特征關(guān)聯(lián)的服務(wù)功能鏈可靠性?xún)?yōu)化算法*

張順利,邵蘇杰

(1.晉中學(xué)院 信息技術(shù)與工程系,山西 晉中 030619;2.北京郵電大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院,北京 100876)

0 引 言

隨著5G技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用,網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(Network Function Virtualization,NFV)被提出并得到快速發(fā)展[1]。在NFV環(huán)境下,網(wǎng)絡(luò)功能可以與硬件環(huán)境進(jìn)行解耦,顯著提升網(wǎng)絡(luò)功能部署的效率和靈活性,降低了網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和部署成本[2]。網(wǎng)絡(luò)功能采用虛擬網(wǎng)絡(luò)功能(Virtual Network Function,VNF)的方式部署在底層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上,服務(wù)請(qǐng)求采用服務(wù)功能鏈(Service Function Chain,SFC)的方式進(jìn)行部署[3-4]。文獻(xiàn)[5]研究了NFV可靠性的相關(guān)問(wèn)題,并指出VNF自身的軟件故障和承載其的底層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件故障都會(huì)導(dǎo)致VNF不可用。如何提升VNF的可用性對(duì)于服務(wù)連續(xù)性是一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容,研究方法可以分為提前估計(jì)節(jié)點(diǎn)可用性、故障VNF恢復(fù)機(jī)制、資源備份機(jī)制三種類(lèi)型。

在提前估計(jì)節(jié)點(diǎn)可用性研究方面,文獻(xiàn)[6-8]估計(jì)節(jié)點(diǎn)的可用性并設(shè)計(jì)優(yōu)化放置模型來(lái)抵消不可用的影響,文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了SFC可靠性最大化的資源部署算法。但是,當(dāng)?shù)讓庸?jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí),SFC仍然會(huì)發(fā)生中斷。為解決此問(wèn)題,已有研究提出了故障VNF恢復(fù)機(jī)制:文獻(xiàn)[10]采用虛擬鏈路重映射策略為受故障影響的SFC部署可用的新底層路徑,文獻(xiàn)[11]提出動(dòng)態(tài)遷移機(jī)制為故障VNF實(shí)例創(chuàng)建新的可靠底層網(wǎng)絡(luò)資源。但是,故障恢復(fù)不可避免導(dǎo)致SFC出現(xiàn)中斷,降低服務(wù)質(zhì)量。文獻(xiàn)[12]提出虛擬機(jī)狀態(tài)監(jiān)控策略,當(dāng)虛擬機(jī)狀態(tài)為不可用時(shí)為其提供備份資源,文獻(xiàn)[13]選擇可靠性不能滿(mǎn)足要求的SFC并為其在線備份資源,雖然都提升了SFC的可用性,但是備份資源的開(kāi)銷(xiāo)也快速增加。為降低備份資源開(kāi)銷(xiāo),文獻(xiàn)[14]將備份資源的啟動(dòng)時(shí)間進(jìn)行推遲,文獻(xiàn)[15-16]采用網(wǎng)絡(luò)特征分別對(duì)虛擬網(wǎng)功能和物理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聚合,文獻(xiàn)[17] 采取關(guān)鍵和非關(guān)鍵服務(wù)備份策略,文獻(xiàn)[18]采用整數(shù)線性規(guī)劃求解最優(yōu)的備份策略。雖然文獻(xiàn)[15-18]降低了備份資源的開(kāi)銷(xiāo),但是這些研究采取對(duì)SFC逐條進(jìn)行分析并求解最小化開(kāi)銷(xiāo)的備份策略,沒(méi)有挖掘SFC之間的資源共享關(guān)系。為解決此問(wèn)題,文獻(xiàn)[19-20]將多個(gè)SFC聚合成一個(gè)服務(wù)函數(shù)圖(Service Function Diagram,SFG),并對(duì)SFG進(jìn)行可靠性篩選。但是,資源備份時(shí)沒(méi)有考慮底層網(wǎng)絡(luò)資源特征,沒(méi)有考慮待備份SFC及VNF實(shí)例間的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行資源備份,備份資源的共享性還需進(jìn)一步提升。

資源備份機(jī)制是提升SFC可靠性的關(guān)鍵技術(shù)之一,但是,現(xiàn)有研究為VNF選擇底層備份資源時(shí),僅探討單個(gè)VNF備份需求場(chǎng)景,缺乏對(duì)多個(gè)VNF備份資源共享的考慮,導(dǎo)致底層網(wǎng)絡(luò)資源利用率較低的問(wèn)題。為解決此問(wèn)題,本文提出了特征關(guān)聯(lián)的服務(wù)功能鏈可靠性?xún)?yōu)化算法(Reliability Optimization Algorithm of Service Function Chain Based on Feature Association,FASFCROA)。為分析多個(gè)SFC和VNF備份資源的共享關(guān)系,從底層節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)特征判斷其作為VNF實(shí)例備選節(jié)點(diǎn)的優(yōu)勢(shì),從VNF實(shí)例的網(wǎng)絡(luò)特征判斷其作為備選對(duì)象的優(yōu)勢(shì);基于網(wǎng)絡(luò)資源特征和關(guān)聯(lián)感知的方法為VNF實(shí)例尋找備份節(jié)點(diǎn),減少為其他待備份VNF實(shí)例選擇備份底層節(jié)點(diǎn)時(shí)的鏈路開(kāi)銷(xiāo)。本文算法與經(jīng)典算法進(jìn)行的對(duì)比分析表明,本文算法節(jié)約了備份實(shí)例和備份帶寬資源消耗,提升了SFC的接受率。

1 問(wèn)題描述

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

(1)

式中:n表示SFC中包含的VNF實(shí)例的數(shù)量。

1.2 資源備份策略

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

2 網(wǎng)絡(luò)特征分析

2.1 底層節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)特征

從底層節(jié)點(diǎn)的資源可用率、周邊資源密集度、全網(wǎng)中心性三個(gè)方面評(píng)價(jià)底層節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)特征。

(7)

(8)

底層節(jié)點(diǎn)的3個(gè)屬性采用最大最小歸一化方法處理:

(9)

式中:x表示底層節(jié)點(diǎn)的某個(gè)屬性數(shù)據(jù)取值;xmax表示該類(lèi)屬性數(shù)據(jù)的最大值;xmin表示該類(lèi)屬性數(shù)據(jù)的最小值;x′表示底層節(jié)點(diǎn)的某個(gè)屬性歸一化后的數(shù)據(jù)取值。

2.2 VNF實(shí)例的網(wǎng)絡(luò)特征

VNF實(shí)例的網(wǎng)絡(luò)特征主要用于判斷其作為備選對(duì)象的優(yōu)勢(shì)。在SFG網(wǎng)絡(luò)模型中,被選擇的VNF備份實(shí)例如果具有較高的度數(shù)和帶寬資源,該VNF備份實(shí)例在SFG中相關(guān)聯(lián)的VNF實(shí)例較多,而且其選擇的備份底層節(jié)點(diǎn)將具有較多的資源可以與其他VNF實(shí)例共享。VNF實(shí)例作為備選對(duì)象的優(yōu)越性使用ADV(vnfk)表示:

(10)

3 算法與復(fù)雜度分析

3.1 特征關(guān)聯(lián)的服務(wù)功能鏈可靠性?xún)?yōu)化算法

本文提出的特征關(guān)聯(lián)的服務(wù)功能鏈可靠性?xún)?yōu)化算法具體步驟如下:

步驟1 計(jì)算底層網(wǎng)絡(luò)Gs=(Ns,Ls)中底層節(jié)點(diǎn)的備份優(yōu)越性。

1)使用公式(7)和(8)分別計(jì)算Gs=(Ns,Ls)中底層節(jié)點(diǎn)的周邊資源密集度和全網(wǎng)中心性;

2)使用公式(9)對(duì)底層節(jié)點(diǎn)的資源可用率、周邊資源密集度、全網(wǎng)中心性3個(gè)屬性進(jìn)行歸一化處理;

步驟2 獲得Gv(Nv,Ev)中所有真實(shí)可靠性不能滿(mǎn)足其可靠性要求的SFC。

1)使用公式(2)計(jì)算每個(gè)sfcj∈SFC的可靠性relsfcj;

步驟3 獲得所有優(yōu)越性較高的待備份的VNF實(shí)例的集合。

通過(guò)應(yīng)用熱氮吹硫新工藝，吹硫、鈍化交叉進(jìn)行，在鈍化后期使克勞斯尾氣直接進(jìn)入尾氣焚燒爐，區(qū)別于常規(guī)熱氮吹硫工藝，鈍化后期三級(jí)硫冷凝器出口過(guò)程氣切入急冷塔，經(jīng)堿液吸收后，再切入尾氣焚燒爐，鈍化過(guò)程將持續(xù)消耗堿液，產(chǎn)生廢水。本次熱氮吹硫作業(yè)未消耗堿液、未產(chǎn)生廢水，排放煙氣中SO2質(zhì)量濃度滿(mǎn)足環(huán)?？刂浦笜?biāo)要求，完成了克勞斯系統(tǒng)停工吹硫作業(yè)。停工后，重點(diǎn)設(shè)備開(kāi)蓋檢查，容器內(nèi)無(wú)固體硫磺，未發(fā)生自燃現(xiàn)象。裝置開(kāi)工后，克勞斯系統(tǒng)和加氫系統(tǒng)均運(yùn)行平穩(wěn)，各反應(yīng)器床層溫度分布均勻，排放煙氣中SO2質(zhì)量濃度約250 mg/m3。

步驟4 為優(yōu)越性最大的待備份VNF實(shí)例提供備份底層節(jié)點(diǎn)。

3.2 基于資源特征關(guān)聯(lián)感知的備份節(jié)點(diǎn)選擇算法

步驟1 根據(jù)映射關(guān)系定位需要備份VNF實(shí)例的底層節(jié)點(diǎn)。

在步驟3中,使用公式(12)計(jì)算

(12)

(13)

(14)

3.3 算法復(fù)雜度分析

4 算法性能分析

4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)環(huán)境中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫褂肎T-ITM拓?fù)渖善魃蒣21]。底層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸倪叺扔?00的正方形區(qū)域中隨機(jī)提取。底層節(jié)點(diǎn)的數(shù)量為100個(gè),底層鏈路采用底層節(jié)點(diǎn)之間以0.5的概率隨機(jī)連接獲得。底層節(jié)點(diǎn)的CPU資源和底層鏈路的帶寬遵循50～100個(gè)單位的均勻分布。底層節(jié)點(diǎn)的可靠性采用一個(gè)0.9～0.999的隨機(jī)值進(jìn)行描述。在SFC請(qǐng)求的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖煞矫?NFV實(shí)例節(jié)點(diǎn)的數(shù)量在2～6之間均勻分布。NFV實(shí)例節(jié)點(diǎn)上 CPU 資源和鏈路帶寬遵循1～15的均勻分布。在VNF實(shí)例的類(lèi)型和承載方面,每個(gè)底層節(jié)點(diǎn)可以支持3種VNF類(lèi)型,并且當(dāng)一個(gè)底層節(jié)點(diǎn)承載了一種類(lèi)型的VNF實(shí)例之后,將不能承載其他類(lèi)型的VNF實(shí)例。

為了評(píng)估提出的備份方法的性能和資源效率,選擇當(dāng)前研究中的經(jīng)典算法NRCR[20]和基于最短路徑的服務(wù)功能鏈資源備份算法(Resource Backup Algorithm for Service Function Chain Based on Shortest Path,RBASP)進(jìn)行比較。RBASP在找到急需備份的NFV實(shí)例對(duì)應(yīng)的底層節(jié)點(diǎn)后,選擇距離該底層節(jié)點(diǎn)最近的滿(mǎn)足資源需求的底層節(jié)點(diǎn)作為備份節(jié)點(diǎn)[15-16]。

4.2 備份資源消耗

從備份實(shí)例數(shù)、備份帶寬資源消耗兩個(gè)方面進(jìn)行比較,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1和圖2所示。圖中橫坐標(biāo)表示SFC的可靠性需求從0.95增加到0.999,用于模擬不同用戶(hù)需求的環(huán)境。

圖1 備份實(shí)例數(shù)比較Fig.1 Comparison of backup instances

圖2 備份帶寬資源消耗比較Fig.2 Comparison of backup bandwidth resource consumption

從圖1中備份實(shí)例數(shù)比較結(jié)果可知,隨著可靠性要求提升,3種算法下備份實(shí)例數(shù)量都在增加。尤其當(dāng)SFC的可靠性要求大于0.99時(shí),備份實(shí)例數(shù)量快速增加。NRCR消耗的備份實(shí)例數(shù)最多,RBASP次之,是因?yàn)镽BASP選擇底層節(jié)點(diǎn)時(shí),優(yōu)先選擇備份優(yōu)越性高的底層節(jié)點(diǎn)資源,從而快速提升其他SFC的可靠性。FASFCROA的備份實(shí)例數(shù)比NRCR降低了約29%,是因?yàn)镕ASFCROA考慮關(guān)聯(lián)關(guān)系可以選擇同時(shí)滿(mǎn)足多個(gè)VNF實(shí)例的資源,從而需要更少的備份實(shí)例。

從圖2中備份帶寬資源消耗比較結(jié)果可知,隨著可靠性要求的增加,3種算法需要消耗的帶寬資源都逐步增加。尤其是可靠性要求大于0.99時(shí),3種算法的帶寬需求都快速增加。RBASP的備份帶寬資源消耗較少,NRCR的備份帶寬資源消耗最多。算法RBASP選擇底層節(jié)點(diǎn)時(shí),優(yōu)先選擇備份優(yōu)越性高的底層節(jié)點(diǎn)資源,這些節(jié)點(diǎn)具有較多的鄰接節(jié)點(diǎn)和連接鏈路,比較容易找到與待備份底層節(jié)點(diǎn)的鄰接節(jié)點(diǎn)相連的鏈路,減少了鏈路資源的消耗。FASFCROA的備份帶寬資源消耗比NRCR降低了約42%,這是因?yàn)镕ASFCROA選擇與其他待備份VNF底層節(jié)點(diǎn)的鏈路代價(jià)最小的底層節(jié)點(diǎn)作為備份節(jié)點(diǎn)資源,所以需要更少的備份鏈路資源。

4.3 SFC的可用率

SFC的可用率是指底層節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障后,正?？捎玫腟FC數(shù)量在總的SFC數(shù)量中的占比。該指標(biāo)可以分析備份策略對(duì)SFC可靠性的提升水平。在模擬底層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的故障方面,采用隨機(jī)模擬故障和資源特征模擬故障兩種策略。隨機(jī)模擬故障是指在底層節(jié)點(diǎn)中隨機(jī)選擇[2%,3%]的底層節(jié)點(diǎn)作為故障節(jié)點(diǎn)。根據(jù)資源特征模擬故障是指按照底層節(jié)點(diǎn)資源利用率降序排列,將資源利用率較高的[2%,3%]的底層節(jié)點(diǎn)作為故障節(jié)點(diǎn)。

圖3中展示了隨機(jī)模擬故障時(shí)SFC的可用率比較結(jié)果,橫坐標(biāo)表示底層節(jié)點(diǎn)的數(shù)量從50個(gè)增加到100個(gè),用于模擬不同規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。在不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下,3種算法下SFC的可用率波動(dòng)不大,說(shuō)明不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模環(huán)境對(duì)算法SFC的可用率影響較小。3種算法下SFC的可用率結(jié)果區(qū)別不大,說(shuō)明3種算法都有較好的收斂結(jié)果。RBASP的SFC的可用率比NRCR結(jié)果略好,因?yàn)殡m然故障是隨機(jī)的,但是RBASP選擇底層節(jié)點(diǎn)時(shí),優(yōu)先選擇備份資源優(yōu)勢(shì)高的資源,保證SFC的路由可靠性較高。FASFCROA的SFC的可用率比RBASP略好,因?yàn)镕ASFCROA考慮備份資源的關(guān)聯(lián)關(guān)系,可以進(jìn)一步提升任意兩個(gè)虛擬節(jié)點(diǎn)的連通性,從而提升可用率。

圖3 隨機(jī)模擬故障時(shí)SFC的可用率比較Fig.3 Comparison of SFC availability during random simulation of faults

圖4展示了根據(jù)資源特征模擬故障時(shí)SFC的可用率比較結(jié)果。由圖可知,隨著底層節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加,3種算法下SFC的可用率都趨于收斂,說(shuō)明底層網(wǎng)絡(luò)規(guī)模對(duì)SFC的可用率影響較小。NRCR的SFC的可用率明顯低于RBASP和FASFCROA,因?yàn)镽BASP和FASFCROA選擇備份底層節(jié)點(diǎn)時(shí),選擇的底層節(jié)點(diǎn)都是備份優(yōu)越性較大的底層節(jié)點(diǎn),這些節(jié)點(diǎn)的利用率較低,所以可靠性較高。當(dāng)利用率高的資源發(fā)生故障時(shí),對(duì)本文算法選擇的SFC的可靠性影響較小。

圖4 根據(jù)資源特征模擬故障時(shí)SFC的可用率比較Fig.4 Comparison of SFC availability when simulating faults based on resource characteristics

4.4 SFC的接受率

SFC的接受率是指資源備份后可以繼續(xù)為SFC分配資源的成功率。該指標(biāo)可以分析備份策略對(duì)于底層網(wǎng)絡(luò)資源利用率的影響。

圖5展示了SFC的接受率比較結(jié)果,橫坐標(biāo)表示服務(wù)請(qǐng)求的數(shù)量從20個(gè)增加到100個(gè)。由圖可知,隨著服務(wù)請(qǐng)求數(shù)量的增加,3種算法下SFC的接受率都在降低。尤其是當(dāng)服務(wù)請(qǐng)求大于60個(gè)時(shí),SFC的接受率快速降低。這說(shuō)明SFC數(shù)量大于60后,SFC需要的資源已經(jīng)不能被底層網(wǎng)絡(luò)資源滿(mǎn)足。RBASP的SFC接受率比NRCR略高,因?yàn)槠溥x擇的備份節(jié)點(diǎn)具有較大的中心性,可以通過(guò)較少的鏈路數(shù)量實(shí)現(xiàn)備份節(jié)點(diǎn)與待備份節(jié)點(diǎn)的鄰接節(jié)點(diǎn)的連接,節(jié)約較多的底層鏈路資源。此時(shí),更多的鏈路資源可以被用于為其他SFC分配資源,而NRCR為了選擇可靠性較高的資源,可能需要更多的鏈路資源。FASFCROA下SFC接受率比NRCR提升了約12%,因?yàn)镕ASFCROA在RBASP基礎(chǔ)上考慮備份資源的關(guān)聯(lián)關(guān)系,使用了更少的備份資源,為接受SFC提供了更多的可用資源。

圖5 SFC的接受率比較Fig.5 Comparison of acceptance rates of SFC

對(duì)算法性能結(jié)果比較可知,本文提出的FASFCROA采用網(wǎng)絡(luò)特征和資源關(guān)聯(lián)關(guān)系優(yōu)化SFC的可靠性,節(jié)約了備份實(shí)例和備份帶寬的資源消耗,提升了SFC的可用率和接受率,所以具有較為優(yōu)越的性能。SFC的可用率與故障類(lèi)型相關(guān),當(dāng)故障原因是資源利用率過(guò)高時(shí),本文算法性能較好;如果是突發(fā)事件導(dǎo)致故障,本文算法性能與已有算法的性能結(jié)果相似。

5 結(jié)束語(yǔ)

在網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化環(huán)境下,本文主要研究了如何解決SFC部署時(shí)可靠性低的問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)在保障網(wǎng)絡(luò)服務(wù)可靠性需求的同時(shí)最小化資源開(kāi)銷(xiāo),本文設(shè)計(jì)了一種特征關(guān)聯(lián)的服務(wù)功能鏈可靠性?xún)?yōu)化算法,優(yōu)先為備選對(duì)象優(yōu)越性較高的VNF實(shí)例選擇備份底層節(jié)點(diǎn)。在為VNF實(shí)例選擇備份底層節(jié)點(diǎn)時(shí),提出了基于資源特征關(guān)聯(lián)感知的備份節(jié)點(diǎn)選擇算法。仿真結(jié)果表明,本文所提方法節(jié)約了備份實(shí)例和備份帶寬的資源消耗,提升了SFC的接受率。

下一步將基于本文成果,進(jìn)一步提升突發(fā)事件環(huán)境下SFC的可靠性。