服务功能链的优化映射策略

程洪闪 孟欢 张晓辉

摘要：服务功能链（Service Function Chains，SFC）是通过虚拟链路互联的一组有特定顺序的虚拟网络功能，服务功能链的优化映射是一重要的研究热点。随着网络业务需求量的增加，网络功能节点周围的链路资源可能无法得到充分利用。针对延迟代价与链路资源利用率，设计了一种服务功能链优化映射策略，并在网络拓扑中进行了仿真实验。通过与最短路径策略的对比，优化映射策略在做到负载均衡的同时，可以尽可能地减小延迟开销，提高映射成功率。

关键词：服务功能链;优化映射策略;网络功能虚拟化

中图分类号：TP393文献标志码：A文章编号：1008-1739（2021）08-54-3

0引言

随着网络业务量的不断增大，网络业务种类也在不断增加，基础硬件设施的物理资源有限，网络虚拟化技术便随之应运而生。网络功能虚拟化主要分为服务功能链组成、虚拟网络功能映射和服务功能链优化调度3个阶段。一般虚拟网络功能映射问题可以表述为整数线性规划问题，针对不用的优化目标设计启发式，从而有效解决此问题。在虚拟化背景下，多用户共享底层资源，如何加大资源利用率，减小延迟开销仍具有一定的研究意义。

1服务功能链

传统运营商通过静态配置的专用硬件来提供网络功能，硬件设备存在可扩展性差、维护管理复杂、更新时间长及运营成本高等弊端。为此，欧洲电信标准协会提出了网络功能虚拟化技术（Network Function Virtualization，NFV），将硬件设备转移到虚拟机中，从而提高服务的灵活性、提升网络开放性。在网络功能虚拟化中，服务功能链是通过虚拟链路按照一定顺序连接的虚拟网络功能（Virtual Network Function，VNF），如图1所示。

针对每一条SFC请求，需要将其虚拟网络的请求映射到底层的物理网络中，服务功能链的映射示意图如图2所示。服务功能链的虚拟节点需要映射至底层物理节点中，物理节点提供所需的计算资源与对应的功能;虚拟链路会映射至物理链路上，物理链路会分配适当数量的带宽，用来传输虚拟节点之间的业务流。

作为一条有先后顺序的链式结构，映射也需要满足顺序要求。当给定SFC的数量与功能需求时，如何优化映射策略从而优化节点资源利用率和增加鏈路资源利用率，令资源利用率最大化是本文研究的重点。

2优化映射策略

在一段时间切片内，在运营商知道请求的个数、SFC的功能与带宽需求情况下，设计了一个有阈值限制的短延迟优化的负载均衡启发式。算法的输入是物理网络和当前时间片内所有SFC请求，输出是将SFC请求映射到物理网络的解决方案和映射之后的网络状态。优化目标为最小化链路延迟代价、功能节点邻边链路利用率方差与链路利用率超出阈值的比例之和。算法整体思路为：

①根据该时间片内所有服务功能链的带宽需求、节点资源需求、跳数降序排序，优先处理需求较少的SFC，向控制器请求更新所有节点的可用资源以及网络链路的剩余带宽。

②为服务功能链选择从源节点至目的节点延迟最小的（本算法中=4）短路径作为候选路径集合。优化目标是链路时延代价、功能节点邻边链路利用率方差与链路利用率超出阈值的比例之和。

③判断候补物理网络中节点资源与链路带宽能否满足SFC请求的需求。若不能满足，则（ ）=+∞，如果可以满足，计算当前候补状态下的值。

④选择中值最小的路径作为映射链路放置SFC。

⑤若未找到值最小的路径，即（ ）=+∞，则拒绝该条服务功能链，该服务功能链部署失败。

⑥重复①～⑤，直至所有的服务功能链均被部署或拒绝。

3仿真性能评估

选取图3的网络拓扑进行仿真实验。网络拓扑由4个交换节点、4个功能节点与12条链路组成。功能节点上安装了多个虚拟机，具有一定的计算资源。链路用来提供传输资源，链路上的数字表示剩余的带宽资源与链路的延迟代价。随机选取30条服务功能链进行映射部署，链路与节点剩余资源满足SFC请求则映射成功，不满足则映射失败。基于最短路径策略作为对比实验，通过链路利用率方差可以表示链路利用率均衡度，通过对比得到图4的结果。

从图4中可以看到，横坐标为SFC请求条数，纵坐标是链路利用率均衡度即链路利用率方差，随着请求数量的增多，链路利用率方差在浮动上涨，当请求数量到达一定程度时，链路资源消耗殆尽，链路利用率方差便趋于稳定不再上涨。优化部署策略与最短路径策略相比，链路利用率方差更小，同时趋于稳定的值也更小。从中可以看到优化部署策略在负载均衡方面的优势。

图5显示了网络节点资源的平均剩余率，横坐标为SFC请求条数，纵坐标为物理网络功能节点资源的平均剩余率，其计算方法为：节点资源平均剩余率=1/功能节点数Σ节点资源剩余资源/节点总资源。从图中可以看出，优化映射策略的节点资源剩余率更低，即能利用的节点资源更多。

通過对比实验可以看出，采用最短路径策略进行映射，链路资源很容易用尽，导致无法为其他SFC提供传输服务，减低功能节点的资源利用率。优化部署策略在负载均衡与节点利用率方面有所提高，在相同的物理资源下，能够为更多的SFC提供服务。

4结束语

在SFC的实际应用中，普遍存在链路与节点利用率不均、无法负载均衡的问题。本文主要研究了SFC优化映射的问题，首先简单介绍了SFC与映射模型，通过考虑链路延迟代价、功能节点资源利用率与节点邻边链路利用率之间的关系，设计了一种优化映射策略。通过与最短路径策略进行对比，发现优化部署策略在链路资源利用率与节点资源平均剩余率方面有较大优势，能够完成延迟代价与链路利用率的均衡。

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