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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

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, 2019, 41(12): 3006-3013. doi: 10.11999/JEIT190013
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, 2019, 41(12): 3006-3013. doi: 10.11999/JEIT190013
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, 2019, 41(12): 3006-3013. doi: 10.11999/JEIT190013
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, 2019, 41(12): 3006-3013. doi: 10.11999/JEIT190013

基于联合备份的服务功能链可靠性保障的部署方法

doi: 10.11999/JEIT190013
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)
详细信息
    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

  • 中图分类号: TN393.03

A Reliability-guarantee Method for Service Function Chain Deployment Based on Joint Backup

Funds: The National Key R & D Program Cyberspace Security Special (2016YFB0801605), The National Natural Science Foundation Innovative Groups Project of China (61521003), The National Natural Science Foundation of China (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。
  • 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
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    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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  • [1] NGMN A. 5G White Paper[OL]. https://www.ngmn.org/5g-white-paper/5g-white-paper.html, 2015.
    [2] BO Han, VIJAY G, 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] GIL H J, and FELIPE B J. 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] 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] 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] 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] 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] COT D, DE SIMONE L, IAN A K, 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] 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] GEM A, VIS R, PAR C, et al. OpenNF: Enabling innovation in network function control[C]. ACM Conference on Sigcomm, Chicago, USA, 2014: 163–174.
    [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] 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] 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] 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] HOY A, and RAUSAND M. System Reliability Theory: Models and Statistical Methods[M]. WILEY: Hoboken, USA, 2004: 97–106.
    [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] 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] 张琳, 陈炳均, 吴志强.  基于矩阵低秩估计的可靠多载波差分混沌键控接收机, 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT200349
    [2] 唐伦, 曹睿, 廖皓, 王兆堃.  基于深度强化学习的服务功能链可靠部署算法, 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT190969
    [3] 翟东, 孟相如, 康巧燕, 胡航, 韩晓阳.  面向时延与可靠性优化的服务功能链部署方法, 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT200023
    [4] 刘焕淋, 杜君丹, 易鹏飞, 陈勇, 张明佳.  弹性光网络中面向可靠性的链路故障概率保护与保护资源重配置策略, 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT170150
    [5] 一种基于可靠最远转发的车载网广播协议, 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT150763
    [6] 尚新文, 李鑫伟, 曹林林, 肖刘, 苏小保.  X波段脉冲空间行波管输出结构可靠性研究, 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT160003
    [7] 梁家荣, 白杨, 王新阳.  评估交换超立方体网络可靠性的一种新方法, 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT140557
    [8] 陈彬, 鲍东晖, 苏恭超, 代明军, 王晖, 林晓辉.  基于路径的整数线性规划方法在阻塞IP over WDM网络中能耗优化的应用, 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT140704
    [9] 胡升泽, 包卫东, 王博, 乐俊, 葛斌.  无线传感器网络基于多元簇首的分簇数据收集算法, 电子与信息学报. doi: 10.3724/SP.J.1146.2013.00731
    [10] 熊飞, 乔迪, 王宏祥, 赵子岩, 杨洪, 沈亮.  一种基于有序二元决策图和布尔函数性质计算网络可靠性的算法, 电子与信息学报. doi: 10.3724/SP.J.1146.2014.00176
    [11] 蔡进科, 顾华玺, 卢冀, 余晓杉.  基于Openflow网络的高可靠性虚拟网络映射算法, 电子与信息学报. doi: 10.3724/SP.J.1146.2013.00367
    [12] 包学才, 戴伏生, 韩卫占.  可靠性约束下的无线Mesh网络拓扑控制优化方法, 电子与信息学报. doi: 10.3724/SP.J.1146.2012.00316
    [13] 王志明, 汪斌强.  基于备份的可重构服务承载网可靠性映射方法, 电子与信息学报. doi: 10.3724/SP.J.1146.2012.00602
    [14] 刘光远, 苏森.  面向底层单节点失效的轻量级可靠虚拟网络映射算法, 电子与信息学报. doi: 10.3724/SP.J.1146.2013.00254
    [15] 王志明, 汪斌强, 王保进.  基于拓扑影响度和回溯迁移的虚拟网可靠性映射方案, 电子与信息学报. doi: 10.3724/SP.J.1146.2012.00101
    [16] 张剑贤, 周端, 杨银堂, 赖睿, 高翔.  处理器可靠性约束的电压频率岛NoC能耗优化, 电子与信息学报. doi: 10.3724/SP.J.1146.2010.01266
    [17] 戴伏生, 刘功亮.  分布式紧耦合虚拟专用网可靠性计算方法, 电子与信息学报. doi: 10.3724/SP.J.1146.2008.00481
    [18] 冯美玉, 程胜, 张勖, 丁炜.  一种提高Ad hoc网络中多播可靠性的算法和模型, 电子与信息学报.
    [19] 戴伏生, 毛兴鹏.  通信网络宏观可靠性指标的全代数化算法, 电子与信息学报.
    [20] 孔繁甲, 王光兴, 张祥德.  利用因子分解方法计算网络的根通信可靠性, 电子与信息学报.
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    出版历程
    • 收稿日期:  2019-01-07
    • 修回日期:  2019-04-22
    • 网络出版日期:  2019-05-24
    • 刊出日期:  2019-12-01

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