5G SA網(wǎng)絡(luò)切片安全映射算法研究

徐俊梅

(合肥科技職業(yè)學(xué)院 信息工程系，安徽 合肥 230001)

0 引言

由于我國科技的快速發(fā)展，使我國已經(jīng)進(jìn)入到5G的網(wǎng)絡(luò)時(shí)代[1-2].直到21世紀(jì)，我們國家已經(jīng)基本上完成了5G SA網(wǎng)絡(luò)的建設(shè).5G SA網(wǎng)絡(luò)跟很多行業(yè)進(jìn)行了技術(shù)上的合作共贏，從基礎(chǔ)到實(shí)際運(yùn)用上都取得了很大的成效，通過上述的表現(xiàn)讓我們國家成功建設(shè)了全世界規(guī)模最大的5G網(wǎng)絡(luò)[3].在創(chuàng)新SA網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中心，不僅要提高網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新的技術(shù)能力，同時(shí)還需要完善對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片的管理.網(wǎng)絡(luò)切片是統(tǒng)一建設(shè)而成的基礎(chǔ)設(shè)施，面對(duì)客戶的不同需求給客戶提供專屬的網(wǎng)絡(luò)以及服務(wù).不同類型的網(wǎng)絡(luò)切片，相互之間不存在影響，靈活運(yùn)用在各種各樣的網(wǎng)絡(luò)體系中.網(wǎng)絡(luò)切片在原則上對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)類型起到了隔離的作用，然后再通過技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)對(duì)不同切片的資源進(jìn)行管理[4].

當(dāng)前我們國家對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片的使用，在絕大多數(shù)的時(shí)候，并沒有關(guān)注到其可靠性的問題.傳統(tǒng)方法雖然可以通過技術(shù)手段來提高對(duì)資源的使用情況以及保障網(wǎng)絡(luò)可靠性，但是使用過程復(fù)雜很多、很繁瑣[5].所以，為了解決傳統(tǒng)方法不實(shí)用的情況，需要在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，并加強(qiáng)對(duì)具體業(yè)務(wù)的類型進(jìn)行更細(xì)致的分類，這樣就需要針對(duì)出現(xiàn)的問題，研究更實(shí)用的5G SA網(wǎng)絡(luò)切片安全映射算法.

1 SA網(wǎng)絡(luò)切片安全映射算法

1.1 構(gòu)建5G SA網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)

為了適應(yīng)我國當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，首先最重要的就是構(gòu)建一種適合5G SA網(wǎng)絡(luò)切片的連接架構(gòu).如圖1所示.

圖1 5G SA網(wǎng)絡(luò)切片連接架構(gòu)示意圖

整個(gè)切片架構(gòu)主要是分為3個(gè)層面，第一層是提供基礎(chǔ)的設(shè)施建設(shè)；第二層是虛擬的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商；第三層是使用無線虛擬的方法來連接網(wǎng)絡(luò)切片.這三層中主要的就是第二層，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商提出了虛擬的網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求(簡稱VNR)，并且被下屬虛擬的網(wǎng)絡(luò)功能管理和協(xié)調(diào)(簡稱NFV-MANO)所接收，提供基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的供應(yīng)商則是通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)功能的控制來實(shí)現(xiàn)對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)模塊(簡稱VNFC)的排列，進(jìn)而會(huì)形成不同處理單元的功能(簡稱VBBU)并將其接入到合適的遠(yuǎn)端射程(簡稱VRRU)[6].這樣就會(huì)根據(jù)不同的運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求構(gòu)建出不同需求的網(wǎng)絡(luò)切片來接入.

在相同的網(wǎng)絡(luò)中，虛擬服務(wù)器的集合(簡稱NFVS)可以為S={1,2,…,g,…,s}，不同的功能模塊(簡稱VNFC)集合可以為T={1,2,…,j,…,t}，而不同的網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求(簡稱VNR)集合則可以為N={1,2,…,n}.每個(gè)不同服務(wù)器的運(yùn)行支持的運(yùn)行模塊有且只有一種，如式(1)所示.

(1)

?n∈N,g,s∈G

(2)

其中：ejt(k)為兩個(gè)功能模塊之間虛擬路線所需要的長度，Q為任意兩臺(tái)服務(wù)器之間最大的長度.最后，對(duì)于任意一種網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，需要保障它所需要的功能模塊可以映射到服務(wù)器中.如式(3)所示.

(3)

1.2 設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)調(diào)度模型

需要在網(wǎng)絡(luò)切片中的網(wǎng)絡(luò)功能管理處和服務(wù)器處，都應(yīng)該建立兩級(jí)動(dòng)態(tài)的調(diào)度模型，使這些在網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求中處在一個(gè)長期穩(wěn)定的范圍，從而保證用戶可以正常使用.

第一級(jí)的動(dòng)態(tài)調(diào)度，發(fā)生在虛擬的網(wǎng)絡(luò)功能管理和協(xié)調(diào)中，進(jìn)行該地方的狀態(tài)轉(zhuǎn)移，如式(4)所示.

?n∈N,t∈T

(4)

第二級(jí)的動(dòng)態(tài)調(diào)度發(fā)生在每一臺(tái)服務(wù)器中，該地方狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，如式(5)所示.

?n∈N,t∈T,s∈S

(5)

(6)

對(duì)公式(6)的兩級(jí)取得的期望值可得到平均時(shí)間動(dòng)態(tài)調(diào)度則為式(7).

(7)

1.3 增加安全映射算法

通過構(gòu)建SA網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)和設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)調(diào)度模型，來實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片的基礎(chǔ)改進(jìn)，要想使網(wǎng)絡(luò)切片運(yùn)行更加穩(wěn)定需要額外再增加網(wǎng)絡(luò)切片中的安全映射.這就需要增加式(8)，來完成SA網(wǎng)絡(luò)切片結(jié)構(gòu)中安全映射算法的設(shè)立.

(8)

網(wǎng)絡(luò)切片的運(yùn)行是否安全以及穩(wěn)定，主要是取決于區(qū)別之間的距離，每一個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)切片的組合都可以為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供有效的資源，距離的長度和級(jí)別都會(huì)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)切片的不同而不同的[9].網(wǎng)絡(luò)切片的安全映射算法，主要是為了滿足系統(tǒng)可以在穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，它的映射成本也是相對(duì)較小的.這樣不僅保證了穩(wěn)定性，簡化了程序的同時(shí)還減少了運(yùn)行成本.綜合上述，通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片增加安全映射算法，是可以解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)切片可能會(huì)存在的缺陷.

2 應(yīng)用測(cè)試

2.1 設(shè)置測(cè)試條件

測(cè)試以對(duì)比的形式進(jìn)行，設(shè)置此次研究的算法為實(shí)驗(yàn)組，傳統(tǒng)方法為測(cè)試組A，只增加網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)和動(dòng)態(tài)調(diào)度模型而不增加安全映射算法為測(cè)試組B，比較在相同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和相同的服務(wù)器配置下，不同的方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片的實(shí)際效果.構(gòu)建仿真的模擬平臺(tái)對(duì)上述三種方法進(jìn)行測(cè)試，不僅要測(cè)試三種不同方法成功運(yùn)行的時(shí)間效率，還需要測(cè)試本文研究的算法是否可以成功而且穩(wěn)定運(yùn)行.

2.2 檢測(cè)及結(jié)果分析

通過對(duì)三種方法進(jìn)行相同時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)檢測(cè)以及研究，得出三種不同方法可以成功運(yùn)行的時(shí)間效率關(guān)系，如圖2所示.

圖2 不同方法成功運(yùn)行的時(shí)間效率關(guān)系圖

由圖2可以看出，在相同時(shí)間下，使用傳統(tǒng)方法服務(wù)器的運(yùn)行時(shí)間效率會(huì)隨著時(shí)間的增加出現(xiàn)大幅度的減少，而且從初始的時(shí)候服務(wù)器運(yùn)行就無法達(dá)到100%，并且在前半個(gè)小時(shí)就出現(xiàn)急劇下降的情況；在只增加網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)和動(dòng)態(tài)調(diào)度模型而不增加安全映射算法的服務(wù)器中，初始運(yùn)行效率跟傳統(tǒng)方法一致，并且無法達(dá)到100%，雖然時(shí)間效率不會(huì)出現(xiàn)大幅度下降，但浮動(dòng)范圍卻比傳統(tǒng)方法的頻率大很多；但使用了改進(jìn)后的服務(wù)器，初始的運(yùn)行效率是可以達(dá)到100%的，并且隨著時(shí)間的增加，也不會(huì)出現(xiàn)大幅度的減少，基本會(huì)維持在90%以上.因此可以看出，使用了網(wǎng)絡(luò)切片安全映射算法的服務(wù)器在運(yùn)行效率上明顯比其他的兩個(gè)要高很多[10].綜上所述，可以得出三種不同方法故障恢復(fù)率的關(guān)系示意圖，如圖3、圖4所示.

圖3 不同方法故障恢復(fù)率關(guān)系圖

圖4 不同方法平均故障率

由圖3和圖4可以看出：在相同時(shí)間內(nèi)，使用傳統(tǒng)方法的服務(wù)器在出現(xiàn)故障時(shí)，恢復(fù)率基本上都在10%到30%之間波動(dòng)，平均故障率只有20%，并且波動(dòng)的曲線浮動(dòng)明顯很大；在只增加網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)和動(dòng)態(tài)調(diào)度模型而不增加安全映射算法的服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí)，恢復(fù)率可以達(dá)到50%甚至是70%，平均故障率可以達(dá)到60%，并且波動(dòng)的曲線浮動(dòng)明顯沒有傳統(tǒng)方法大；但使用了改進(jìn)后的服務(wù)器再出現(xiàn)故障時(shí)，可以迅速進(jìn)行恢復(fù)，恢復(fù)率基本上是可以達(dá)到90%，并且不會(huì)出現(xiàn)大范圍的浮動(dòng).綜上所述，基于5G SA網(wǎng)絡(luò)切片安全映射的算法是可以有效改進(jìn)傳統(tǒng)方法的缺陷，可以使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器運(yùn)行更加穩(wěn)定.

3 結(jié)束語

此次研究是為了解決傳統(tǒng)方法運(yùn)算復(fù)雜而且不實(shí)用等情況的發(fā)生，在傳統(tǒng)方法上進(jìn)行更新從而使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境更加安全，服務(wù)器的運(yùn)行更加穩(wěn)定.但此次研究還存在一定程度上不足的地方：第一方面，雖然在網(wǎng)絡(luò)切片內(nèi)部增加了安全映射算法，但在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)中沒有進(jìn)一步增加維修和監(jiān)護(hù)的網(wǎng)絡(luò)程序；第二方面，在利用SA網(wǎng)絡(luò)切片中，沒有考慮到虛擬運(yùn)營商的運(yùn)行成本；第三個(gè)方面，對(duì)服務(wù)器中資源的分配，應(yīng)該提供使其分配更加具體、細(xì)小的算法.今后還可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中其他的部分進(jìn)行不同程度的改進(jìn)，使服務(wù)器的整體運(yùn)行可以更加的穩(wěn)定，讓我國的網(wǎng)絡(luò)變得更加安全.