1)  
．
［12］  
PlanetLab  
信开销 文献 在基于  
的网络虚拟化环境  
，
源虚拟化为多个虚拟机 将既有的运营商网络的各种  
，
、
下 设计 实现并评估了负责编排虚拟网络迁移的控制  
( Virtualized Network  
网元功能软件化为虚拟网络功能  
PL-VMN，  
器
为有效的进行资源分配和保证虚拟网络运  
Function，VNF) ［3］  
．
这极大缩短网元功能的资源调配周  
，
． Ghaznavi  
行效率 提出了虚拟网络迁移调度方案  
等学  
者［13］提出了一种称为  
的合并算法 其目的是优化  
，
; ( 2)  
期 从而大幅提升业务部署的弹性  
能够使用通用  
计算平台来构建电信基础设施 进一步降低了运营商  
NFV  
SLFL  
，
，
VNF  
( VNFI)  
实例  
，VNFI  
的部署位置以应对网络的流量动态变  
．
的设备投入成本 但将  
运用于运营商网络同时也  
化
的迁移是基于对当前状态和迁移后状态对网  
，
面临一系列挑战 其关键问题已成为当前产学界研究  
． ［14］ ，  
络性能带来的影响进行评估的 文献 中 研究者们  
关注的热点［4 ～ 6］  
．
，
VNF  
．
提出了一种贪心策略 实现在线的  
的映射和调度  
的迁移重配置涉及  
VNF  
与上述研究工作［10 ～ 15］相比较  
NFV  
，
在基于  
需要由不同类型的  
条虚拟 链 路 并 提 供 服 务 称 为 服 务 功 能 链  
Function Chain，SFC) ［6，7］  
构建的运营商网络中 业务流的处理  
，SFC  
VNF  
，
以某种次序组成集合 构成一  
( Service  
例如 具有某种特征的业务流  
．
的制约条件更多且更复杂 首先要把  
的类型和构  
，
:
SFC  
VNF  
，
SFC  
成
的
集合作为迁移的基础 其次  
需要把虚拟链路所涉及的计算资源和网络资源都纳入  
SFC  
的迁移  
．
:
，
需要在访问特定服务器之前先经过防火墙过滤处理  
，
考虑 最后还需要考虑业务流对于  
的请求具有端  
，
再经过入侵检测处理 则虚拟化的防火墙和入侵检测  
．
系统的特性 目前对于该问题的研究工作还非常缺乏  
，
SFC． VNF  
就构成了一条包含两个网络功能的  
由于部署  
需要同时占用网络资  
，SFC  
．
亟需深入研究  
，
SFC  
需要占用虚拟机 因此建立  
源和相关通用服务器的计算资源 然而  
实现业务流的弹性化服务的同时也带来了新问题 一  
3
问题描述  
．
的引入在  
NFV  
，
在引入  
型从逻辑上可划分为自下而上的三层 即 物理资源层  
VNF  
后 运营商网络针对业务流的服务模  
， :  
层和业务层 物理资源层由部署于运营商网络中  
． VNF  
．
、
，
方面 由于业务流动态进出运营商网络和用户的移动  
．
VNF  
性等因素导致一段时间后大量的  
被部署却很少被  
［8］  
的各种通用服务器和交换机构成  
层由各种运行  
，
使用 这会严重影响运营商网络的资源利用效率  
．
另
，
在虚拟机之上经软件化的网络功能组成 虚拟机的运  
，SFC  
一方面  
服务器负载不均的情况出现 这会影响到对于业务流  
SFC  
所服务业务流自身的动态特性导致了通用  
．
行占用通用服务器的计算资源和相关联的网络资源  
，
SFC  
，
SFC  
业务层由服务于各类业务流的多条  
组成 每条  
按某种次序链  
式构成 为业务流提供端到端的服务 某种类型的网络  
VNF．  
．
的服务质量 本文提出一种针对服务动态业务流的  
( Network Function，NF)  
由不同网络功能  
，
迁移重配置策略 其目的是在满足业务流服务质量的  
，
．
前提下实现运营商对网络资源的优化调配和合理使  
功能实例化并映射到对应类型的  
当服务一条业  
． 、  
用 该策略将网络资源 计算资源的占用以及网络性能  
，
务流时 现有的方案会为该业务流所需的每个  
NF  
实例  
的数  
，
．
纳入考察 以时延优化为目标 建立了最优化模型并提  
VNF， VNF  
这使得运营商网络中  
化并映射到一个  
SFC  
，
迁移重配置策略 并通过详细  
出基于遗传算法的  
，
量随着业务流的增加同步增大 而完成对业务流的服  
务后由于缺乏合理的资源重新调配机制导致计算和网  
．
的仿真实验对所提出算法策略的性能进行深入评估  
2
相关研究工作  
．
络资源的持续消耗 根据当前业务流对资源的需求量  
和本文相关的的研究工作大多集中在针对虚拟网  
，
以及业务流自身的服务质量要求 若能够对  
SFC  
实施  
共享  
． ［9］  
络和虚拟机的迁移重配置问题的探讨 文献 在基于  
，
合理的迁移重配置 让多条  
SFC  
NF  
中相同类型的  
，
云的边缘网络场景下 研究了将多台具有关联关系的  
VNF  
，
VNF  
，
数量 实现运营  
一个  
商网络资源的优化使用 该方案的实现不仅涉及到多  
SFC NF  
实例 则可合理的降低  
．
虚拟机通过在线迁移聚合为功能更强的虚拟机的问  
，
题 其优化的目标是总的服务宕机时间最小和在线迁  
，
的迁移合并 还必须考虑由于业  
条
中相同类型  
务流在物理资源层的路径改变导致的对计算和网络资  
NF  
． ，  
移时间最短 针对数据延迟敏感类网络应用的要求 文  
［10］  
．
献
系统性的分析了虚拟机迁移所需网络资源以及  
源占用的改变 由于  
的迁移可能形成更重的计算和  
，
在线迁移过程中应用中断的时间 提出了一种确定性  
，
网络负载 这可能使得迁移后的  
SFC  
为业务流提供的  

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