服務功能鏈的優化映射策略

程洪閃 孟歡 張曉輝

摘要：服務功能鏈（Service Function Chains，SFC）是通過虛擬鏈路互聯的一組有特定順序的虛擬網絡功能，服務功能鏈的優化映射是一重要的研究熱點。隨著網絡業務需求量的增加，網絡功能節點周圍的鏈路資源可能無法得到充分利用。針對延遲代價與鏈路資源利用率，設計了一種服務功能鏈優化映射策略，并在網絡拓撲中進行了仿真實驗。通過與最短路徑策略的對比，優化映射策略在做到負載均衡的同時，可以盡可能地減小延遲開銷，提高映射成功率。

關鍵詞：服務功能鏈;優化映射策略;網絡功能虛擬化

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2021）08-54-3

0引言

隨著網絡業務量的不斷增大，網絡業務種類也在不斷增加，基礎硬件設施的物理資源有限，網絡虛擬化技術便隨之應運而生。網絡功能虛擬化主要分為服務功能鏈組成、虛擬網絡功能映射和服務功能鏈優化調度3個階段。一般虛擬網絡功能映射問題可以表述為整數線性規劃問題，針對不用的優化目標設計啟發式，從而有效解決此問題。在虛擬化背景下，多用戶共享底層資源，如何加大資源利用率，減小延遲開銷仍具有一定的研究意義。

1服務功能鏈

傳統運營商通過靜態配置的專用硬件來提供網絡功能，硬件設備存在可擴展性差、維護管理復雜、更新時間長及運營成本高等弊端。為此，歐洲電信標準協會提出了網絡功能虛擬化技術（Network Function Virtualization，NFV），將硬件設備轉移到虛擬機中，從而提高服務的靈活性、提升網絡開放性。在網絡功能虛擬化中，服務功能鏈是通過虛擬鏈路按照一定順序連接的虛擬網絡功能（Virtual Network Function，VNF），如圖1所示。

針對每一條SFC請求，需要將其虛擬網絡的請求映射到底層的物理網絡中，服務功能鏈的映射示意圖如圖2所示。服務功能鏈的虛擬節點需要映射至底層物理節點中，物理節點提供所需的計算資源與對應的功能;虛擬鏈路會映射至物理鏈路上，物理鏈路會分配適當數量的帶寬，用來傳輸虛擬節點之間的業務流。

作為一條有先后順序的鏈式結構，映射也需要滿足順序要求。當給定SFC的數量與功能需求時，如何優化映射策略從而優化節點資源利用率和增加鏈路資源利用率，令資源利用率最大化是本文研究的重點。

2優化映射策略

在一段時間切片內，在運營商知道請求的個數、SFC的功能與帶寬需求情況下，設計了一個有閾值限制的短延遲優化的負載均衡啟發式。算法的輸入是物理網絡和當前時間片內所有SFC請求，輸出是將SFC請求映射到物理網絡的解決方案和映射之后的網絡狀態。優化目標為最小化鏈路延遲代價、功能節點鄰邊鏈路利用率方差與鏈路利用率超出閾值的比例之和。算法整體思路為：

①根據該時間片內所有服務功能鏈的帶寬需求、節點資源需求、跳數降序排序，優先處理需求較少的SFC，向控制器請求更新所有節點的可用資源以及網絡鏈路的剩余帶寬。

②為服務功能鏈選擇從源節點至目的節點延遲最小的（本算法中=4）短路徑作為候選路徑集合。優化目標是鏈路時延代價、功能節點鄰邊鏈路利用率方差與鏈路利用率超出閾值的比例之和。

③判斷候補物理網絡中節點資源與鏈路帶寬能否滿足SFC請求的需求。若不能滿足，則（ ）=+∞，如果可以滿足，計算當前候補狀態下的值。

④選擇中值最小的路徑作為映射鏈路放置SFC。

⑤若未找到值最小的路徑，即（ ）=+∞，則拒絕該條服務功能鏈，該服務功能鏈部署失敗。

⑥重復①～⑤，直至所有的服務功能鏈均被部署或拒絕。

3仿真性能評估

選取圖3的網絡拓撲進行仿真實驗。網絡拓撲由4個交換節點、4個功能節點與12條鏈路組成。功能節點上安裝了多個虛擬機，具有一定的計算資源。鏈路用來提供傳輸資源，鏈路上的數字表示剩余的帶寬資源與鏈路的延遲代價。隨機選取30條服務功能鏈進行映射部署，鏈路與節點剩余資源滿足SFC請求則映射成功，不滿足則映射失敗。基于最短路徑策略作為對比實驗，通過鏈路利用率方差可以表示鏈路利用率均衡度，通過對比得到圖4的結果。

從圖4中可以看到，橫坐標為SFC請求條數，縱坐標是鏈路利用率均衡度即鏈路利用率方差，隨著請求數量的增多，鏈路利用率方差在浮動上漲，當請求數量到達一定程度時，鏈路資源消耗殆盡，鏈路利用率方差便趨于穩定不再上漲。優化部署策略與最短路徑策略相比，鏈路利用率方差更小，同時趨于穩定的值也更小。從中可以看到優化部署策略在負載均衡方面的優勢。

圖5顯示了網絡節點資源的平均剩余率，橫坐標為SFC請求條數，縱坐標為物理網絡功能節點資源的平均剩余率，其計算方法為：節點資源平均剩余率=1/功能節點數Σ節點資源剩余資源/節點總資源。從圖中可以看出，優化映射策略的節點資源剩余率更低，即能利用的節點資源更多。

通過對比實驗可以看出，采用最短路徑策略進行映射，鏈路資源很容易用盡，導致無法為其他SFC提供傳輸服務，減低功能節點的資源利用率。優化部署策略在負載均衡與節點利用率方面有所提高，在相同的物理資源下，能夠為更多的SFC提供服務。

4結束語

在SFC的實際應用中，普遍存在鏈路與節點利用率不均、無法負載均衡的問題。本文主要研究了SFC優化映射的問題，首先簡單介紹了SFC與映射模型，通過考慮鏈路延遲代價、功能節點資源利用率與節點鄰邊鏈路利用率之間的關系，設計了一種優化映射策略。通過與最短路徑策略進行對比，發現優化部署策略在鏈路資源利用率與節點資源平均剩余率方面有較大優勢，能夠完成延遲代價與鏈路利用率的均衡。

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