一種虛擬網絡功能備份和部署方法技術

本發明專利技術公開了一種虛擬網絡功能備份和部署方法，所述方法包括：步驟1：確定虛擬網絡功能的優先級和特殊性，以及服務器的特殊性對考慮備份的VNFE問題的影響，得到部署的原則；步驟2：根據部署的原則，將考慮備份的VNFE問題形式化為非線性0?1規劃數學模型，在滿足可用性約束下最小化VNF備份和部署的資源消耗；步驟3：針對上述數學模型，設計啟發式算法解決考慮備份的VNFE問題；解決現有方法未考慮VNF和底層邊緣服務器的多樣性的問題，實現了高可用性和高效率的VNF部署，提高了網絡的資源利用率和可用性。

【技術實現步驟摘要】
一種虛擬網絡功能備份和部署方法
本專利技術涉及網絡功能虛擬化研究領域，具體地，涉及一種虛擬網絡功能備份和部署方法。
技術介紹
近年來，邊緣計算已經成為了為移動設備(如手機和物聯網設備)提供實時數據處理和存儲服務的重要解決方案之一。為了建立城市邊緣計算架構，許多邊緣計算節點被部署并連接為邊緣網絡。由于來自終端設備的大量的不同的計算請求，邊緣服務器需要提供大量的定制任務的計算服務。網絡功能虛擬化(NFV)作為一種能夠提高網絡的靈活性和可擴展性的技術，可有效的管理大規模和多樣化的邊緣計算服務。除此之外，NFV也使得網絡服務的部署也變得更容易。在NFV中，計算服務被抽象為虛擬網絡功能(VNF)，虛擬網絡功能部署(VNFE)是建立用于邊緣計算的NFV的基本問題。基礎設施提供商(InP)將VNF部署到邊緣節點，并需要滿足服務提供商(SP)所要求的服務等級協議(SLA)。顯然，InP想要在一定的物理設備上盡可能多地部署VNF。但是，由于SLA中的可用性要求，部分物理設備需要用于備份VNF，因為如果一個服務器發生故障，所有部署在它上面的網絡功能都將不可用。現有的關于可備份的虛擬網絡功能部署問題的研究往往忽視了網絡功能和底層邊緣服務器的多樣性。
技術實現思路
本專利技術提供了一種虛擬網絡功能備份和部署方法，解決現有方法未考慮VNF和底層邊緣服務器的多樣性的問題，實現了高可用性和高效率的VNF部署，提高了網絡的資源利用率和可用性。現有的關于可備份的虛擬網絡功能部署問題的研究往往忽視了網絡功能和底層邊緣服務器的多樣性，而本申請的方法同時考慮到了這兩方面，以及一些邊緣網絡功能具有特定的部署位置限制的要求。具體來說，1)不同的網絡功能具有不同的效用，導致它在可用性和資源利用率方面的重要性不同。2)不同的網絡功能在部署的虛擬網絡中有不同的拓撲位置。如果一個節點比其他節點具有更重要的位置，則備份該節點將花費更少的資源并獲得更高的可用性。3)一些邊緣網絡功能具有特定的位置限制，即要求部署在特定的服務器上，本申請將這種要求轉化成網絡功能和服務器的特殊性在部署時進行優化。本申請通過量化這些影響并將其納入算法來考慮網絡功能的多樣性。在給定的位置限制和可用性要求的條件下，本申請需要最小化將虛擬節點(vn)和虛擬鏈路(vl)備份、部署在物理設施上所帶來的資源消耗。一個VNF代表了某種類型的網絡功能(例如database)，而一個虛擬節點是VNF在虛擬網絡(VN)中的一個實例，互相之間由虛擬鏈路鏈接，Cvn和Svn分別表示它需要的計算和存儲資源的數量。本申請將每條服務鏈(SC)具有的可用性要求表示為Asc，每個虛擬節點(vn)具有的可用性要求表示為Avn。虛擬鏈路vl＝＜vn1,vn2＞，Vvl表示它的帶寬容量需求，Avl表示它的可用性要求。在本專利技術提出的方法中，本申請假設SC中的vn應該被部署到不同的底層服務器即物理節點sn上，而且每個原節點最多有一個備份。本申請首先量化VNF和服務器對備份的影響，得到備份和部署的原則；然后將考慮備份的VNFE問題建立為非線性0-1規劃數學模型，以最大程度地減少資源消耗并滿足可用性約束，此問題是NP-hard的；于是，本申請提出了一種輕量且有效的啟發式方法，以便實現高可用性和高效率的VNF部署，其中設計了兩種用于VNF和服務器優先級劃分的新穎度量標準。本申請最終通過模擬實驗實現了啟發式算法。為了充分利用VNF服務器多樣性實現高可用性和高效率的VNF部署，提高網絡的資源利用率和可用性，本專利技術提出的基于網絡功能和設施的影響且可備份的虛擬網絡功能部署方法所采取的具體的技術方案如下：主要步驟為：確定VNF的優先級和特殊性以及底層服務器的特殊性對考慮備份的VNFE問題的影響、根據量化的影響將考慮備份的VNFE問題建立為非線性0-1規劃數學模型、通過啟發式算法解決考慮備份的VNFE問題。各階段詳細內容如下：1)確定網絡功能的優先級，由此選擇備份的vn。網絡功能的優先級的一部分來自它在網絡拓撲中的位置，另一部分則來自于它的功能特點。因此，在備份時應同時考慮網絡功能的拓撲位置和它的效用帶來的優先級差異。確定網絡功能和邊緣服務器的特殊性，得到部署原則。不同的邊緣服務器具有不同類型和數量的資源，如果一個網絡功能只能部署在特定的服務器上，本申請稱這種網絡功能為特殊的網絡功能，能部署特殊網絡功能的這些服務器被視為特殊的服務器。具體而言，特殊的vn的特殊值度量標準Pvn被定義為它可以部署的服務器的數量，特殊的邊緣服務器的特殊值Psn定義為可以部署在該服務器上的特殊的vn的數量，不特殊的vn或者邊緣服務器其特殊值為0。部署原則有三點：①、先部署特殊的網絡功能，后部署普通的網絡功能。②、在部署特殊的vn時，先選擇Pvn較小的vn，部署到Psn較小的服務器上。③、部署普通的網絡功能時，優先部署到普通的服務器上，如果沒有滿足要求的普通服務器，則按照特殊vn的部署原則部署。2)將考慮備份的VNFE問題建模為非線性0-1規劃問題，根據備份方案和部署原則，該模型同時納入了VNF與底層邊緣服務器的影響，并在可用性約束下將資源消耗最小化。模型主要考慮的因素包括：可用性定義：計算物理服務器的可用性，由此計算出網絡功能備份和部署后的實際可用性。服務鏈SCi的實際可用性A′sci為服務鏈中所有虛擬節點(vn)的實際可用性A′vna與虛擬鏈路(vl)的實際可用性A′vlc的乘積。優化目標：本申請的目標是最大程度地減少VNF部署的資源消耗。部署成本包含兩部分，分配給vn的資源(包括備份)與發生故障導致的額外損失。約束條件：Ⅰ.每個服務器上的資源消耗不能超過資源數量，包括虛擬節點的計算、存儲資源和虛擬鏈路的資源。Ⅱ.vn和SC的要求的可用性約束和SC的延遲約束。Ⅲ.vn的位置約束，以及與其實例數目相關的約束。Ⅳ.虛擬鏈路和備份鏈路的流量一致約束。3)根據數學模型設計了一種啟發式算法來解決考慮備份的VNFE問題，從而提高了仿真實驗中的網絡可用性和VNF部署效率。本申請在部署之前更新可用性要求，以增加首先備份重要vn的機會。算法的主要工作包括：A.更新虛擬節點的可用性要求。在部署之前更新vn的可用性要求，使得重要vn的Avn有機會高于不重要的vn，從而增加重要vn先備份的機會。本申請在算法中更新了vn的可用性要求Avn。B.部署虛擬節點。根據部署的原則，本申請選擇最先部署特殊值最小的特殊vn。如果沒有特殊的vn，則隨機選擇一個普通的vn。C.部署虛擬鏈路。如果虛擬網絡中的任意兩個虛擬節點之間存在虛擬鏈路，本申請應該在部署虛擬節點的服務器之間部署鏈接。本申請提供的一個或多個技術方案，至少具有如下技術效果或優點：1)本申請確定了網絡功能優先級和特殊性，以及服務器的特殊性對考慮備份的VNFE問題的影響，提出了一個新的方案將其量化。2)本申請將可備份的VNFE問題建模為非線性0-1規劃問題，該問題同時考慮了網絡功能與底層邊緣服務器的多樣性帶來的影響，在可用性約束下將VNF部署的資源消耗最小化。3)本申請提出了一種啟發式方法來解決考慮備份的VNFE問題，從而提高了解決這個問題的效率，實現了高可用性和高效率的網絡功能的部署。附圖說明此處所說明的附圖用來提供對本專利技術實施例的進一步本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種虛擬網絡功能備份和部署方法，其特征在于，所述方法包括：步驟1：確定虛擬網絡功能的優先級和特殊性，以及服務器的特殊性對考慮備份的VNFE問題的影響，得到部署的原則；步驟2：根據部署的原則，將考慮備份的VNFE問題形式化為非線性0?1規劃數學模型，在滿足可用性約束下最小化VNF備份和部署的資源消耗；步驟3：針對上述數學模型，設計啟發式算法解決考慮備份的VNFE問題。

【技術特征摘要】
1.一種虛擬網絡功能備份和部署方法，其特征在于，所述方法包括：步驟1：確定虛擬網絡功能的優先級和特殊性，以及服務器的特殊性對考慮備份的VNFE問題的影響，得到部署的原則；步驟2：根據部署的原則，將考慮備份的VNFE問題形式化為非線性0-1規劃數學模型，在滿足可用性約束下最小化VNF備份和部署的資源消耗；步驟3：針對上述數學模型，設計啟發式算法解決考慮備份的VNFE問題。2.根據權利要求1所述的虛擬網絡功能備份和部署方法，其特征在于，vn為虛擬網絡功能實例，特殊的vn的特殊值度量標準Pvn被定義為可以用于該特殊vn部署的服務器的數量，特殊的邊緣服務器的特殊值Psn被定義為可以部署在該服務器上的特殊的vn的數量，不特殊的vn或者邊緣服務器其特殊值為0；部署原則包括：先部署特殊的網絡功能，后部署普通的網絡功能；在部署特殊的vn時，先選擇Pvn較小的vn，部署到Psn較小的服務器上；部署普通的虛擬網絡功能時，優先部署到普通的服務器上，如果沒有滿足要求的普通服務器，則按照特殊vn的部署原則部署。3.根據權利要求1所述的虛擬網絡功能備份和部署方法，其特征在于，數學模型考慮的因素包括：可用性定義、優化目標、模型的約束條件；可用性定義：計算物理服務器的可用性，由此得到網絡功能部署后的實際可用性；服務鏈SCi的實際可用性A′sci為服務鏈中所有虛擬節點vn的實際可用性A′...

【專利技術屬性】
技術研發人員：趙志為，閔革勇，江雨虹，張云桐，舒暢，
申請(專利權)人：電子科技大學，
類型：發明
國別省市：四川,51