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基于联合备份的服务功能链可靠性保障的部署方法

汤红波 邱航 游伟 季新生

引用本文: 汤红波, 邱航, 游伟, 季新生. 基于联合备份的服务功能链可靠性保障的部署方法[J]. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT190013 shu
Citation:  Hongbo TANG, Hang QIU, Wei YOU, Xinsheng JI. A Reliability-guarantee Method for Service Function Chain Deployment Based on Joint Backup[J]. Journal of Electronics and Information Technology, doi: 10.11999/JEIT190013 shu

基于联合备份的服务功能链可靠性保障的部署方法

    作者简介: 汤红波: 男,1968年生,教授、博师生导师,主要研究方向为移动通信网络、新型网络体系结构;
    邱航: 男,1994年生,硕士生,研究方向为新一代移动通信技术、5G网络安全;
    游伟: 男,1984年生,博士,讲师,研究方向为移动通信网络安全,新一代移动通信网络技术;
    季新生: 男,1968年生,教授、博师生导师,主要研究方向为新一代移动通信技术、网络安全
    通讯作者: 邱航,hangsoon@foxmail.com
  • 基金项目: 国家重点研发计划网络空间安全专项(2016YFB0801605),国家自然科学基金创新群体项目(61521003),国家自然科学基金(61801515)

摘要: 在网络功能虚拟化(NFV)环境中,针对服务功能链(SFC)部署时的可靠性问题,该文提出对备份虚拟网络功能选择、备份实例放置和服务功能链部署的联合优化方法。首先,定义一个单位开销可靠性提高值的虚拟网络功能衡量标准,改进备份虚拟网络功能选择方法;其次,采用联合备份的方式调整相邻备份实例之间的放置策略,以降低带宽资源开销;最后,将整个服务功能链可靠性保障的部署问题构建成整数线性规划模型,并提出一种基于最短路径的启发式算法,克服整数线性规划求解的复杂性。仿真结果表明,该方法在优先满足网络服务可靠性需求的同时,优化资源配置,提高了请求接受率。

English

    1. [1]

      NGMN Alliance. 5G White Paper[OL]. https://www.ngmn.org/5g-white-paper/5g-white-paper.html, 2015.

    2. [2]

      BO Han, G. Vijay, JI Lusheng, et al. Network function virtualization: Challenges and opportunities for innovations[J]. IEEE Communications Magazine, 2015, 53(2): 90–97. doi: 10.1109/MCOM.2015.7045396

    3. [3]

      GIL Herrera Juliver, and FELIPE Botero Juan. Resource allocation in NFV: A comprehensive survey[J]. IEEE Transactions on Network & Service Management, 2017, 13(3): 518–532. doi: 10.1109/TNSM.2016.2598420

    4. [4]

      ALLEG A, TOUFIK A, MOS M, et al. Delay-aware VNF placement and chaining based on a flexible resource allocation approach[C]. The 13th International Conference on Network and Service Management, Tokyo, Japan, 2017: 1–7.

    5. [5]

      OUS S, MAR M, CHAIMA G, et al. Energy efficient algorithm for VNF placement and chaining[C]. The 17th IEEE/ACM International Symposium on Cluster, Cloud and Grid Computing, Madrid, Spain, 2017: 579–588.

    6. [6]

      刘彩霞, 卢干强, 汤红波, 等. 一种基于Viterbi算法的虚拟网络功能自适应部署方法[J]. 电子与信息学报, 2016, 38(11): 2922–2930. doi: 10.11999/JEIT160045
      LIU Caixia, LU Ganqiang, TANG Hongbo, et al. Adaptive deployment method for virtualized network function based on viterbi algorithm[J]. Journal of Electronics &Information Technology, 2016, 38(11): 2922–2930. doi: 10.11999/JEIT160045

    7. [7]

      YUAN Quan, TANG Hongbo, YOU Wei, et al. Virtual network function scheduling via multilayer encoding genetic algorithm with distributed bandwidth allocation[J]. Science China Information Sciences, 2018, 61(9): 92–107. doi: 10.1007/s11432-017-9357-7

    8. [8]

      COT D, DE Simone L, IAN AK, et al. Network function virtualization: challenges and directions for reliability assurance[C]. IEEE International Symposium on Software Reliability Engineering Workshops. Naples, Italy, 2014: 37–42.

    9. [9]

      SUN Jian, ZHU Guangyang, SUN Gang, et al. A Reliability-aware approach for resource efficient virtual network function deployment[J]. IEEE Access, 2018, 6: 18238–18250. doi: 10.1109/ACCESS.2018.2815614

    10. [10]

      GEM A, VIS R, PAR C, et al. OpenNF: Enabling innovation in network function control[C]. ACM Conference on Sigcomm, Chicago, Illinois, USA, 2014: 163–174.

    11. [11]

      FAN Jingyuan, YE Zilong, GUAN Chaowen, et al. GREP: Guaranteeing reliability with enhanced protection in NFV[C]. ACM Sigcomm Workshop on Hot Topics in Middleboxes & Network Function Virtualization, London, United Kingdom, 2015: 13–18.

    12. [12]

      QU Long, CHA A, KHA S, et al. A Reliability-aware network service chain provisioning with delay guarantees in NFV-enabled enterprise datacenter networks[J]. IEEE Transactions on Network and Service Management, 2017, 14(3): 554–568. doi: 10.1109/TNSM.2017.2723090

    13. [13]

      ZHU Zhikai, LU Hancheng, LI Jian, et al. Service function chain mapping with resource fragmentation avoidance[C]. 2017 IEEE Global Communications Conference, Singapore, 2017: 1–6.

    14. [14]

      SARA A, ZHANG Yanhong, and CHADI A. RAS: Reliable auto-scaling of virtual machines in multi-tenant cloud networks[C]. IEEE International Conference on Cloud Networking, Niagara Falls, Canada, 2015: 1–6.

    15. [15]

      HOY A., and RAUSAND M. System Reliability Theory: Models and Statistical Methods[M]. WILEY: Hoboken, NJ, USA, 2004: 97–106.

    16. [16]

      KHEB S, HADJI M, and ZEG D. Scalable and cost-efficient algorithms for VNF chaining and placement problem[C]. Innovations in Clouds, Internet & Networks, Paris, France, 2017: 92–99.

    17. [17]

      YEN J Y. Finding the K shortest loopless paths in a network[J]. Management Science, 1971, 17(11): 712–716. doi: 10.1287/mnsc.17.11.712

    1. [1]

      陈鸿昶, 明拓思宇, 刘树新, 高超. 基于整数线性规划重构抽象语义图结构的语义摘要算法. 电子与信息学报,

    2. [2]

      蒲磊, 冯新喜, 侯志强, 余旺盛. 基于空间可靠性约束的鲁棒视觉跟踪算法. 电子与信息学报,

    3. [3]

      伊鹏, 谢记超, 张震, 谷允捷, 赵丹. 抗侧信道攻击的服务功能链部署方法. 电子与信息学报,

    4. [4]

      李丹, 兰巨龙, 王鹏, 胡宇翔. 基于最长有效功能序列的服务功能链部署算法. 电子与信息学报,

    5. [5]

      卢昱, 刘益岑, 李玺, 陈兴凯, 乔文欣, 陈立云. 面向软件定义网络的服务功能链优化部署算法研究. 电子与信息学报,

    6. [6]

      谷允捷, 胡宇翔, 谢记超. 基于重叠网络结构的服务功能链时空优化编排策略. 电子与信息学报,

    7. [7]

      陈前斌, 杨友超, 周钰, 赵国繁, 唐伦. 基于随机学习的接入网服务功能链部署算法. 电子与信息学报,

    8. [8]

      唐伦, 杨恒, 马润琳, 陈前斌. 基于5G接入网络的多优先级虚拟网络功能迁移开销与网络能耗联合优化算法. 电子与信息学报,

    9. [9]

      胡宇翔, 范宏伟, 兰巨龙, 段通. 一种支持硬件加速的虚拟网络功能部署模型. 电子与信息学报,

    10. [10]

      史久根, 张径, 徐皓, 王继, 孙立. 一种面向运营成本优化的虚拟网络功能部署和路由分配策略. 电子与信息学报,

    11. [11]

      季新生, 徐水灵, 刘文彦, 仝青, 李凌书. 一种面向安全的虚拟网络功能动态异构调度方法. 电子与信息学报,

    12. [12]

      唐伦, 周钰, 杨友超, 赵国繁, 陈前斌. 5G网络切片场景中基于预测的虚拟网络功能动态部署算法. 电子与信息学报,

    13. [13]

      唐伦, 周钰, 谭颀, 魏延南, 陈前斌. 基于强化学习的5G网络切片虚拟网络功能迁移算法. 电子与信息学报,

    14. [14]

      唐伦, 赵培培, 赵国繁, 陈前斌. 基于深度信念网络资源需求预测的虚拟网络功能动态迁移算法. 电子与信息学报,

    15. [15]

      李炜, 李全龙, 刘政怡. 基于加权的K近邻线性混合显著性目标检测. 电子与信息学报,

    16. [16]

      苏玉泽, 孟相如, 康巧燕, 韩晓阳. 核心链路感知的可生存虚拟网络链路保护方法. 电子与信息学报,

    17. [17]

      王凯, 李星, 兰巨龙, 卫红权, 刘树新. 一种基于资源传输路径拓扑有效性的链路预测方法. 电子与信息学报,

    18. [18]

      朱子尧, 韩树平, 郭正东, 刘建波. 乘性噪声背景下基于非线性渐消滤波的单信标测距定位算法. 电子与信息学报,

    19. [19]

      谢显中, 黎佳, 黄倩, 陈杰. 机器类通信中基于NOMA短编码块传输的高可靠低迟延无线资源分配优化方案. 电子与信息学报,

    20. [20]

      刘嘉铭, 邢孟道, 符吉祥, 徐丹. 基于模型重建的深度卷积网络权值可视化方法. 电子与信息学报,

  • 图 1  服务功能链部署示例

    图 2  专用备份与联合备份示例

    图 3  请求接受率比较

    图 4  带宽使用率比较

    图 5  节点计算资源使用率比较

    图 6  不同可靠性下请求接受率比较

    表 1  基于ILP的保障SFC可靠性的部署方案

     初始化输入
     ${\rm{NU}}{{\rm{M}}_{ij}} = 1, (i \in {[1, \left| S \right|]_z}, j \in {[1, \left| {{F_i}} \right|]_z})$;
     Finished_flag=1;
     While true
      求解最优化问题:目标函数式(6)
      约束条件:式(7)—式(25)(线性化)
      计算SFC的可靠性${Q_i}$
      For $i = 1:\left| S \right|$
       If ${Q_i} < Q_i^{{\rm{req}}}$
       选择单位开销可靠性提高值最大的VNF$j$进行备份;
       ${\rm{NU}}{{\rm{M}}_{ij}} = {\rm{NU}}{{\rm{M}}_{ij}} + 1$;
        If ${g_{ij}} = 0$;
         If VNF$j - 1$的备份实例可联合备份;
          ${g_{ij}} = 1$
      End;
        Finished_flag=0;
     End
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    表 2  基于最短路径的贪婪保障SFC可靠性的部署方案

     初始化输入
     ${\rm{NU}}{{\rm{M}}_{ij}} = 1, (i \in {[1, \left| S \right|]_z}, j \in {[1, \left| {{F_i}} \right|]_z})$;
     For $i = 1:\left| S \right|$
      网络状态信息更新
      生成初始路径集合${{\rm P}_i}$
      For ${{\rm P}_i}$中选择初始路径$ip$
       For $j = 1:\left| {{F_i}} \right|$
       沿着路径$ip$依次部署VNF$j$,同时考虑备份实例${\rm{NU}}{{\rm{M}}_{ij}}$和   ${g_{ij}}$的取值
      End;
       If ${F_i}$中存在未部署的VNF实例
        Continue;
       End;
       计算SFC的可靠性${{\varTheta} _i}$
       If ${Q_i} < Q_i^{{\rm{req}}}$
        选择单位开销可靠性提高值最大的VNF$j$进行备份;
        ${\rm{NU}}{{\rm{M}}_{ij}} = {\rm{NU}}{{\rm{M}}_{ij}} + 1$;
        If ${g_{ij}} = 0$
         If VNF$j - 1$的备份资源可联合备份;
          ${g_{ij}} = 1$;
        End;
     End
    下载: 导出CSV

    表 3  8节点网络3条SFC的部署结果

    算法SFC部署结果可靠性带宽使用率(%)运行时间(s)
    IRG-SFC${f_1} \to {f_2} \to {f_3}$$8 \to 4\left( {{f_1}} \right) \to 7\left( {{f_2}} \right)\left( {3\left\{ {{f_1}, {f_2}} \right\}} \right) \to 2\left( {{f_3}} \right) \to 1\left( {{f_3}} \right) \to 5$0.9917.18463
    ${f_1} \to {f_3} \to {f_2}$$1 \to 2\left( {{f_1}} \right) \to 6\left( {{f_1}} \right) \to 3\left( {{f_3}} \right) \to 8\left( {{f_2}} \right)\left( {7\left\{ {{f_2}, {f_3}} \right\}} \right) \to 4$0.99
    ${f_2} \to {f_1} \to {f_3}$$3 \to 4\left( {{f_2}} \right) \to 7\left( {{f_2}} \right) \to 2\left( {{f_1}} \right) \to 5\left( {{f_3}} \right)\left( {6\left\{ {{f_1}, {f_3}} \right\}} \right) \to 1$0.99
    GSP-SFC${f_1} \to {f_2} \to {f_3}$$8 \to 4\left( {{f_1}} \right) \to 6\left( {{f_2}} \right)\left( {3 \to 2\left\{ {{f_1}, {f_2}} \right\}} \right) \to 1\left( {{f_3}} \right) \to 5\left( {{f_3}} \right) \to 5$0.9919.090.49
    ${f_1} \to {f_3} \to {f_2}$$1 \to 2\left( {{f_1}} \right) \to 6\left( {{f_1}} \right) \to 3\left( {{f_3}} \right) \to 8\left( {{f_2}} \right)\left( {7\left\{ {{f_2}, {f_3}} \right\}} \right) \to 4$0.99
    ${f_2} \to {f_1} \to {f_3}$$3 \to 4\left( {{f_2}} \right) \to 7\left( {{f_2}} \right) \to 2\left( {{f_1}} \right) \to 5\left( {{f_3}} \right)\left( {6\left\{ {{f_1}, {f_3}} \right\}} \right) \to 1$0.99
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  • 通讯作者:  邱航, hangsoon@foxmail.com
  • 收稿日期:  2019-01-07
  • 录用日期:  2019-04-22
  • 网络出版日期:  2019-05-24
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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