基于节点综合重要度排序的服务功能链部署优化方法

doi:10.11772/j.issn.1001-9081.2022020257

《计算机应用》唯一官方网站 ›› 2023, Vol. 43 ›› Issue (3): 860-868.DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2022020257

所属专题：网络与通信

基于节点综合重要度排序的服务功能链部署优化方法

胡海岩¹, 康巧燕¹(), 赵朔¹, 王建峰¹, 付有斌²

^1.空军工程大学信息与导航学院，西安 710077
^2.中国人民解放军93107部队，沈阳 110141

收稿日期:2022-03-07 修回日期:2022-05-17 接受日期:2022-05-23 发布日期:2022-08-16 出版日期:2023-03-10
通讯作者: 康巧燕
作者简介:胡海岩（1998—），男，陕西西安人，硕士研究生，主要研究方向：网络功能虚拟化
康巧燕（1980—），女，福建永春人，副教授，博士，主要研究方向：下一代网络、网络可生存性
赵朔（1994—），女，辽宁沈阳人，硕士研究生，主要研究方向：网络功能虚拟化
王建峰（1978—），男，陕西武功人，讲师，硕士，主要研究方向：空天通信与网络
付有斌（1998—），男，江西南昌人，硕士，主要研究方向：无人机飞行自组网。
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(61901509);陕西省重点研发计划项目(2020GY-026)

Service function chain deployment optimization method based on node comprehensive importance ranking

Haiyan HU¹, Qiaoyan KANG¹(), Shuo ZHAO¹, Jianfeng WANG¹, Youbin FU²

^1.College of Information and Navigation，Air Force Engineering University，Xi’an Shaanxi 710077，China
^2.PLA 93107 Troop，Shenyang Liaoning 110141，China

Received:2022-03-07 Revised:2022-05-17 Accepted:2022-05-23 Online:2022-08-16 Published:2023-03-10
Contact: Qiaoyan KANG
About author:HU Haiyan， born in 1998， M. S. candidate. His research interests include network function virtualization.
ZHAO Shuo， born in 1994， M. S. candidate. Her research interests include network function virtualization.
WANG Jianfeng， born in 1978， M. S.， lecturer. His research interests include aerospace communication and network.
FU Youbin，born in 1998， M. S. His research interests include unmanned aerial vehicle flight ad hoc network.
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(61901509);Key Research and Development Program of Shaanxi Province(2020GY-026)

摘要/Abstract

摘要：

为满足5G网络环境下高可靠性、低时延的要求，同时降低网络带宽资源消耗，面向流量与可靠性优化提出一种基于节点综合重要度排序的服务功能链（SFC）部署方法。首先，基于流量改变率聚合虚拟网络功能（VNF），从而减少部署的物理节点，提高链路可靠性；其次，通过节点的度、可靠性、综合时延与链路跳数定义节点综合重要度，并依据该重要度对物理节点排序；然后，将VNF依次映射到底层物理节点上，同时通过约束链路条数以减少“乒乓效应”并优化流量；最后，通过k-最短路径算法映射虚拟链路，从而完成整个SFC的部署。相较于原有聚合方法，所提方法的SFC平均可靠性提升2%，SFC端到端平均时延降低22%，平均带宽开销降低29%，长期平均收益开销比提高16%。实验结果表明，所提方法能有效提高链路的可靠性，降低端到端的时延与带宽资源消耗，起到了良好的优化效果。

关键词: 网络功能虚拟化, 服务功能链部署, 流量改变率, 节点综合重要度, 可靠性

Abstract:

In order to meet the requirements of high reliability and low latency in the 5G network environment， and reduce the resource consumption of network bandwidth at the same time， a Service Function Chain （SFC） deployment method based on node comprehensive importance ranking for traffic and reliability optimization was proposed. Firstly， Virtualized Network Function （VNF） was aggregated based on the rate of traffic change， which reduced the deployed physical nodes and improved link reliability. Secondly， node comprehensive importance was defined by the degree， reliability， comprehensive delay and link hop account of the node in order to sort the physical nodes. Then， the VNFs were mapped to the underlying physical nodes in turn. At the same time， by restricting the number of links， the “ping-pong effect” was reduced and the traffic was optimized. Finally， the virtual link was mapped through k-shortest path algorithm to complete the deployment of the entire SFC. Compared with the original aggregation method， the proposed method has the SFC reliability improved by 2%， the end-to-end delay of SFC reduced by 22%， the bandwidth overhead reduced by 29%， and the average long-term revenue-to-cost ratio increased by 16%. Experimental results show that the proposed method can effectively improve the link reliability， reduce end-to-end delay and bandwidth resource consumption， and play a good optimization effect.

Key words: network function virtualization, Service Function Chain (SFC) deployment, traffic change rate, node comprehensive importance, reliability

中图分类号:

TP393.08

胡海岩, 康巧燕, 赵朔, 王建峰, 付有斌. 基于节点综合重要度排序的服务功能链部署优化方法[J]. 计算机应用, 2023, 43(3): 860-868.

Haiyan HU, Qiaoyan KANG, Shuo ZHAO, Jianfeng WANG, Youbin FU. Service function chain deployment optimization method based on node comprehensive importance ranking[J]. Journal of Computer Applications, 2023, 43(3): 860-868.

图/表 16

图1 不同部署位置的VNF部署方法

Fig. 1 VNF deployment methods with different deployment locations

图2 不同路径的VNF部署方法

Fig. 2 VNF deployment methods with different paths

图3 不同聚合方式的VNF部署方法

Fig. 3 VNF deployment methods with different aggregation methods

图4 最终VNF部署方法（B=337.6 MB/s）

Fig. 4 Final VNF deployment method （B=337.6 MB/s）

图5 不同流量改变率的VNF聚合方法

Fig. 5 VNF aggregation method based on different traffic change rate

图6 J2与J3的对比结果

Fig. 6 Comparison result of J2 and J3

图7 J1与J3的对比结果

Fig. 7 Comparison result of J1 and J3

表1 物理网络参数设置

Tab. 1 Physical network parameter setting

参数	值
节点计算资源	服从［80，90］的均匀分布
节点存储资源	服从［80，90］的均匀分布
节点转发资源	服从［80，90］的均匀分布
节点可靠性	服从［0.94，0.99］的均匀分布
节点时延	服从［2，4］的均匀分布
链路带宽	服从［300，500］的均匀分布
链路时延	服从［2，5］的均匀分布

表2 SFC参数设置

Tab. 2 SFC parameter setting

参数	值
VNF计算资源需求	服从［10，20］的均匀分布
VNF存储资源需求	服从［10，20］的均匀分布
VNF转发资源需求	服从［10，20］的均匀分布
VNF流量改变率	服从［0.7，1.3］的均匀分布
VNF个数	服从［3，6］的均匀分布
SFC可靠性下限	服从［0.75，0.8］的均匀分布
SFC时延上限	服从［90，100］的均匀分布
初始带宽需求	服从［50，60］的均匀分布

表3 不同VNF部署方法对比

Tab. 3 Comparison of different VNF deployment methods

方法	VNF 聚合方式	节点排序	是否考虑 “乒乓效应”
本文方法	$J 1$	节点综合重要度	是
对照实验方法	$J 2$	节点综合重要度	是
文献［20］方法	$J 2$	离差最大化	是
文献［2］方法	—	PageRank思想	否
文献［24］方法	—	最大可靠性	否

表3 不同VNF部署方法对比

Tab. 3 Comparison of different VNF deployment methods

方法	VNF 聚合方式	节点排序	是否考虑 “乒乓效应”
本文方法	$J 1$	节点综合重要度	是
对照实验方法	$J 2$	节点综合重要度	是
文献［20］方法	$J 2$	离差最大化	是
文献［2］方法	—	PageRank思想	否
文献［24］方法	—	最大可靠性	否

图8 SFC映射成功率

Fig. 8 SFC mapping success rate

图9 长期平均收益开销比

Fig. 9 Average long-term revenue-to-cost ratio

图10 链路重复映射条数

Fig. 10 Link number of duplicated mapping

图11 SFC平均可靠性

Fig. 11 Average SFC reliability

图12 SFC端到端平均时延

Fig. 12 Average SFC end-to-end delay

图13 平均带宽开销

Fig. 13 Average bandwidth overhead

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