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基于重叠网络结构的服务功能链时空优化编排策略

谷允捷 胡宇翔 谢记超

引用本文: 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[J]. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT190145 shu
Citation:  Yunjie GU, Yuxiang HU, Jichao XIE. A Spatial and Temporal Optimal Method of Service Function Chain Orchestration Based on Overlay Network Structure[J]. Journal of Electronics and Information Technology, doi: 10.11999/JEIT190145 shu

基于重叠网络结构的服务功能链时空优化编排策略

    作者简介: 谷允捷: 男,1994年生,博士生,研究方向为新型网络体系结构,网络功能虚拟化;
    胡宇翔: 男,1982年生,副研究员,研究方向为新型网络体系结构,软件定义网络;
    谢记超: 男,1995年生,硕士生,研究方向为网络安全、网络功能虚拟化与云安全;
    通讯作者: 谷允捷, lizardwhite@163.com
  • 基金项目: 国家重点研发计划课题(2017YFB0803204)、国家自然科学基金项目(61521003, 61872382)、广东省重点领域研发计划项目(2018B010113001)

摘要: 网络功能虚拟化(NFV)的引入大幅降低了互联网业务的运营成本。针对现有的服务功能链(SFC)编排方法无法在优化底层资源的同时保证业务时延性能的问题,该文提出一种基于重叠网络结构的SFC时空优化编排策略。在将计算、网络资源与细粒度时延约束纳入考虑的基础上,该策略通过建立重叠网络模型实现了计算与网络资源的分离,将构建SFC所需的资源开销与相关时延共同抽象化为重叠网络链路权重,从而使SFC编排问题转化为易于求解的最短路径问题。对于需要批量处理的SFC集合设计了基于重叠网络的模拟退火迭代优化编排算法(ONSA)。通过对比实验证明了该策略下编排方案的平均端到端时延、链路资源占用率与运营开销相对其他方案分别降低29.5%、12.4%与15.2%,请求接受率提高22.3%,虚拟网络功能(VNF)负载均衡性能得到显著提升。

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    1. [1]

      邬江兴. 新型网络技术发展思考[J]. 中国科学: 信息科学, 2018, 48(8): 1102–1111. doi: 10.1360/N112018-00062
      WU Jiangxing. Thoughts on the development of novel network technology[J]. CIENTIA SINICA Informationis, 2018, 48(8): 1102–1111. doi: 10.1360/N112018-00062

    2. [2]

      HAN Bo, GOPALAKRISHNAN V, 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]

      QUINN E and NADEAU T. Problem statement for service function chaining[R]. IETF RFC-Informational, 2015. (请核对报告编号)

    4. [4]

      MOENS H and DE TURCK F. VNF-P: A model for efficient placement of virtualized network functions[C]. Proceedings of the 10th International Conference on Network and Service Management and Workshop, Rio de Janeiro, Brazil, 2014: 418–423.

    5. [5]

      BARI F, CHOWDHURY S R, AHMED R, et al. Orchestrating virtualized network functions[J]. IEEE Transactions on Network and Service Management, 2016, 13(4): 725–739. doi: 10.1109/TNSM.2016.2569020

    6. [6]

      JANG I, SUH D, PACK S, et al. Joint optimization of service function placement and flow distribution for service function chaining[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2017, 35(11): 2532–2541. doi: 10.1109/JSAC.2017.2760162

    7. [7]

      史久根, 张径, 徐皓, 等. 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[J]. 电子与信息学报, 2019, 41(4): 973–979. doi: 10.11999/JEIT180522
      SHI Jiugen, ZHANG Jing, XU Hao, et al. Joint optimization of virtualized network function placement and routing allocation for operational expenditure[J]. Journal of Electronics &Information Technology, 2019, 41(4): 973–979. doi: 10.11999/JEIT180522

    8. [8]

      陈卓, 冯钢, 刘蓓, 等. 运营商网络中面向资源碎片优化的网络服务链构建策略[J]. 电子与信息学报, 2018, 40(4): 763–769. doi: 10.11999/JEIT170641
      CHEN Zhuo, FENG Gang, LIU Bei, et al. Construction policy of network service chain oriented to resource fragmentation optimization in operator network[J]. Journal of Electronics &Information Technology, 2018, 40(4): 763–769. doi: 10.11999/JEIT170641

    9. [9]

      WEN Tao, YU Hongfang, SUN Gang, et al. Network function consolidation in service function chaining orchestration[C]. Proceedings of 2016 IEEE International Conference on Communications, Kuala Lumpur, Malaysia, 2016: 512–519.

    10. [10]

      PEI Jianing, HONG Peilin, XUE Kaiping, et al. Efficiently embedding service function chains with dynamic virtual network function placement in geo-distributed cloud system[J]. IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems, 2018.(未找到本条文献卷期页码信息, 请核对 doi: 10.1109/TPDS.2018.2880992

    11. [11]

      陈卓, 冯钢, 刘蓓, 等. 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[J]. 电子学报, 2018, 46(9): 2229–2237. doi: 10.3969/j.issn.0372-2112.2018.09.026
      CHEN Zhuo, FENG Gang, LIU Bei, et al. Delay optimization oriented service function chain migration and re-deployment in operator network[J]. Acta Electronica Sinica, 2018, 46(9): 2229–2237. doi: 10.3969/j.issn.0372-2112.2018.09.026

    12. [12]

      ARTEAGA C H T, RISSOI F, and RENDON O M C. An adaptive scaling mechanism for managing performance variations in network functions virtualization: A case study in an NFV-based EPC[C]. Proceedings of the 13th International Conference on Network and Service Management, Tokyo, Japan, 2017: 1–7.

    13. [13]

      LI Tong, BAUMBERGER D, HAHN S, et al. Efficient and scalable multiprocessor fair scheduling using distributed weighted round-robin[C]. Proceedings of the 14th ACM SIGPLAN Symposium on Principles and Practice of Parallel Programming, Raleigh, USA, 2009: 65–74.

    14. [14]

      AGARWAL S, MALANDRINO F, CHIASSERINI C F, et al. VNF placement and resource allocation for the support of vertical services in 5G networks[J]. IEEE/ACM Transactions on Networking, 2019, 27(1): 433–446. doi: 10.1109/TNET.2018.2890631

    15. [15]

      LANGE S, GRIGORJEW A, ZINNER T, et al. A multi-objective heuristic for the optimization of virtual network function chain placement[C]. Proceedings of the 29th International Teletraffic Congress, Genoa, Italy, 2017: 152–161.

    16. [16]

      WANG Xiaoke, WU Chuan, LE F, et al. Online VNF scaling in datacenters[C]. Proceedings of the IEEE 9th International Conference on Cloud Computing, San Francisco, USA, 2016: 140–147.

    1. [1]

      唐伦魏延南马润琳贺小雨陈前斌. 虚拟化云无线接入网络下基于在线学习的网络切片虚拟资源分配算法. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT180771

    2. [2]

      王汝言李宏娟吴大鹏李红霞. 基于半马尔科夫决策过程的虚拟传感网络资源分配策略. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT190016

    3. [3]

      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, doi: 10.11999/JEIT180737

    4. [4]

      张欢雷宏. 线性逆问题中惩罚优化方法信号重建误差界研究. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT181125

    5. [5]

      钱亚冠卢红波纪守领周武杰吴淑慧云本胜陶祥兴雷景生. 基于粒子群优化的对抗样本生成算法. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT180777

    6. [6]

      刘小龙. 改进多元宇宙算法求解大规模实值优化问题. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT180751

    7. [7]

      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, doi: 10.11999/JEIT190128

    8. [8]

      柴蓉王令陈明龙陈前斌. 基于时延优化的蜂窝D2D通信联合用户关联及内容部署算法. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT180408

    9. [9]

      张艳陈建华唐猛. 多层中继网络上的分布式LT码. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT180804

    10. [10]

      王逸林马世龙邹男梁国龙. 时空域联合的水下未知线谱目标检测方法. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT180796

    11. [11]

      王巍周凯利王伊昌王广袁军. 基于快速滤波算法的卷积神经网络加速器设计. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT190037

    12. [12]

      陈光武程鉴皓杨菊花刘昊张琳婧. 基于改进神经网络增强自适应UKF的组合导航系统. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT181171

    13. [13]

      孙远李春国黄永明杨绿溪. 基于带缓存的云接入网络最优能效设计. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT180722

    14. [14]

      秦宁宁金磊许健徐帆杨乐. 邻近信息约束下的随机异构无线传感器网络节点调度算法. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT190094

    15. [15]

      田春生钱志鸿王鑫王雪. D2D网络中信道选择与功率控制策略研究. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT190149

    16. [16]

      杨宏宇王峰岩. 基于深度卷积神经网络的气象雷达噪声图像语义分割方法. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT190098

    17. [17]

      贺丰收何友刘准钆徐从安. 卷积神经网络在雷达自动目标识别中的研究进展. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT180899

    18. [18]

      赵小强宋昭漾. 多级跳线连接的深度残差网络超分辨率重建. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT190036

    19. [19]

      雒江涛何宸王俊霞. 命名数据网络中可追溯且轻量级的细粒度访问控制机制. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT181160

    20. [20]

      唐伦马润琳杨恒陈前斌. 基于非正交多址接入的网络切片联合用户关联和功率分配算法. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT180770

  • 图 1  SFC请求及两种编排方案

    图 2  SFC请求及其对应重叠网络

    图 2  已部署的VNF在底层网络分布情况

    图 4  服务请求处理时间

    图 5  请求接受率

    图 6  VNF负载强度分布变化

    图 7  链路资源利用率

    图 8  NFV系统运营开销

    图 9  请求接受率

    表 1  基于重叠网络的模拟退火迭代优化编排策略

     输入: $G = (V,E)$, $I$,底层网络状态
         SA参数$\{ {\tau _0},{\tau _{\min }},\rho ,L\} $
     输出: 集合$I$的时空优化编排方案${\rm{O}}{{\rm{S}}_{{\rm{opt}}}}$
     (1) $\forall i \in I$,随机部署$\beta _i^k$生成${\rm{O}}{{\rm{S}}_{{\rm{init}}}}$
     (2) 初始化参数,$\tau \leftarrow {\tau _0},{\rm{Objec}}{{\rm{t}}_{{\rm{now}}}} \leftarrow {\rm{Object}}({\rm{O}}{{\rm{S}}_{{\rm{init}}}})$
     (3) while $\tau > {\tau _{\min }}$ do
     (4)  for $l = 1:L$ do
     (5)    if (rand<0.5)
     (6)     计算$\bar C_{{\rm{load}}}^{}$${p_{{\rm{rem}}}}$并选择释放实例$m$
     (7)     将经$m$处理的请求纳入${I_{{\rm{re}}}}$并释放$m$
     (8)   else
     (9)    $\forall i \in I$,将${\delta _i} > \delta _i^{s,o}$的请求纳入${I_{{\rm{re}}}}$
     (10)   end for
     (11)  for $i\;in\;{I_{{\rm{re}}}}$ do
     (12)    依据$\beta _i^k$与底层网络状态构造${G_{{\rm{Overlay}}}}$
     (13)  删除资源不足的节点与链路
     (14)  计算链路权重$w_{{\rm{ver}}}^e$$w_{{\rm{hor}}}^e$
     (15)  ${\rm{Path}}_{{\rm{Overlay}}}^i \leftarrow {\rm{Dijkstra}}(v_{{\rm{hor}}}^{1,{s_i}},v_{{\rm{hor}}}^{k + 1,{o_i}})$
     (16)  ${\rm{Pat}}{{\rm{h}}_i} \leftarrow {\rm{Path}}_{{\rm{Overlay}}}^i$
     (17)  end for
     (18)  ${\rm{Object}}({\rm{O}}{{\rm{S}}_{{\rm{new}}}}) = \sum\nolimits_{i \in I} {[\varepsilon {\varphi _i} + (1 + \varepsilon ){\delta _i}]} $
     (19)  if ${\Delta _{{\rm{Obj}}}} < 0$
     (20)    ${\rm{O}}{{\rm{S}}_{{\rm{now}}}} \leftarrow {\rm{O}}{{\rm{S}}_{{\rm{new}}}}$
     (21)  else
     (22)    ${P_{{\rm{acc}}}} = \exp ( - {\Delta _{{\rm{Obj}}}}/T)$
     (23)  $\tau \leftarrow \tau \rho $
     (24)  end while
     (25)${\rm{O}}{{\rm{S}}_{{\rm{opt}}}} \leftarrow {\rm{O}}{{\rm{S}}_{{\rm{now}}}}$
    下载: 导出CSV

    表 2  VNF参数

    VNF实例化开销(MIPS)计算资源(MIPS)Packet处理时间(us)
    Firewall56015
    Encryption56015
    IDS84020
    NAT46015
    下载: 导出CSV
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图(9)表(2)
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  • 通讯作者:  谷允捷, lizardwhite@163.com
  • 收稿日期:  2019-03-13
  • 网络出版日期:  2019-06-25
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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