楊藤星 謝四江 馮 雁

北京電子科技學(xué)院，北京市 100070

0 引言

作為新一代移動(dòng)通信技術(shù)，5G[1]將實(shí)現(xiàn)真正的“萬(wàn)物互聯(lián)”，支持大量來(lái)自垂直行業(yè)的多樣化業(yè)務(wù)場(chǎng)景，如智能安防、高清視頻傳輸、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能家居、自動(dòng)駕駛等。 為應(yīng)對(duì)在一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)上同時(shí)支持多種具有不同性能要求的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，且能夠滿(mǎn)足不同業(yè)務(wù)的需求，網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[2]。

作為邏輯網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)切片需要部署到物理網(wǎng)絡(luò)上才能實(shí)現(xiàn)切片的服務(wù)價(jià)值。 為了降低切片部署成本，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)供應(yīng)商一般會(huì)選擇將多個(gè)切片部署在同一物理網(wǎng)絡(luò)上，服務(wù)器資源和鏈路帶寬的共享和復(fù)用帶來(lái)了過(guò)度競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，可能造成切片服務(wù)的性能下降。 文獻(xiàn)[3 ～5]的研究表明物理網(wǎng)絡(luò)資源利用率和切片性能之間存在互斥關(guān)系。 文獻(xiàn)[6]提出采用切片隔離保障共存VM(Virtual Machine，虛擬機(jī))性能，通過(guò)安裝多個(gè)網(wǎng)絡(luò)適配器，降低共存VM 間的性能干擾。 文獻(xiàn)[7]針對(duì)虛擬化環(huán)境中資源超額分配導(dǎo)致的性能下降問(wèn)題，從網(wǎng)絡(luò)吞吐量和服務(wù)響應(yīng)時(shí)間出發(fā)提出了一種基于服務(wù)等級(jí)和性能感知的控制策略。 文獻(xiàn)[8]針對(duì)切片間競(jìng)爭(zhēng)物理資源影響切片服務(wù)質(zhì)量的問(wèn)題，提出采用彈性資源管理策略避免資源競(jìng)爭(zhēng)帶來(lái)的傳輸擁塞，提升切片流量傳輸性能。 文獻(xiàn)[9]針對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片共享物理資源的VNF(Virtual Network Function，虛擬網(wǎng)絡(luò)功能)間因資源競(jìng)爭(zhēng)帶來(lái)的性能下降問(wèn)題，提出了一種基于性能感知的網(wǎng)絡(luò)切片部署方法。 其中，文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[9]具備較高的參考性，文獻(xiàn)[9]所提方法僅考慮了服務(wù)器上資源競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致的性能下降，忽略了物理鏈路上帶寬競(jìng)爭(zhēng)可能帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)擁塞，進(jìn)而導(dǎo)致切片整體性能的下降。

基于此，本文提出了一種基于性能隔離的網(wǎng)絡(luò)切片部署方法。 使用性能隔離因子來(lái)反映切片服務(wù)的整體性能下降程度，結(jié)合K短路徑算法[10]，選擇性能隔離因子最小的網(wǎng)絡(luò)作為映射網(wǎng)絡(luò)， 最后采用GA-PSO (Genetic Algorithm-Particle Swarm Optimization，基于遺傳算法改進(jìn)的粒子群優(yōu)化算法)算法求解映射結(jié)果。 仿真結(jié)果表明，本文所提方法能夠較好地維持切片整體性能，有效保障切片部署在相同物理基礎(chǔ)設(shè)施上的性能隔離。

1 基礎(chǔ)知識(shí)

1.1 網(wǎng)絡(luò)切片

3GPP[11]從標(biāo)準(zhǔn)層面給出了網(wǎng)絡(luò)切片的定義:網(wǎng)絡(luò)切片可由運(yùn)營(yíng)商使用，基于同客戶(hù)簽訂的SLA(Service Level Agreement， 服務(wù)等級(jí)協(xié)議)為不同垂直行業(yè)、不同客戶(hù)、不同業(yè)務(wù)，提供相互隔離、功能可定制的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，是一個(gè)提供特定網(wǎng)絡(luò)能力和特性的邏輯網(wǎng)絡(luò)。 網(wǎng)絡(luò)切片有兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù):SDN(Software Defined Network，軟件定義網(wǎng)絡(luò))和NFV(Network Function Virtualization， 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化)。 SDN 和NFV 相互獨(dú)立，相互補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片的動(dòng)態(tài)、靈活部署和按需擴(kuò)展[12]。

邏輯的網(wǎng)絡(luò)切片由NSI(Network Slicing Instance， 網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例)承載，NSI 是一個(gè)部署的網(wǎng)絡(luò)切片，包括網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)例及所需的計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源，和鏈路所需的帶寬資源[13]。 NSI的具體細(xì)節(jié)如圖1 所示，其中NS 指的是網(wǎng)絡(luò)切片(Network Slicing)，RAT 指的是無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)(Radio Access Technology)，CP 指的是控制面(Control Plane)， UP 指的是用戶(hù)面(User Plane)。

圖1 網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例

1.2 網(wǎng)絡(luò)切片部署

網(wǎng)絡(luò)切片部署具體細(xì)節(jié)如圖2 所示，其中SFC 是指服務(wù)功能鏈(Service Function Chain)。

圖2 網(wǎng)絡(luò)切片部署細(xì)節(jié)

當(dāng)?shù)谌桨l(fā)起網(wǎng)絡(luò)服務(wù)請(qǐng)求時(shí)，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)供應(yīng)商根據(jù)客戶(hù)需求選擇或設(shè)計(jì)VNF，按照一定順序?qū)NF 組成具備專(zhuān)用服務(wù)功能的鏈；隨后將物理網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)資源和鏈路資源分配給服務(wù)功能鏈，激活專(zhuān)用功能；當(dāng)服務(wù)功能正常接入后，流量開(kāi)始流過(guò)切片；系統(tǒng)通過(guò)持續(xù)監(jiān)測(cè)端到端時(shí)延、資源利用率等指標(biāo)，按照實(shí)際需要進(jìn)行資源重配[14]。 這是網(wǎng)絡(luò)切片的一個(gè)完整生命周期，其中將物理網(wǎng)絡(luò)資源分配給服務(wù)功能鏈的過(guò)程就是網(wǎng)絡(luò)切片到物理網(wǎng)絡(luò)的映射過(guò)程(即網(wǎng)絡(luò)切片部署)，包括虛擬節(jié)點(diǎn)(VNF)到物理節(jié)點(diǎn)(服務(wù)器)的映射和虛擬鏈路到物理鏈路的映射。

2 基于性能隔離的網(wǎng)絡(luò)切片部署方法

本方法的具體過(guò)程如下:首先，從資源供需角度出發(fā)，使用節(jié)點(diǎn)資源利用率總和、鏈路帶寬利用率總和分別度量節(jié)點(diǎn)、鏈路的性能下降程度，并將二者加權(quán)處理為反映切片整體性能下降程度的性能隔離因子；然后，將最小化切片性能隔離因子作為本研究?jī)?yōu)化目標(biāo)，明確相關(guān)隔離約束條件；最后，利用整數(shù)線(xiàn)性規(guī)劃方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片映射問(wèn)題進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，使用GA-PSO 算法對(duì)映射結(jié)果進(jìn)行求解。

2.1 問(wèn)題描述

當(dāng)多個(gè)切片部署到同一物理網(wǎng)絡(luò)上時(shí)，必然存在多個(gè)虛擬節(jié)點(diǎn)(VNF)部署到同一物理服務(wù)器、多條虛擬鏈路部署到同一物理鏈路上的情況，如圖3 所示。 VNF b 和VNF e 映射到Server C 上，VNF b 可能過(guò)載占用大量物理資源造成VNF e 無(wú)法正常工作，進(jìn)而影響VNF e 所屬切片服務(wù)；VNF ab 間虛擬鏈路和VNF de 間虛擬鏈路的映射鏈路均涉及Server BC 間物理鏈路，VNF ab 間流量異常可能會(huì)導(dǎo)致Server BC 間帶寬緊張，導(dǎo)致VNF de 間通信出現(xiàn)故障，影響VNF de間鏈路所屬切片服務(wù)。 可以看出，不論是映射節(jié)點(diǎn)還是映射鏈路出現(xiàn)資源競(jìng)爭(zhēng)，都會(huì)造成切片性能的下降。

圖3 性能隔離問(wèn)題描述

在5G 網(wǎng)絡(luò)切片中，3GPP 提出采用切片隔離技術(shù)來(lái)保障不同切片的獨(dú)立運(yùn)行。 切片隔離一般可以分為切片級(jí)隔離和網(wǎng)元級(jí)隔離兩種[15]，切片級(jí)隔離采取的是類(lèi)似于專(zhuān)網(wǎng)的策略，不同切片之間有天然界限，具備各自獨(dú)有的物理資源和安全策略，性能和安全都能得到極高保障，主要適用于軍隊(duì)、公安等高安全需求場(chǎng)景；網(wǎng)元級(jí)隔離則通過(guò)共享底層物理資源，在一定性能保障下盡可能降低部署成本，方便切片進(jìn)行快速部署，適用于大部分應(yīng)用場(chǎng)景。 本文采取的是網(wǎng)元級(jí)隔離，其中節(jié)點(diǎn)間的隔離主要是虛擬機(jī)間的隔離，因?yàn)閂NF 是承載在VM 上進(jìn)行工作；鏈路間的隔離則可以通過(guò)VPN(Virtual Private Network，虛擬專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò))或FlexE(Flexible Ethernet，靈活以太網(wǎng))技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)[16]。

因此，本文考慮結(jié)合切片隔離技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)資源競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致的切片性能下降問(wèn)題，如何對(duì)切片性能下降程度進(jìn)行度量和性能隔離條件的確定是本研究的關(guān)鍵。 在文獻(xiàn)[9]使用性能感知因子(節(jié)點(diǎn)資源利用率總和)度量切片節(jié)點(diǎn)性能下降程度的基礎(chǔ)上，提出使用鏈路帶寬利用率總和來(lái)度量切片鏈路性能下降程度，切片整體性能下降程度則通過(guò)兩者加權(quán)的性能隔離因子來(lái)進(jìn)行度量。 在本研究中，性能隔離因子值越低，切片性能下降程度越小，切片性能保障水平越高。

2.2 部署模型

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)模型物理網(wǎng)絡(luò)模型:物理網(wǎng)絡(luò)us可以表示為GS= (NS，LS，CN，CL)，NS是物理節(jié)點(diǎn)集合，LS是物理鏈路集合，CN={ccpu，cmey，cnet} 是物理網(wǎng)絡(luò)us所有物理節(jié)點(diǎn)剩余物理資源集合，ccpu，cmey，cnet分別代表us所有物理節(jié)點(diǎn)剩余的計(jì)算資源集合、存儲(chǔ)資源集合、網(wǎng)絡(luò)資源集合，CL是物理網(wǎng)絡(luò)us所有物理鏈路剩余帶寬資源集合。ns∈NS表示物理網(wǎng)絡(luò)us上一物理節(jié)點(diǎn)，ls∈LS表示物理網(wǎng)絡(luò)us上一物理鏈路。

2.2.2 映射變量

網(wǎng)絡(luò)切片部署實(shí)質(zhì)上是一個(gè)映射過(guò)程，可以視為0- 1 規(guī)劃問(wèn)題，0 代表映射失敗，1 代表映射成功。 節(jié)點(diǎn)和鏈路映射變量相關(guān)定義如式(1)和(2)所示。

2.2.3 優(yōu)化目標(biāo)

在本研究中，將反映切片vi整體服務(wù)性能下降程度的性能隔離因子per_isoiv作為目標(biāo)函數(shù)，其值越低，性能下降程度越小，性能保障水平越高。 其計(jì)算方式如式(3)所示。

2.2.4 約束條件

節(jié)點(diǎn)不可分割約束:一個(gè)虛擬節(jié)點(diǎn)只能映射到一個(gè)物理節(jié)點(diǎn)上，不能對(duì)其進(jìn)行分割映射，如式(7)所示。

節(jié)點(diǎn)全映射約束:所有虛擬節(jié)點(diǎn)全部映射到物理網(wǎng)絡(luò)上，如式(8)所示。

安全約束:出于一定的安全考慮，同切片下不同虛擬節(jié)點(diǎn)不能映射到同一物理節(jié)點(diǎn)上，如式(9)所示。

3 算法實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)切片部署是一個(gè)NP-hard 問(wèn)題，在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)很難利用傳統(tǒng)方法進(jìn)行求解。 鑒于此，本文使用GA-PSO 算法[17]求解映射結(jié)果。 在粒子更新速度和位置后，GA-PSO 進(jìn)行交叉和變異操作。 改進(jìn)后的算法有效增強(qiáng)全局尋優(yōu)能力、提高問(wèn)題求解精度、克服PSO 早熟問(wèn)題。 本研究中GA-PSO 算法的具體使用流程如算法1 所示。

3.1 算法1(GA-PSO 算法)

式中，t指的是迭代次數(shù)，λ為慣性權(quán)重，c1和c2是兩個(gè)學(xué)習(xí)因子(調(diào)整學(xué)習(xí)因子值可以控制粒子在全局探測(cè)和局部開(kāi)采的有效平衡)，r1和r2為相互獨(dú)立的偽隨機(jī)數(shù)(服從[0，1]上的均勻分布)。

→→1.初始化vi ，用算法2 求解適應(yīng)度值，并求出局部最優(yōu)粒子pi、xi→和全局最優(yōu)粒子pg→；2.for 1 ≤i ≤Maxg do 3. for 1 ≤j ≤Scope do 4. 利用式(11)和式(12)更新種群粒子速度vi→、粒子位置xi→；→依概率pc 和pm 分別進(jìn)行交叉和變異操作；6. 使用算法1 求解適應(yīng)度值，更新pi 5. 對(duì)xi→、pg→；7. end for 8.end for 9.輸出GiV 部署結(jié)果pg→

算法1 中關(guān)于適應(yīng)度值求解的算法如算法2 所示。

3.2 算法2(適應(yīng)度值求解算法)

1.初始化參數(shù)U= Inf，最大路徑長(zhǎng)度hopmax = n/10；2.if xi→滿(mǎn)足式(6)＆＆ 式(7)＆＆ 式(8)＆＆ 式(9)do 3. 使用式(4)計(jì)算節(jié)點(diǎn)資源利用率總和；4. for 1 ≤k ≤length(xi→) - 1 do 5. 獲取節(jié)點(diǎn)ni，k v 和ni，k+1v的映射位置nAs 和nB s ；6. 最短路徑算法求得nAs 和nB s 間最短路徑跳數(shù)為hop；7. while hop ≤hopmax do 8. 用K 短路徑算法求出nAs 和nBs 傳輸跳數(shù)為hop 的所有路徑；9. if 滿(mǎn)足式(10)do 10. 鏈路映射成功，獲得映射鏈路帶寬利用率；break；11. else 12. hop = hop + 1；13. end if 14. end while 15. if hop ＞hopmax do

→) = U；break；17. end if 18. 計(jì)算鏈路帶寬利用率總和；19. end for 20. 用式(3)計(jì)算fitness(xi 16. fitness(xi→) (性能隔離因子)；21.else 22. fitness(xi→) = U；23.end if 24.輸出映射網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)度值fitness(xi→)

4 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

4.1 仿真實(shí)驗(yàn)

在配置為AMD A10 PRO-7800B R7 @3.50 GHz，8.00 GB 內(nèi)存的PC 機(jī)上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，使用對(duì)稱(chēng)化的[0，1] 均勻分布鄰接矩陣生成需要的物理網(wǎng)絡(luò)(如圖4 所示)和網(wǎng)絡(luò)切片請(qǐng)求的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，然后使用MATLAB 對(duì)部署方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證和結(jié)果分析。 本文所選網(wǎng)絡(luò)均為隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)，僅用于對(duì)本文方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。 實(shí)際部署過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)定。

圖4 物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

仿真實(shí)驗(yàn)中，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)參照文獻(xiàn)[9]進(jìn)行設(shè)定，仿真參數(shù)參照文獻(xiàn)[17]進(jìn)行設(shè)定，具體取值分別如表1 和表2 所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

表2 仿真參數(shù)

4.2 仿真分析

將本文提出的方法(記為方法1)和文獻(xiàn)[9]提出的節(jié)點(diǎn)性能保障方法(記為方法2)、以及鏈路性能保障方法(方法3)進(jìn)行比較。 方法1 是為了保障切片整體服務(wù)性能提出，以最小化性能隔離因子作為優(yōu)化目標(biāo)；方法2 是為了應(yīng)對(duì)切片節(jié)點(diǎn)性能下降提出，以最小化節(jié)點(diǎn)資源利用率總和作為優(yōu)化目標(biāo)；方法3 是為了應(yīng)對(duì)切片鏈路性能下降提出，以最小化鏈路帶寬利用率總和作為優(yōu)化目標(biāo)。 下面主要從收益開(kāi)銷(xiāo)比、節(jié)點(diǎn)資源利用率總和、鏈路帶寬利用率總和、性能隔離因子4 個(gè)方面對(duì)3 種方法進(jìn)行對(duì)比分析。

4.2.1 收益開(kāi)銷(xiāo)比

圖5 是3 種切片部署方法的收益開(kāi)銷(xiāo)比對(duì)比圖。 從平均收益開(kāi)銷(xiāo)比來(lái)看，方法3 優(yōu)于方法1 和方法2，能夠更好的控制切片部署成本。 部署初期，方法1 和方法3 從鏈路帶寬利用率總和出發(fā)選擇更短的可達(dá)鏈路，隨著切片部署規(guī)模的增加，可達(dá)鏈路路徑變長(zhǎng)，部署成本升高，收益開(kāi)銷(xiāo)比降低。 而方法2 是在最小化節(jié)點(diǎn)資源利用率總和的前提下進(jìn)行選路，對(duì)路徑選擇條件更加寬松，隨著可用資源的集中，部署成本逐步下降，收益開(kāi)銷(xiāo)比升高。 隨著部署切片數(shù)量的增加，方法3 成本友好型的特性開(kāi)始顯現(xiàn)。

圖5 收益開(kāi)銷(xiāo)比

4.2.2 節(jié)點(diǎn)資源利用率總和

首先需要明確的是，節(jié)點(diǎn)資源利用率總和越低，對(duì)節(jié)點(diǎn)性能下降抑制能力越強(qiáng)，切片節(jié)點(diǎn)性能保障水平越高。 3 種方法的節(jié)點(diǎn)資源利用率總和情況如圖6 所示。 從平均節(jié)點(diǎn)資源利用率總和來(lái)看，方法1 和方法2 的值低于方法3。 這是因?yàn)榉椒? 沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)資源競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致的性能下降問(wèn)題，在節(jié)點(diǎn)性能保障上效果更差。

圖6 節(jié)點(diǎn)資源利用率總和

4.2.3 鏈路帶寬利用率總和

同樣需要明確的是，鏈路帶寬利用率總和越低，對(duì)鏈路性能下降抑制能力越強(qiáng)，切片鏈路性能保障水平越高。 鏈路帶寬利用率總和對(duì)比圖如圖7 所示，可以看出，方法1 和方法3 在鏈路性能保障上顯著優(yōu)于方法2。 這是因?yàn)榉椒?在部署時(shí)并未考慮鏈路帶寬競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致的性能下降問(wèn)題，因而鏈路性能保障水平更差，在數(shù)值表現(xiàn)上也就顯著高于方法1 和方法3。

圖7 鏈路帶寬利用率總和

4.2.4 性能隔離因子

圖8 是3 種方法在性能隔離因子的對(duì)比圖。作為本研究的核心指標(biāo)，性能隔離因子是切片服務(wù)性能下降程度的整體反映。 性能隔離因子值越小，對(duì)切片性能造成的下降程度的越低，整體性能保障水平越高。 從圖中可以看出，方法1 的值低于方法2 和方法3，在切片整體性能保障上具備更大的優(yōu)勢(shì)。 這是因?yàn)榉椒? 對(duì)節(jié)點(diǎn)性能下降和鏈路性能下降問(wèn)題進(jìn)行了綜合分析，而方法2 和方法3 都只考慮對(duì)部分問(wèn)題進(jìn)行應(yīng)對(duì)。

圖8 性能隔離因子

5 結(jié)束語(yǔ)

網(wǎng)絡(luò)切片基于SDN 和NFV 而實(shí)現(xiàn)，二者的引入提高了切片部署效率、降低了切片部署成本，但是共享物理資源的網(wǎng)絡(luò)切片間的資源競(jìng)爭(zhēng)也帶來(lái)了切片服務(wù)性能下降的問(wèn)題。 針對(duì)該問(wèn)題，本文提出在切片進(jìn)行部署時(shí)，將性能隔離因子最小化作為優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)GA-PSO 算法進(jìn)行迭代尋優(yōu)，最終的映射網(wǎng)絡(luò)能夠最大限度地降低資源競(jìng)爭(zhēng)對(duì)切片性能造成的性能下降影響，保障切片的整體性能水平。 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提方法能夠更好地保障切片的整體性能。 不過(guò)，在成本控制上稍顯不足，收益開(kāi)銷(xiāo)比偏低。下一步，將考慮對(duì)收益開(kāi)銷(xiāo)比進(jìn)行提升。