基于多鏈路故障的網絡切片生存性算法

收稿日期：2022-04-15；修回日期：2022-06-05" 基金項目：國家自然科學基金資助項目（61371087）

作者簡介：桂佳寧（1998-），女（通信作者），陜西寶雞人，碩士研究生，主要研究方向為網絡切片生存性算法（1430211173@qq.com）；朱國暉（1969-），男，陜西西安人，副教授，碩導，博士，主要研究方向為新一代移動互聯網和復雜路由算法；張鼎媛（1997-），女，山西呂梁人，碩士研究生，主要研究方向為用戶移動性預測及資源分配．

摘 要：為了保證當底層網絡的多條物理鏈路發生故障時用戶業務能夠不間斷，提出一種基于多鏈路故障的網絡切片生存性算法。通過區分切片上承載的業務類型，當高可靠低延遲切片請求到達后，將物理節點按節點重要度排序后進行映射，再對故障鏈路采用多備份路徑算法，選取帶寬資源消耗最少的路徑依次對故障鏈路進行重映射，當高帶寬切片請求到達后，采用廣度優先搜索的節點映射算法，再通過多備份路徑對故障鏈路進行恢復。仿真結果表明，該算法能夠提高切片平均映射成功率、長期平均收益開銷比、物理鏈路利用率和故障恢復率，縮短平均故障恢復時延。

關鍵詞：網絡切片；底層多鏈路故障；重映射；故障恢復

中圖分類號：TP393"" 文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695（2022）12-036-3755-05

doi：10.19734/j.issn.1001-3695.2022.04.0207

Network slice survivability algorithm based on multiple link failures

Gui Jianing，Zhu Guohui，Zhang Dingyuan

（School of Communication amp; Information Engineering，Xi’an University of Posts amp; Telecommunications，Xi’an 710121，China）

Abstract：This paper proposed a network slice survivability algorithm based on multiple link failures to ensure the continuity of user services when underlying network multi-link failed.By distinguishing the types of services carried on slices，the physical nodes were sorted according to the importance of the nodes and mapped when the request of ultra-reliable and low latency communication slice arrived.Then the faulty link adopted the algorithm of multiple backup paths.It selected the paths that consume the least bandwidth resources to remap the failure links in sequence to ensure service continuity on the slice.When the request of enhanced mobile broadband slice arrived，it adopted the breadth first search node mapping algorithm to recover the faulty link through multiple backup paths.Simulation results show that the algorithm can improve the average mapping success rate of slice，ratio of long-term average benefits to costs，physical link utilization rate，failure restoration rate，and shorten the average failure restoration delay.

Key words：network slice；underlying network multi-link failure；remapping；failure restoration

0 引言

網絡切片是5G網絡的關鍵技術之一，通過網絡切片技術，運營商能夠根據不同用戶的需求，將同一個物理網絡基礎設施上切分為多個虛擬網絡［1］，滿足 5G 網絡多元化的業務需求，實現“按需組網”。除了網絡切片給5G網絡帶來的優勢，還尚有未解決的關鍵問題之一是如何確保網絡切片的靈活性。網絡切片對不同的業務類型其需求也不同［2］，如對于自動駕駛、遠程控制和遠程醫療手術等這類對時延和可靠性極其敏感的業務對應超高可靠低時延通信uRLLC（ultra-reliable and low latency communication）切片［3］，一旦底層網絡發生故障，應立即處理這類業務，否則會造成一定程度的損失；對于高清視頻這類增強型移動帶寬eMBB（enhanced mobile broadband）切片，這類業務可以給予一定的恢復時延。由于確保網絡切片上用戶業務的連續性是非常必要的，可以針對不同的業務類型采取相應的方法進行故障恢復，并且底層鏈路發生故障的概率是節點發生故障概率的10倍，所以有必要研究關于底層鏈路故障的網絡切片生存性算法。

目前，關于網絡切片生存性問題研究較少。文獻［4］提出了一種基于網絡編碼和p圈鏈路保護方法，對虛擬鏈路進行1+N保護，提高虛擬網可靠性的同時減少故障恢復時延，但過程復雜。文獻［5］將網絡切片的故障恢復問題轉換為混合整數規劃，對其進行建模以捕獲隨機流量需求，提出魯棒性網絡切片算法。文獻［6］通過計算底層鏈路的可靠性，提出基于雙階段博弈的鏈路映射優先算法。目前，關于底層鏈路故障有恢復機制和保護機制。恢復機制是當故障發生后，在剩余的底層資源上對切片進行重映射。保護機制是提前準備好備份資源，當故障發生時直接切換到備份資源從而完成切片的請求服務。保護機制又分為專用保護［7］和共享保護［8］。文獻［9］以最小化成本為目標，針對故障鏈路建立專用路徑保護，會導致底層網絡資源閑置浪費。文獻［10］提出了一種基于節點重要性度量的虛擬網絡功能節點的備份機制，并提出增強虛擬網絡嵌入問題，雖提高了網絡切片可靠性，但造成資源冗余。文獻［11］針對雙鏈路故障情況，允許跨不同虛擬網絡共享容量，但這種方法需要過多的冗余容量。文獻［12］提出了基于最大保護生成樹鏈路的備份資源共享機制，降低了底層網絡的資源消耗。以上提出的解決方法都是在單鏈路故障情形下提出的，并未考慮多鏈路故障以及對業務的區分的情況。

本文對網絡切片生存性的研究是參考可生存性虛擬網絡映射（survivable virtual network embedding，SVNE）［13］。雖然現有方案能夠保證當底層網絡發生單鏈路故障時完全恢復受影響的虛擬網絡，但是當底層網絡發生多條鏈路故障時，恢復率會下降，不能保證提供完全的可生存性，并且單一的應對故障的解決方法不能滿足多業務的切片需求，所以提出基于多鏈路故障的網絡切片生存性（network slicing survivability algorithm based on multiple link failures，NSS-BMLF）算法，通過區分業務類型，若是高可靠低延遲類型的切片，則通過節點重要度指標對節點映射后，采用多備份路徑算法，求解線性規劃，選取帶寬資源消耗最少的路徑對故障鏈路進行重映射；若是高帶寬類型的切片，則采用廣度優先搜索的節點映射算法，再通過多備份路徑對故障鏈路進行恢復，該算法能夠提高故障恢復時延和故障恢復率，確保用戶業務的連續性。

1 網絡模型的建立

1.1 物理網絡和網絡切片請求

將底層物理網絡定義為加權無向圖Gs=（Ns，Ls）。其中，物理節點集合為Ns，物理鏈路集合為Ls。每個節點ns∈Ns的節點CPU資源用c（ns）表示，每條鏈路ls∈Ls的帶寬資源用bsum（ls）表示。將底層網絡中的帶寬資源分為主帶寬資源b（ls）和備份帶寬資源b′（ls）。

將網絡切片定義為加權無向圖Gv=（Nv，Lv）。每個虛擬節點nv∈Nv的節點CPU資源用c（nv）表示，每條虛擬鏈路lv∈Lv的帶寬資源用b（lv）表示。

1.2 網絡切片映射描述

網絡切片映射過程可分為節點映射和鏈路映射。

a）節點映射：采用廣度優先搜索算法［14］。將節點的映射關系用二進制變量XN（i，j）表示，當虛擬節點ni映射到物理節點nj上時，XN（i，j）=1，否則為0。節點資源的約束條件如下：

XN（i，j）CPU（ni）≤CPU（nj） ni∈Nv，nj∈Ns（1）

ni∈Nv，∑nj∈NsXN（i，j）=1（2）

其中：式（1）表示虛擬節點CPU資源不能超過對應物理節點CPU資源；式（2）確保同一切片請求中的一個虛擬節點只能被映射到一個物理節點上。

b）鏈路映射：對節點完成映射后，需要對節點關聯的每一條鏈路進行映射。同理，鏈路映射關系用二進制變量NL（uv，ij）表示。當虛擬鏈路luv映射到物理鏈路lij上時，NL（uv，ij）=1，否則為０。鏈路帶寬的約束條件如下：

lij∈Ls，∑luv∈LvNL（uv，ij）b（luv）≤b（lij）（3）

其中：式（3）表示切片請求中的虛擬鏈路帶寬需求資源不能超過對應物理鏈路的實時剩余的主帶寬資源。

網絡切片映射如圖1所示，本文只考慮故障切片映射。

圖1 網絡切片映射

Fig.1 Network slice mapping

1.3 評價指標

1）平均映射成功率

映射成功率是衡量切片故障恢復的有效性。

ρ=limT→∞∑Tt=0Nsuc（f（t））∑Tt=0N（f（t））+δ（4）

其中：Nsuc（f（t））是T時刻成功映射的切片數量，N（f（t））是該時間段內所到達的切片數量總和。δ是趨于0的正數。

2）長期平均收益開銷比

對于網絡切片請求Gv=（Nv，Lv），在t時刻Gv的映射收益、映射開銷和故障恢復失敗后運營商承擔SLA（service-level agreement）中指定的罰款分別表示為R（Gv，t）、C（Gv，t）和S（Gv，t）。

R（Gv，t）=ζ∑nv∈Nvc（nv）+∑lv∈Lvb（lv）（5）

C（Gv，t）=η∑nv∈Nvc（nv）+∑lv∈Lvhop（lv）b（lv）（6）

S（Gv，t）=∑λ∈F（Gv）εb（λ）（7）

其中：ζ和η分別是CPU和寬帶的收益和開銷均衡因子，本文假設ζ=η=1；hop（lv）表示為虛擬鏈路lv映射到底層路徑的跳數，本文為4；ε為懲罰系數，本文假設ε=2，F（Gv）是故障鏈路需要恢復的集合。因此，長期平均收益開銷比重新定義為

R′/C=limT→∞∑Tt=0∑Gv∈Nsuc（T）（R（Gv，t）-S（Gv，t））∑Tt=0∑Gv∈Nsuc（T）（C（Gv，t））（8）

3）平均故障恢復率

故障恢復率是用來衡量切片映射算法的可靠性指標，公式為

a_r=limT→∞∑Tt=0Nrem（f（t））∑Tt=0Nfail（f（t））（9）

其中：Nrem（f（t））為切片故障后重映射網絡切片的數目，Nfail（f（t））表示T時刻的切片故障總數。

4）平均故障恢復時延

故障恢復時延指切片發生故障后重映射所需要的時間，是用來表示切片映射算法的高效性。公式如下：

a_t=limT→∞∑Tt=0r_t（f（t））∑Tt=0Nfail（f（t））（10）

其中：r_t（f（t））用來表示網絡切片故障恢復的時間。

1.4 目標函數

由于底層鏈路發生故障，會引起網絡切片失效，而網絡切片上承載的業務也會受到影響，使得基礎設施提供商InP（infrastructure provider）要承擔SLA中規定的罰款。所以，要在有限的底層資源上盡可能恢復較多故障的鏈路，使網絡切片上的業務正常工作，從而減少InP承擔的罰款，增加收益。本文以最大化長期平均收益比為映射目標。

max （R′/C）（11）

2 基于多鏈路故障的網絡切片生存性算法

2.1 區分切片業務類型

針對不同業務類型將失效的網絡切片請求進行劃分，通過自適應分類算法［15］將其劃分為高可靠性低時延業務和高帶寬業務兩種類型，根據帶寬閾值bw對切片進行分類，過程如下：

算法1 區分切片業務類型

輸入：受影響的網絡切片請求Gv=（G1，G2，…，Gi），bw。

輸出：切片類型。

for Gi∈Gv do

計算出受影響的網絡切片請求Gi的故障的虛擬鏈路帶寬，記為b

將b的值按升序進行排序，得到排序后對應的切片請求G′

if b≤bw

type-1

else

type-2

end if

end for

2.2 節點可靠重要度

在網絡切片請求映射中，對物理網絡中的節點按節點重要性劃分，減少了重要節點被小資源需求的虛擬節點過多占用的情形，不僅能確保網絡切片性能的穩定，同時還能提高切片請求的映射效率。

節點資源度U（Rs）包括節點CPU資源和所有相鄰鏈路帶寬資源之和［16］。

U（Rs）=c（rs）+∑ls∈Lsb（ls）（12）

節點ns對于全部鄰居節點的貢獻和可用LS（ns）表示，定義為當前待映射切片請求上的虛擬節點的候選物理節點ns到已被切片請求成功映射的各物理節點nsi的距離之和。Ssuc為已被切片請求上的虛擬節點成功映射的物理節點集合。

LS（ns）=∑nsi∈Ssuchops（ns，nsi）（13）

接近度中心度［17］CC（ns）為節點ni到其他節點的最短路徑長度之和再求倒數。

CC（ns）=1∑nj=1d（i，j）（14）

由式（13）～（15）能夠得到物理節點重要度指標NR（ns）。

NR（ns）=U（Rs）LS（ns）·CC（ns）（15）

在節點映射階段，首先分別計算每個虛擬節點和底層物理節點的NR值，并對其進行降序排列。選擇節點重要度值最高的虛擬節點作為根節點R，使用廣度優先搜索（breadth first search，BFS）算法遍歷網絡切片請求，生成BFS樹T，并對樹T中各層的虛擬節點按NR值從小到大的順序進行排序，然后將虛擬節點依次映射到具有高NR值的底層物理節點上，并且該節點必須滿足虛擬節點 CPU資源和鏈路帶寬需求。

算法2 節點按節點可靠度映射算法

輸入：Gs，Gv。

輸出：node mapping list。

for ns∈Ns

計算NR值，從大到小排序保存到sub node list

for nv∈Nv

計算NR值，從大到小排序保存到virtual node list

選擇NR值最高的虛擬節點為根節點R，使用廣度優先搜索算法遍歷切片請求，生成BFS樹T

對樹T中各層的虛擬節點按NR值遞增的順序進行排序

for nv∈Nv do

if nv=R do

將其映射到最大NR值的物理節點

else

尋找其父節點F

將節點F映射物理節點P

將P的鄰居節點作為候選節點C

在滿足虛擬節點CPU資源和鏈路帶寬資源的約束下，映射到NR值最大的節點

end if

生成node mapping list

end for

end for

end for

2.3 備份路徑構建

鏈路故障恢復的關鍵問題是構建備份路徑。多故障鏈路恢復算法是通過K最短路徑法，通過增加鏈路來擴充備份路徑，從而得到多備份路徑的集合。當物理鏈路發生故障時，將受影響的虛擬鏈路重映射到帶寬資源消耗最少的備份路徑上。由于物理鏈路故障會引起網絡切片上多條虛擬鏈路失效，如果虛擬鏈路恢復失敗，會使得網絡切片上的業務中斷，為了減少InP要承擔SLA中規定的罰款，在虛擬鏈路重映射時優先選擇產生罰款較多的虛擬鏈路。

max ∑Tt=0∑λ∈F（Gv）S（Gv）（16）

鏈路帶寬的約束條件為

li′j′∈Ls，∑luv∈LvNL（uv，i′j′）b（luv）≤b′（li′j′），li′j′∈BL（17）

式（17）表示重映射虛擬鏈路的帶寬需求不能超過物理鏈路的實時剩余備份帶寬，BL為可用備份路徑集合。

當物理鏈路發生故障時，需要的帶寬資源為B（l），剩余帶寬資源為R（l）。

B（l）=∑lv→ls［b（lv）+b′（lv）］ lv∈Lv，ls∈Ls（18）

R（l）=bsum（ls）-∑lv→ls［b（lv）+b′（lv）］ lv∈Lv，ls∈Ls（19）

其中：b（lv）表示虛擬鏈路l映射到底層鏈路上所需的主用帶寬資源，b′（lv）表示故障鏈路在底層鏈路重映射所需的備用帶寬資源。

將可用于鏈路重映射的最小瓶頸帶寬資源用P（l）表示。如果B（l）≤P（l），則該路徑可以作為故障鏈路的可用備份路徑。

P（l）=min［b′（ls）-∑lv→lsb′（lv）］ ls∈l，l∈Ω（l）（20）

帶寬資源平衡度［4］是用來平衡底層鏈路中的帶寬資源消耗，帶寬資源平衡度越大，底層資源利用率越高，帶寬資源消耗就越少，造成碎片化資源的可能性就越小。

BBD（pk）=minls∈pkb′（ls）maxls∈pkb′（ls） pk∈l，l∈BackupList（21）

其中：minls∈pk b′（ls）和maxls∈pk b′（ls）分別表示在故障鏈路的任意一條備份路徑Pk中，剩余的備用路徑帶寬資源的最大值和最小值。

算法3 故障鏈路的多備份路徑算法

輸入：切片請求Gv，Gs，node mapping list。

輸出：backup list。

for li，j∈Ls發生故障 do

統計因li，j而受影響的虛擬鏈路，按帶寬值降序排列，然后存入集合vitual link中

采用k最短路徑法計算鏈路li，j的所有最短備份路徑集合Ω（l），且任意l∈Ω（l）存在可用的帶寬

for l∈Ω（l） do

if" Ω（l）=φ then

return failed

else

if 滿足B（l）≤P（l） then

將該最短備份路徑l作為鏈路li，j的可用備份路徑，將其存入backup list中

else

backup list為空

end if

end if

end for

end for

2.4 故障恢復策略

當底層物理網絡上發生鏈路故障時，先通過區分切片業務類型，若是承載高可靠低延遲業務的切片請求時，則采用廣度優先搜索算法同時利用節點可靠度指標進行節點映射，對于受影響的虛擬鏈路，先看虛擬鏈路的備份路徑資源是否足夠。如果有足夠的備份資源，則可以直接使用備份路徑集合中的路徑完成故障恢復；若沒有足夠的備份資源，則使用底層資源中的剩余資源進行故障恢復；若是承載高帶寬業務的切片請求時，則采用廣度優先搜索算法進行節點映射，在備份路徑中選擇合適的路徑對故障鏈路進行恢復，所選路徑不能與高可靠低延遲切片的備份路徑為同一條；若為同一條備份路徑則優先恢復高可靠低延遲切片的鏈路，因為這類業務對時延和可靠性要求較高，高可靠低延遲切片可選取其他備份路徑進行故障鏈路恢復，這類業務可給予一定的恢復時延；該恢復策略不僅能夠快速將切片故障進行恢復，并且提高了資源利用率，在一定程度上減少了運營商的故障賠償金。

算法4 基于多鏈路故障的網絡切片生存性算法

輸入：切片請求Gv=（G1，G2，…，Gi），Gs，底層故障鏈路li，j。

輸出：恢復路徑Kw。

1） for all Gi∈Gv do

2）" 判斷受影響的網絡切片類型

3）" if type-1 then

4）"" 采用廣度優先搜索算法同時利用節點可靠度指標進行節點映射

5）"" for 故障鏈路li，j∈Ls do

6）""" 根據多備份路徑算法計算故障鏈路li，j的備份路徑集合backup list

7）""" for backup list集合中的所有路徑 do

8）""""" if backup list 有可用備份路徑

9）"""""" 由式（21）計算帶寬資源平衡度

10）"""""" 由式（16）求解線性規劃，將virtual link 集合中虛擬鏈路在帶寬資源消耗最少的路徑上依次進行鏈路重映射

11）"""""" return Kw

12）"""" else

13）"""""" 由式（19）計算底層網絡的剩余帶寬資源R（l）

14）"""""" if" R（l） 可用

15）"""""""" 則將故障鏈路li，j用R（l）剩余底層資源進行鏈路重映射進行鏈路恢復

16）""""""" else

17）"""""""" 更新各鏈路帶寬資源

18）"""""" else

19）"""""""" type-2 then

20）"""""""" 采用廣度優先搜索的節點映射算法，執行后轉步驟5）

21）"""""" if 故障鏈路li，j所選備份路徑與type-1的備份路徑相同

22）""" """"return failed

23）""""""" end if

24）""""""" end if

25）"""" end for

26）""" end for

27） end if

28）end for

3 實驗仿真

3.1 實驗環境配置

本文實驗通過MATLAB R2018a進行仿真分析，使用GT-ITM［18］拓撲生成工具模擬生成實驗所需的網絡切片請求和物理網絡拓撲，具體參數如表1所示。物理鏈路故障的到達服從泊松分布，參數為0.05。每次實驗運行50 000個時間單元，每2 000個時間單元對數據進行一次統計，取10次實驗的平均值為最終結果。

3.2 對比方案與性能選取

將本文提出的NSS-BMLF算法與P-SVNE［19］ 算法和SiMPLE-PR［20］算法進行對比，P-SVNE 算法采取被動恢復的備份策略，對故障鏈路進行重映射。SiMPLE-PR算法采取主動可生存性的虛擬鏈路保護機制，對所有鏈路采用1：1備份。從網絡切片請求映射成功率、長期平均收益開銷比、物理鏈路利用率、平均故障恢復率、平均故障恢復時延這五個方面驗證本文算法的性能。

3.3 仿真結果與分析

1）平均映射成功率

三種算法的切片平均映射成功率隨時間的變化情況如圖2所示。從圖2可以看出，隨著網絡切片請求的到達和底層鏈路故障的增多，三種算法的網絡切片平均映射成功率均隨著時間的推移逐步下降。NSS-BMLF算法對高可靠切片類型采用物理節點重要度指標，確保網絡切片性能的穩定，同時該算法能夠動態調整用于故障鏈路的主備份資源，使得帶寬資源最大化用于切片映射，從而提高了網絡切片的平均映射成功率。在恢復另一類型切片時采用廣度優先搜索算法簡單高效，且有助于映射成功。而P-SVNE算法對故障鏈路進行重映射，在備份路由集中選取合適的路徑，隨著故障鏈路的增多會影響切片的運行。SiMPLE-PR算法為每條虛擬鏈路都進行備份，使得帶寬資源大量浪費，同時無法接受更多的網絡切片請求，因此其映射成功率最低。

2）長期平均收益開銷比

三種算法的長期平均收益開銷比如圖3所示。從圖3可以看出， NSS-BMLF算法的長期平均收益比高于其他兩種算法，最終穩定在0.59左右。這是因為本文算法在物理鏈路發生故障后，重映射至帶寬資源消耗最少的備份路徑上，減少了因故障恢復失敗而導致的罰款，提高了長期平均收益開銷比。

3）物理鏈路利用率

圖4是三種算法物理鏈路利用率的變化情況。從圖4可以看出，NSS-BMLF算法在切片映射時，通過節點重要度指標進行節點映射，減少了鏈路映射資源消耗，使得多備份路徑恢復故障鏈路的底層資源最大化，在提高切片請求映射成功率的同時，提高了物理鏈路的利用率。P-SVNE 算法和SiMPLE-PR算法均為物理鏈路準備了備份路徑，但SiMPLE-PR算法為每一條物理鏈路都創建了備份路徑，造成了大量底層資源的浪費，因此，物理鏈路利用率最低。

4）平均故障恢復率

圖5是三種算法的平均故障恢復率的性能比較。從圖5可以看出， P-SVNE 算法的平均故障恢復率最低，該算法為物理鏈路預留了備份資源，但隨著切片請求的增多，就沒有足夠的物理資源繼續進行故障鏈路恢復，所以平均故障恢復率最低。SiMPLE-PR算法為每條虛擬鏈路都準備了備份資源，因此平均故障恢復率略高于P-SVNE算法。NSS-BMLF算法使用節點重要度指標，使切片性能穩定，采用多備份路徑恢復法，選擇帶寬資源消耗最少的備份路徑，并合理使用剩余備份資源，提高了平均故障恢復率。

5）平均故障恢復時延

圖6是三種算法的平均故障恢復時延的性能比較。從圖6可以看出，NSS-BMLF算法的平均故障恢復時延最短，這是因為NSS-BMLF算法不僅為物理鏈路創建了備份路由集合，且優先選用帶寬資源消耗最少的備份路徑對故障鏈路進行重映射。P-SVNE算法在為物理鏈路創建備份路由集合中選擇合適的路徑進行重映射，但SiMPLE-PR算法采用路徑割裂，其數量的增加將會增加節點緩存和時延，隨著故障鏈路數量的增加，容易造成資源碎片化，使得恢復時延增加，因此SiMPLE-PR算法比P-SVNE 算法平均故障恢復時延長。

4 結束語

本文研究多鏈路故障下切片的生存性映射問題，提出一種基于多鏈路故障的網絡切片生存性算法，通過區分業務類型，對于高可靠類型切片通過按節點重要度排序映射，對于高可靠類型切片通過廣度優先搜索算法進行節點映射，再對故障鏈路通過多備份鏈路集合進行恢復。仿真結果表明，該算法提高了切片映射成功率、長期平均收益開銷比、物理鏈路利用率和故障恢復率，縮短了故障恢復時延。當底層網絡中發生多個節點故障時，確保網絡切片的生存性將在下一步研究中進行完善。

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