航空信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能鏈協(xié)同構(gòu)建與映射策略

宋鑫康, 趙尚弘, 王 翔, 郝少偉

(1. 空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院, 陜西 西安 710077;2. 中國(guó)人民解放軍93721部隊(duì), 山西 朔州 038300)

0 引 言

傳統(tǒng)航空信息網(wǎng)絡(luò)存在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)與專用硬件緊耦合的弊端,使其難以提供敏捷靈活的定制化服務(wù);同時(shí)航空平臺(tái)有限的設(shè)備承載能力,進(jìn)一步制約了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)水平的提升。而網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(network function virtualization,NFV)技術(shù)的發(fā)展將有助于改變部署專用設(shè)備提供服務(wù)的現(xiàn)狀,可基于通用服務(wù)器借助軟件實(shí)現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)功能(virtual network function,VNF),從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能與專有硬件的分離。NFV技術(shù)與航空信息網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合可改變平臺(tái)軟硬件緊耦合的現(xiàn)狀,實(shí)現(xiàn)對(duì)集群資源的細(xì)粒度管理和高效聚合。借助VNF可根據(jù)需求在不同位置上進(jìn)行實(shí)例化的優(yōu)勢(shì),按照不同任務(wù)的服務(wù)功能需求連接相應(yīng)VNF構(gòu)成服務(wù)功能鏈(service function chain, SFC),可充分發(fā)揮集群體系化作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)?；贜FV技術(shù)的航空平臺(tái)可依托通用服務(wù)器提供多樣化網(wǎng)絡(luò)功能,但作戰(zhàn)任務(wù)的部署將面臨所需服務(wù)功能邏輯順序及部署位置未知的挑戰(zhàn),因此本文旨在解決根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)服務(wù)請(qǐng)求構(gòu)建SFC并進(jìn)行高效映射問題。

SFC的構(gòu)建過程需在保證服務(wù)功能間依賴關(guān)系的基礎(chǔ)上將作戰(zhàn)任務(wù)所需服務(wù)功能進(jìn)行排列,而SFC映射過程需在滿足資源需求條件下將作戰(zhàn)任務(wù)請(qǐng)求映射至底層航空信息網(wǎng)絡(luò),因此SFC的構(gòu)建與映射本質(zhì)屬于非確定性多項(xiàng)式難題(non-deterministic polynomial-hard, NP-hard)。作為5G網(wǎng)絡(luò)性能提升的關(guān)鍵技術(shù),目前相關(guān)研究均以地面網(wǎng)絡(luò)作為研究對(duì)象,文獻(xiàn)[7-8]聚焦于服務(wù)鏈映射問題,文獻(xiàn)[6,9-13]綜合考慮了服務(wù)鏈構(gòu)建和映射過程。文獻(xiàn)[6]基于改進(jìn)粒子群算法獲得服務(wù)鏈構(gòu)建和映射方案,以服務(wù)鏈資源開銷最小作為優(yōu)化目標(biāo)對(duì)構(gòu)建和映射方案混合編碼,可有效降低服務(wù)鏈的實(shí)際資源映射開銷,但算法的時(shí)間復(fù)雜度較大。文獻(xiàn)[9]提出了在線SFC聯(lián)合構(gòu)建和映射算法,基于當(dāng)前節(jié)點(diǎn)不斷選取有限跳數(shù)內(nèi)服務(wù)功能以完成帶寬需求最小的服務(wù)鏈構(gòu)建,在確定服務(wù)功能類型基礎(chǔ)上選擇剩余計(jì)算資源最大平臺(tái)進(jìn)行映射。該方法在映射過程中未考慮鏈路負(fù)載情況,使得帶寬資源極可能無法滿足任務(wù)需求。文獻(xiàn)[10]實(shí)現(xiàn)服務(wù)鏈構(gòu)建與映射過程的相互協(xié)調(diào),基于當(dāng)前部署節(jié)點(diǎn)以貪婪策略選取后續(xù)服務(wù)功能,提高了成功映射概率,但未考慮底層網(wǎng)絡(luò)狀態(tài),導(dǎo)致容易陷入局部最優(yōu)。文獻(xiàn)[11]以帶寬資源最小化為優(yōu)化目標(biāo),針對(duì)服務(wù)功能間3種不同依賴關(guān)系設(shè)計(jì)了相應(yīng)的服務(wù)鏈構(gòu)建和映射方法,但忽略了服務(wù)功能邏輯順序的改變對(duì)所需資源的影響。文獻(xiàn)[12]提出基于一種非協(xié)調(diào)方法來解決服務(wù)鏈構(gòu)建與映射問題,采用啟發(fā)式方法獲得服務(wù)鏈構(gòu)建方案,然后將映射問題表述為約束條件下的混合整數(shù)問題,該方法計(jì)算量大,適用于小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。同時(shí),由于兩階段為獨(dú)立求解,所以聯(lián)合結(jié)果沒有得到進(jìn)一步優(yōu)化。

上述研究針對(duì)SFC構(gòu)建和映射方案的求解相對(duì)獨(dú)立,在構(gòu)建與映射方案匹配關(guān)系不斷調(diào)整過程中獲得最優(yōu)解。該方式在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源情況與服務(wù)鏈構(gòu)建方案的相互協(xié)調(diào)方面時(shí)間開銷較大,無法適應(yīng)航空作戰(zhàn)時(shí)延敏感特征。其次,相較于地面網(wǎng)絡(luò),航空領(lǐng)域戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜多變,任務(wù)請(qǐng)求得到快速響應(yīng)的需求更加迫切。針對(duì)上述問題,本文提出了一種航空信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)鏈協(xié)同構(gòu)建與映射策略,區(qū)別于已有算法,所提策略基于映射平臺(tái)資源狀況確定服務(wù)鏈構(gòu)建方案,極大簡(jiǎn)化構(gòu)建和映射方案相互調(diào)整過程,減少了搜索時(shí)間開銷,在有限時(shí)間內(nèi)可獲得較優(yōu)方案,可實(shí)現(xiàn)任務(wù)請(qǐng)求的快速響應(yīng)以及任務(wù)請(qǐng)求接受率的提高。所提策略借助啟發(fā)式算法時(shí)間復(fù)雜度低的優(yōu)勢(shì),基于改進(jìn)蟻群算法以鏈路負(fù)載率為牽引確定服務(wù)功能的映射平臺(tái),應(yīng)用廣度優(yōu)先搜索思想確定最佳服務(wù)鏈構(gòu)建方案。

1 系統(tǒng)建模

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

1.1.1 航空信息網(wǎng)絡(luò)模型

112 作戰(zhàn)任務(wù)請(qǐng)求模型

每項(xiàng)作戰(zhàn)任務(wù)請(qǐng)求表示為=(,,,),其中和分別表示作戰(zhàn)任務(wù)的初始平臺(tái)和目的平臺(tái),和僅發(fā)揮數(shù)據(jù)發(fā)送和接收功能,忽略流量對(duì)服務(wù)模塊計(jì)算資源的占用;表示作戰(zhàn)任務(wù)所需的服務(wù)功能集合;表示初始平臺(tái)所發(fā)送數(shù)據(jù)的初始帶寬。

1.2 問題描述

121 SFC構(gòu)建

SFC構(gòu)建過程需在遵循服務(wù)功能間依賴關(guān)系的基礎(chǔ)上將作戰(zhàn)任務(wù)所需服務(wù)功能進(jìn)行排列。由于各服務(wù)功能的流量改變率存在差異,不同的排列順序會(huì)使得所構(gòu)建SFC對(duì)服務(wù)模塊計(jì)算資源和通信鏈路帶寬資源產(chǎn)生不同需求。如圖1(a)所示作戰(zhàn)任務(wù)請(qǐng)求共需5種服務(wù)功能類型,同時(shí)虛線表示各服務(wù)功能間依賴關(guān)系,例如類型的運(yùn)行以完成類型運(yùn)行為前提;圖1 (b)為基于作戰(zhàn)任務(wù)需求得到的所有符合服務(wù)功能間依賴關(guān)系的SFC構(gòu)建方案。如圖1所示,不同的排列方式使得各服務(wù)功能所需計(jì)算資源和帶寬資源需求存在差異,初始平臺(tái)發(fā)送帶寬需求為30 Mb/s的數(shù)據(jù),由于服務(wù)功能的流量改變率為08,所以經(jīng)服務(wù)功能后流量帶寬需求轉(zhuǎn)變?yōu)?4 Mb/s。同時(shí),服務(wù)功能的資源開銷比為02,則相應(yīng)服務(wù)模塊需提供6 Mb計(jì)算資源。以此類推可得SFC1所示排列方式可實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的需求總量達(dá)到最小,其對(duì)計(jì)算資源需求為35.45 Mb,對(duì)帶寬資源需求為129.08 Mb/s。

圖1 作戰(zhàn)任務(wù)需求及相應(yīng)的SFCFig.1 Operational mission requirements and corresponding SFC

1.2.2 SFC映射

SFC映射需將作戰(zhàn)任務(wù)請(qǐng)求映射至底層航空信息網(wǎng)絡(luò),映射過程需確定SFC中服務(wù)功能及鏈路與航空信息網(wǎng)絡(luò)中平臺(tái)及通信鏈路對(duì)應(yīng)關(guān)系,而平臺(tái)所承載服務(wù)模塊的計(jì)算資源和通信鏈路的帶寬資源將直接影響服務(wù)鏈能否映射成功。對(duì)于服務(wù)鏈映射過程,不同服務(wù)鏈構(gòu)建方案映射至相同平臺(tái)和通信鏈路以及基于同一服務(wù)鏈選取不同平臺(tái)及通信鏈路,均會(huì)影響服務(wù)鏈的實(shí)際資源占用情況。如圖2所示,基于SFC1構(gòu)建方案采取不同映射方式可能會(huì)影響服務(wù)鏈的映射成功率,若平臺(tái)和間鏈路帶寬無法滿足需求,將導(dǎo)致方案1映射失敗;同時(shí)所采取映射方案會(huì)影響平臺(tái)和鏈路剩余資源,尤其對(duì)于關(guān)鍵鏈路的資源占用會(huì)影響后續(xù)服務(wù)鏈的映射成功率。

圖2 服務(wù)鏈映射示意圖Fig.2 Schematic diagram of service chain mapping

1.3 優(yōu)化目標(biāo)

作戰(zhàn)任務(wù)請(qǐng)求的部署可分為SFC構(gòu)建和映射兩個(gè)步驟,本文旨在通過合理地構(gòu)建及映射SFC,最大化作戰(zhàn)任務(wù)請(qǐng)求的接受率,因此目標(biāo)函數(shù)定義為

(1)

請(qǐng)求接受率為初始時(shí)刻到時(shí)刻映射成功的任務(wù)請(qǐng)求總數(shù)與到達(dá)的任務(wù)請(qǐng)求總數(shù)之比,其中num()表示截止時(shí)刻映射成功的請(qǐng)求總數(shù),num()表示截止時(shí)刻到達(dá)的請(qǐng)求總數(shù)。約束條件如下:

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

C4～C6表示SFC映射過程中資源約束。C4表示服務(wù)功能所映射航空平臺(tái)的服務(wù)模塊需要有足夠的計(jì)算資源。C5表示服務(wù)功能和間鏈路所映射通信鏈路需要有足夠的帶寬資源保證數(shù)據(jù)流量正常傳輸,在忽略流量分割情況下通信路徑的最小帶寬取決于所經(jīng)過帶寬最小的鏈路。6表示流量傳輸滿足鏈路連通性約束,即除路徑端點(diǎn)外,中間節(jié)點(diǎn)流入鏈路數(shù)量與流出鏈路數(shù)量相等。

1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)于航空信息網(wǎng)絡(luò)SFC協(xié)同構(gòu)建和映射問題,除請(qǐng)求接受率指標(biāo)外,考慮到作戰(zhàn)任務(wù)的時(shí)延敏感特點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)的資源利用情況,選取請(qǐng)求平均等待時(shí)間、資源利用率和映射資源開銷作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.4.1 請(qǐng)求平均等待時(shí)間

航空領(lǐng)域戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)復(fù)雜多變,作戰(zhàn)任務(wù)請(qǐng)求的快速響應(yīng)有助于提高作戰(zhàn)效率,保證作戰(zhàn)任務(wù)的順利完成。任務(wù)平均等待時(shí)間為截止時(shí)刻所有到達(dá)任務(wù)的等待時(shí)間之和與到達(dá)數(shù)量之比:

(8)

142 資源利用率

資源利用率為各時(shí)刻當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)占用資源量與網(wǎng)絡(luò)資源總量之比,本文從平臺(tái)計(jì)算資源利用率和鏈路帶寬資源利用率進(jìn)行評(píng)價(jià),如下所示:

(9)

(10)

SFC構(gòu)建和映射方案可通過資源開銷情況進(jìn)行反映,資源開銷為所占用計(jì)算資源與帶寬資源的加權(quán)和,如下所示:

(11)

為協(xié)調(diào)計(jì)算資源和帶寬資源在資源開銷中影響比重而引入加權(quán)參數(shù)?和,其取值分別為1和05。

2 算法設(shè)計(jì)

SFC構(gòu)建與映射問題屬于NP-hard問題,同時(shí)復(fù)雜多變的航空戰(zhàn)場(chǎng)對(duì)算法的時(shí)間復(fù)雜度提出了較高要求。蟻群算法兼顧啟發(fā)式算法在較短時(shí)間內(nèi)可獲得較優(yōu)解特點(diǎn)的同時(shí),具有魯棒性強(qiáng)、并行分布式計(jì)算、全局搜索能力突出的優(yōu)勢(shì),因此本文將蟻群算法用于確定服務(wù)功能與航空平臺(tái)的映射關(guān)系,但考慮到算法存在收斂速度慢、局部搜索能力不強(qiáng)等劣勢(shì),針對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)以提升算法性能。其次,應(yīng)用廣度優(yōu)先搜索算法確定當(dāng)前映射資源條件下最佳服務(wù)功能排列順序,即服務(wù)鏈構(gòu)建方案,其中選取最短路徑作為各服務(wù)功能間通信鏈路。

2.1 算法改進(jìn)原理

2.1.1 解空間優(yōu)化

轉(zhuǎn)移概率是螞蟻尋路過程中的關(guān)鍵指標(biāo),時(shí)刻螞蟻基于航空平臺(tái)到航空平臺(tái)的轉(zhuǎn)移概率如下所示：

(12)

傳統(tǒng)蟻群算法各可行解設(shè)置相同信息素初始值,增強(qiáng)了節(jié)點(diǎn)選取的隨機(jī)性,提高了算法的全局搜索能力,但也使得需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間以發(fā)揮正反饋機(jī)制效果,進(jìn)而導(dǎo)致了算法初期收斂速度較慢。結(jié)合服務(wù)鏈映射問題,在算法中引入鏈路和平臺(tái)負(fù)載因子,在算法運(yùn)行初期可縮小可行解搜索范圍,以提高算法收斂速度。

鏈路負(fù)載因子:定義鏈路負(fù)載矩陣作為全局變量,記錄各時(shí)刻航空信息網(wǎng)絡(luò)中通信鏈路的負(fù)載情況,將有助于避免螞蟻選取鏈路負(fù)載較大的通信鏈路。鏈路負(fù)載因子定義如下:

樁后土拱處于極限平衡狀態(tài)時(shí)，邱子義等[12]、劉小麗等[18]認(rèn)為土拱沿著K點(diǎn)水平方向發(fā)生破壞，如圖7所示。圖7中樁后均存在三角形受壓區(qū)，左側(cè)拱的樁后受壓區(qū)為EFG，EF的長(zhǎng)度t1為樁后土拱的厚度；K為EF的中點(diǎn)，即拱軸線與拱腳截面的交點(diǎn)。

(13)

平臺(tái)負(fù)載因子:定義平臺(tái)負(fù)載矩陣作為全局變量,記錄航空平臺(tái)各服務(wù)模塊的計(jì)算資源占用情況,當(dāng)服務(wù)模塊計(jì)算資源占用超過所設(shè)定80%閾值時(shí),將該服務(wù)模塊從可行解空間刪除,從而縮小可行解空間范圍。鏈路和平臺(tái)負(fù)載因子的設(shè)定,將有助于提高算法初期的收斂速度,同時(shí)選取資源相對(duì)充足的平臺(tái)和鏈路利于任務(wù)請(qǐng)求的成功映射。

212 信息素更新

所提算法中對(duì)航空平臺(tái)所承載服務(wù)模塊賦予信息素屬性,本文對(duì)信息素的更新策略進(jìn)行改進(jìn)以提高蟻群算法的收斂速度和算法運(yùn)行性能。

(14)

(15)

2.2 算法實(shí)現(xiàn)

本文提出負(fù)載平衡服務(wù)鏈構(gòu)建與嵌入(load balancing service chain construction and embedding, LBCE)算法,以鏈路和平臺(tái)負(fù)載率為牽引,旨在實(shí)現(xiàn)SFC構(gòu)建和映射過程中的負(fù)載均衡。算法首先以任務(wù)請(qǐng)求中初始平臺(tái)為起點(diǎn),綜合考慮其他平臺(tái)與初始平臺(tái)間鏈路以及服務(wù)模塊信息素情況,應(yīng)用式(12)求解得到滿足任務(wù)服務(wù)需求的各平臺(tái)轉(zhuǎn)移概率,依據(jù)轉(zhuǎn)移概率選擇相應(yīng)服務(wù)功能映射平臺(tái),進(jìn)而將所選平臺(tái)作為起點(diǎn)依次完成后續(xù)平臺(tái)的選擇,從而完成蟻群初始化。其次針對(duì)各螞蟻基于所選定航空平臺(tái)利用廣度優(yōu)先搜索算法,從任務(wù)初始平臺(tái)出發(fā)以服務(wù)功能依賴關(guān)系為約束,獲得映射方案中后續(xù)可運(yùn)行服務(wù)功能所對(duì)應(yīng)平臺(tái)集合,判斷初始平臺(tái)與集合中各平臺(tái)間最短通信路徑是否滿足帶寬需求,將滿足需求平臺(tái)作為當(dāng)前平臺(tái)以此類推尋找后續(xù)平臺(tái),直至到達(dá)目的平臺(tái),從而獲得當(dāng)前映射關(guān)系下滿足功能依賴關(guān)系的所有服務(wù)鏈構(gòu)建方案,將資源開銷最小的方案作為該螞蟻的行動(dòng)路徑。當(dāng)所有螞蟻完成路徑選取后,記錄全局最優(yōu)方案及資源開銷最優(yōu)值,按照式(14)和式(15)完成各螞蟻所選平臺(tái)相應(yīng)服務(wù)模塊的信息素濃度更新。最后當(dāng)蟻群算法循環(huán)滿足迭代次數(shù)終止后,根據(jù)所得全局最優(yōu)方案,更新平臺(tái)和鏈路負(fù)載因子輔助后續(xù)服務(wù)鏈的構(gòu)建與映射。

算法 1 LBCE算法輸入: 航空信息網(wǎng)絡(luò)G,作戰(zhàn)任務(wù)請(qǐng)求M輸出: 服務(wù)鏈構(gòu)建與映射方案1: while n

24:end while25:/*平臺(tái)和鏈路負(fù)載因子更新*/26:根據(jù)所得最優(yōu)方案更新所選平臺(tái)和鏈路負(fù)載情況。

3 仿真與分析

3.1 仿真設(shè)置

本文在Matlab仿真環(huán)境下對(duì)所提算法進(jìn)行分析評(píng)估。航空信息網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)設(shè)置如下:場(chǎng)景區(qū)域?yàn)? 000 km×1 000 km,航空平臺(tái)數(shù)量為50架,基于改進(jìn)的Salam算法隨機(jī)生成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?網(wǎng)絡(luò)中每條無向邊設(shè)置為兩條有向邊,每個(gè)方向鏈路帶寬服從[70,80]的均勻分布。借鑒文獻(xiàn)[6],仿真設(shè)置如圖3所示4種不同類型作戰(zhàn)任務(wù)請(qǐng)求,各任務(wù)請(qǐng)求的源平臺(tái)和目的平臺(tái)隨機(jī)產(chǎn)生,任務(wù)請(qǐng)求的初始流量服從[30,40]的均勻分布。仿真實(shí)驗(yàn)隨機(jī)生成1 000個(gè)作戰(zhàn)任務(wù)請(qǐng)求,其到達(dá)率服從λ=0.7的泊松分布,生存周期和服務(wù)周期分別服從μ=10、η=100的指數(shù)分布。為避免隨機(jī)因素干擾,仿真實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行10次,取實(shí)驗(yàn)結(jié)果平均值作為最終結(jié)果。

圖3 作戰(zhàn)任務(wù)請(qǐng)求類型Fig.3 Combat mission request types

各航空平臺(tái)僅可運(yùn)行部分VNF,因此本文設(shè)置每個(gè)平臺(tái)隨機(jī)承載任意2～3種類型服務(wù)模塊,各服務(wù)模塊參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 服務(wù)功能類型及其參數(shù)Table 1 Service function types and their parameters

文獻(xiàn)[6]所提算法可有效降低SFC的資源映射開銷,提高作戰(zhàn)任務(wù)的請(qǐng)求接受率。文獻(xiàn)[9]所提算法的時(shí)間復(fù)雜度較低,可滿足作戰(zhàn)任務(wù)快速響應(yīng)需求。因此,將本文所提LBCE算法與文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[9]中算法進(jìn)行對(duì)比,算法具體描述如表2所示。同時(shí),對(duì)算法中種群規(guī)模和迭代次數(shù)進(jìn)行限制以適應(yīng)航空作戰(zhàn)特點(diǎn)。

表2 算法描述Table 2 Algorithm description

3.2 結(jié)果分析

圖4為不同作戰(zhàn)任務(wù)請(qǐng)求數(shù)量下各算法請(qǐng)求接受率對(duì)比,相較于文獻(xiàn)[6]算法和LBCE算法,由于文獻(xiàn)[9]算法缺乏對(duì)可行解的迭代優(yōu)化以及映射過程中未考慮鏈路負(fù)載情況,使得文獻(xiàn)[9]算法映射成功率最低,甚至在仿真初期出現(xiàn)請(qǐng)求接受率直線下降問題。文獻(xiàn)[6]算法由于采用服務(wù)鏈構(gòu)建方案與映射方案不斷匹配的方式進(jìn)行求解,在迭代次數(shù)和種群規(guī)模有限條件下致使構(gòu)建方案與網(wǎng)絡(luò)資源的相互協(xié)調(diào)過程不夠充分,無法有效降低所得方案的資源開銷情況,導(dǎo)致映射成功率低于LBCE算法。LBCE算法在選定航空平臺(tái)后應(yīng)用廣度優(yōu)先搜索算法可確定當(dāng)前資源狀況下最佳服務(wù)鏈構(gòu)建方案,從而降低了服務(wù)鏈構(gòu)建和映射方案的資源開銷,相比文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[9]算法請(qǐng)求接受率分別提高了約12.3%和46.2%。

圖4 不同作戰(zhàn)任務(wù)請(qǐng)求數(shù)量下請(qǐng)求接受率Fig.4 Request acceptance rate under different number of combat mission requests

圖5為不同作戰(zhàn)任務(wù)請(qǐng)求數(shù)量下各算法任務(wù)平均等待時(shí)間對(duì)比,任務(wù)的等待時(shí)間主要取決于當(dāng)前航空信息網(wǎng)絡(luò)資源情況,若當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)資源狀況可滿足到達(dá)任務(wù)需求,則任務(wù)等待時(shí)間為0,否則任務(wù)會(huì)在生存周期允許范圍內(nèi)等待其他任務(wù)釋放網(wǎng)絡(luò)資源。文獻(xiàn)[9]算法由于僅建立一種服務(wù)鏈構(gòu)建和映射方案使得任務(wù)請(qǐng)求接受率較低,致使等待隊(duì)列累積任務(wù)請(qǐng)求數(shù)量較多,導(dǎo)致其任務(wù)平均等待時(shí)間最長(zhǎng)。文獻(xiàn)[6]算法由于服務(wù)鏈構(gòu)建和映射方案資源開銷較大,當(dāng)正在服務(wù)任務(wù)到達(dá)一定數(shù)量后網(wǎng)絡(luò)剩余資源嚴(yán)重不足,無法滿足后續(xù)任務(wù)需求,增大了任務(wù)的平均等待時(shí)間。LBCE算法在滿足資源需求的同時(shí)可結(jié)合網(wǎng)絡(luò)資源情況完成服務(wù)鏈構(gòu)建,因此任務(wù)的平均等待時(shí)間較短,相較文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[9]算法任務(wù)平均等待時(shí)間降低了約12.1%和26.8%,可實(shí)現(xiàn)任務(wù)請(qǐng)求的快速響應(yīng)。

圖5 不同作戰(zhàn)任務(wù)請(qǐng)求數(shù)量下請(qǐng)求平均等待時(shí)間Fig.5 Average waiting time for requests under different number of combat mission requests

圖6和圖7為各作戰(zhàn)任務(wù)請(qǐng)求到達(dá)時(shí)刻航空信息網(wǎng)絡(luò)的平臺(tái)計(jì)算資源和鏈路帶寬資源利用率,仿真初期,隨著作戰(zhàn)任務(wù)需求不斷到達(dá)計(jì)算資源和帶寬資源利用率不斷增大。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)任務(wù)數(shù)量接近飽和時(shí),LBCE算法的平臺(tái)計(jì)算資源和鏈路帶寬資源利用率基本維持在41.8%和18.7%;文獻(xiàn)[6]算法的平臺(tái)計(jì)算資源和鏈路帶寬資源利用率基本維持在37.4%和28.9%;文獻(xiàn)[9]算法的平臺(tái)計(jì)算資源和鏈路帶寬資源利用率基本維持在29.4%和19.7%;LBCE算法由于可滿足較多任務(wù)需求,其平臺(tái)計(jì)算資源利用率較高,同時(shí)其以鏈路負(fù)載率和通信跳數(shù)為依據(jù)選取平臺(tái),可降低帶寬資源開銷。文獻(xiàn)[6]算法可以滿足較多任務(wù)請(qǐng)求,因此平臺(tái)計(jì)算資源利用率較高,但可能存在所選平臺(tái)間通信跳數(shù)過多問題,從而導(dǎo)致對(duì)鏈路資源利用率較高。文獻(xiàn)[9]算法由于請(qǐng)求接受率較低導(dǎo)致平臺(tái)計(jì)算資源和鏈路帶寬資源利用率均不高。

圖6 航空信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)計(jì)算資源利用率Fig.6 Calculation resource utilization rate of aviation information network platform

圖7 航空信息網(wǎng)絡(luò)鏈路帶寬資源利用率Fig.7 Link bandwidth resource utilization of aviation information network

圖8為隨機(jī)選取25組3種算法均成功映射的服務(wù)鏈,將其資源開銷情況進(jìn)行對(duì)比。由圖8可知,LBCE算法所得服務(wù)鏈構(gòu)建和映射方案資源開銷最小,文獻(xiàn)[9]算法由于對(duì)平臺(tái)間通信跳數(shù)進(jìn)行限制使得帶寬資源消耗較少,因此大部分映射成功的服務(wù)鏈資源開銷僅次于LBCE算法,而文獻(xiàn)[6]算法由于存在平臺(tái)間通信路徑過長(zhǎng)問題使得映射方案資源開銷較多,少數(shù)情況資源開銷優(yōu)于文獻(xiàn)[9]算法。

圖8 服務(wù)鏈映射資源開銷Fig.8 Service chain mapping resource overhead

表3對(duì)各算法成功映射服務(wù)鏈資源開銷情況進(jìn)行分析,由表3可知，LBCE算法可實(shí)現(xiàn)服務(wù)鏈構(gòu)建和映射方案資源開銷最小且穩(wěn)定,文獻(xiàn)[6]算法由于通信路徑長(zhǎng)度的隨機(jī)性導(dǎo)致資源開銷均方差較大,即資源開銷波動(dòng)性較大。同時(shí),文獻(xiàn)[9]算法由于搜索過程較為簡(jiǎn)單,算法平均時(shí)間開銷最小,文獻(xiàn)[6]算法由于涉及種群迭代及交叉、變異操作,算法平均時(shí)間開銷最大,LBCE算法僅涉及螞蟻種群迭代過程,平均時(shí)間開銷介于兩者之間。

表3 3種算法映射數(shù)據(jù)分析Table 3 Map data analysis of three algorithms

4 結(jié)束語

本文針對(duì)航空信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)鏈構(gòu)建與映射問題,提出了以平臺(tái)和鏈路負(fù)載率為牽引的服務(wù)鏈構(gòu)建和映射策略。研究結(jié)果表明,相比兩種對(duì)比算法請(qǐng)求接受率分別提高了約12.3%和46.2%,任務(wù)平均等待時(shí)間分別降低了約12.1%和26.8%,服務(wù)鏈資源開銷分別降低了28.3%和16.7%。算法在時(shí)間復(fù)雜度較低條件下可有效提高任務(wù)請(qǐng)求接受率，并降低服務(wù)鏈構(gòu)建和映射方案的資源開銷,實(shí)現(xiàn)任務(wù)請(qǐng)求的快速響應(yīng)。然而,作戰(zhàn)任務(wù)請(qǐng)求中初始和目的平臺(tái)由于具有不確定性,使得服務(wù)鏈映射成功率以及各時(shí)刻計(jì)算資源和帶寬資源的整體水平較低。因此,下一步研究重點(diǎn)考慮服務(wù)模塊和已映射服務(wù)功能的動(dòng)態(tài)調(diào)整問題。