空地一体化网络服务功能链协同构建及映射方法研究

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基于软件定义网络(SDN)和网络功能虚拟化(NFV)的空地一体化网络将服务所需的虚拟网络功能(VNF)构建成有序的服务功能链(SFC)并映射到物理网络,实现了网络的灵活部署。但现有的SFC构建与映射研究大都忽略了底层物理网络资源分布对构建方案的影响和功能聚合带来的负载不均问题。针对上述问题,本文首先提出了基于三层协作的空地一体化网络架构,对空地网络资源进行协同管理,实现资源的高效利用并为SFC的部署提供决策支持;其次提出了基于改进字典序的SFC构建方法,通过编码以键值对形式进行快速索引,提高了SFC的构建效率;最后提出了基于任务相似度的待聚合VNF选择方法和基于网络资源感知的SFC映射节点选择算法,解决了映射过程使用功能聚合带来的负载不均问题。具体研究内容和创新点如下:(1)针对现有基于SDN和NFV的空地一体化网络架构忽略了空地网络资源异构性难以实现资源高效利用的问题,本文构建了一种基于SDN的升空平台集中管控层、地面网络集中控制层和协同管控层三层协作的空地一体化网络架构,首先使用NFV技术简化了空地一体化网络的部署,其次在飞艇和地面网络上分别部署基于SDN的升空平台集中管控层、地面网络集中控制层,分别对空间和地面的网络拓扑、资源状态进行监控。为了解决空地网络资源异构的问题,在地面骨干网络引入了协同管控层,对升空平台和地面网络集中管控层进行监管和协调,以对全局信息资源进行采集、监控和评估。最后通过协同管控层为服务的按需部署和资源的灵活调度提供决策支持。(2)针对空地一体化网络中SFC构建过程忽略底层物理资源分布和构成服务功能链的VNF间逻辑序列未知,导致服务功能链构建效率低的问题,提出了一种基于改进字典序的SFC构建算法。首先将VNF进行编码,以字典存储的大小顺序进行排列,根据VNF间的依赖关系以及协同管控层提供的资源感知信息,通过键值对的形式进行索引得到符合条件的SFC构建集合。与深度、广度优先搜索不同,基于改进字典序的SFC构建算法,不需要树形存储结构也不需要反复的对比搜索,而是按照键值对的形式进行索引,缩小了搜索空间,提高了服务功能链的构建效率。(3)针对空地一体化网络中SFC部署使用功能聚合带来的负载失衡问题,提出了基于任务相似度的待聚合VNF选择方法和基于网络资源感知的SFC映射节点选择算法,在SFC映射之前就同步考虑网络的负载均衡问题,来平衡资源消耗和负载均衡。首先使用基于任务相似度的待聚合VNF选择方法,通过任务间的相似度,将任务进行分类,在底层物理资源的限制下在类内选择要聚合的功能。其次使用基于网络资源感知的SFC映射节点选择算法,根据物理网络节点的各类属性,分别针对单链映射和多链映射得到最合适映射的物理节点,以充分利用底层物理资源,降低资源消耗和负载失衡。
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