自适应的服务功能链资源管控研究

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为了提供经济、可靠、灵活、有弹性的网络服务,运营商提出了网络功能虚拟化(Network Functions Virtualisation,NFV)的概念。NFV技术能够将网络功能与网络硬件分离,不仅降低了网络设施成本,并且在网络管理和维护方面获得更高的灵活性,因而越来越受到学术界和工业界的关注。在NFV的环境下,很多研究都在关注如何将串联的虚拟网络功能(Virtual Network Functions,VNF)组成的服务功能链(Service Function Chaining,SFC)映射到底层物理网络上,并进行网络资源分配。但是主流的SFC映射算法通常涉及静态环境下服务的部署,而没有考虑用户流量的变化,因而在动态网络环境中存在资源利用率不高,网络性能降低,无法根据网络环境的变化自适应地调整资源分配的情况。现有的网络运营往往以长期的、平均的结果为目标,如网络吞吐、网络收益等等。并且,网络的带宽、计算资源的使用,往往也是以长期的、平均的使用量进行约束。这是因为网络具有一定的数据缓存能力,一般能够部分平滑业务尖峰的能力。因此,本文研究了如何高效、实时地管理业务量动态变化环境下的网络资源,完成对SFC的映射工作,并实时控制数据的接入和传输,达到网络的长期运行目标,并满足网络资源的时平均约束。由于本问题是NP难问题,无法在多项式时间内得到最优解,所以主要用两个步骤来近似解决这个问题:(1)建立一个无限时长的时平均网络模型;(2)通过Lyapunov优化变换模型求解问题的上界,并给出算法近似率。具体来说,首先,本文给出了一个计算网络中最优资源分配的算法,在已知各时刻网络负载的情况下,计算出各条映射路径的业务承载量。然后,提出了一个基于Lyapunov优化的流量接入、路由与带宽分配算法,充分利用网络中的各级队列,平滑了用户流量的突变,使各服务的总时延最小。此外,本文证明了该算法可以保证队列稳定,并且该算法得出的结果与理论最优值之间仅相差一个常数,在理论层面上说明了算法的性能。同时还统计了每个请求的接入阻塞率、平均队列长度、平均等待时间等性能指标。通过数值分析了所提出的资源管控算法的性能。本文还研究了丢包对网络性能的影响,提出了多优先级SFC业务环境下的资源管控算法,有效控制了丢包率。并从理论上,分析了算法的性能。通过进行大量的仿真实验,验证了算法在数据丢包率、平均队列长度等方面的高效性能。
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