本發(fā)明屬于網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化和帶寬保障的虛擬機(jī)部署技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種帶寬保障的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能部署方法。

背景技術(shù)：

公有云數(shù)據(jù)中心對(duì)外向租戶提供計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源和網(wǎng)絡(luò)資源來滿足其需求，而云計(jì)算與NFV(Network Function Virtualization，即網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化)的興起也使得企業(yè)將自己的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能(VNF)部署在云數(shù)據(jù)中心中以降低成本并提高效率。在NFV場(chǎng)景下，租戶的請(qǐng)求通常是SFC(Service Function Chaining，即服務(wù)功能鏈)，如何對(duì)租戶的SFC請(qǐng)求進(jìn)行合理的帶寬保障的部署，是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)研究的重要研究問題。

現(xiàn)有的VNF部署方法多采用彈性部署的策略，即數(shù)據(jù)中心動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)VNF實(shí)例的數(shù)量和放置位置來滿足不同流量負(fù)載情況下的CPU和帶寬需求。但是彈性部署策略存在兩個(gè)問題。第一,彈性放置的策略很容易浪費(fèi)大量的計(jì)算和帶寬資源。因?yàn)閂NF實(shí)例的放置位置是由當(dāng)前流量負(fù)載決定,放置位置是不可預(yù)測(cè)的。不良的放置會(huì)使得流量需要走更長(zhǎng)的路徑,因此可能浪費(fèi)更多的帶寬。第二，彈性擴(kuò)展策略會(huì)導(dǎo)致更多的虛擬機(jī)操作開銷,包括虛擬機(jī)的啟動(dòng)、終止、遷移以及狀態(tài)同步等。由于維持狀態(tài)一致性的開銷較大,虛擬機(jī)的遷移往往需要多達(dá)幾秒鐘的時(shí)間,這不僅引入了更多的流量而且增加了任務(wù)的完成時(shí)間。數(shù)據(jù)中心多變的流量負(fù)載會(huì)導(dǎo)致頻繁的虛擬機(jī)擴(kuò)展與遷移，因而不可避免的加劇了網(wǎng)絡(luò)開銷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問題，本發(fā)明提出了一種帶寬保障的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能部署方法，包括如下步驟：

步驟1：根據(jù)SFC和帶寬需求建立虛擬網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)例通信圖；

步驟2：基于生成的所述虛擬網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)例通信圖，建立對(duì)應(yīng)的帶寬保障的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)例部署方案。

所述步驟1具體包括：

步驟1.1：根據(jù)SFC請(qǐng)求中的每一個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)功能計(jì)算所需虛擬網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)例的個(gè)數(shù)；

步驟1.2：計(jì)算每個(gè)所述虛擬網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)例的帶寬需求；

步驟1.3：分析虛擬網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)例放置的帶寬節(jié)約原理；

步驟1.4：根據(jù)SFC請(qǐng)求的連接情況和虛擬網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)例的數(shù)目，建立虛擬網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)例通信圖。

所述步驟1.3具體包括：

步驟1.3.1：計(jì)算上下級(jí)虛擬網(wǎng)絡(luò)功能之間的內(nèi)部帶寬需求；

步驟1.3.2：計(jì)算每個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)功能的外部帶寬需求；

步驟1.3.3：計(jì)算跨子樹的總流量和子樹內(nèi)部的總流量；

步驟1.3.4：將所有的屬于同數(shù)據(jù)中心拓?fù)鋵拥耐獠苛髁肯嗉樱?/p>

步驟1.3.5：根據(jù)相加結(jié)果，對(duì)每一個(gè)子樹最小化外部帶寬、最大化內(nèi)部帶寬。

所述步驟2具體包括：

步驟2.1：從最底層開始選定目標(biāo)層中的一棵子樹作為目標(biāo)子樹；

步驟2.2：計(jì)算子樹中的剩余虛擬機(jī)槽資源，如果虛擬網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)例通信圖中的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)例個(gè)數(shù)大于子樹剩余虛擬機(jī)槽個(gè)數(shù)，則選擇當(dāng)前層的下一棵子樹，繼續(xù)步驟2.2，否則轉(zhuǎn)步驟2.3；

步驟2.3：根據(jù)虛擬網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)例通信圖G，選定的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)例集合S_t和選定的子樹t對(duì)帶寬資源進(jìn)行分配；

步驟2.4：如果分配成功，則返回成功并得到分配的結(jié)果值，否則進(jìn)入步驟2.5；

步驟2.5：若當(dāng)前層中有子樹并未分配，則選擇所述子樹的下一棵子樹作為目標(biāo)子樹，進(jìn)入步驟2.2；否則進(jìn)入步驟2.6；

步驟2.6：若沒有搜索根節(jié)點(diǎn)子樹，則上移一層進(jìn)入步驟2.1，否則無法接受此請(qǐng)求，返回失敗。

所述步驟2.3具體包括：

步驟2.3.1：如果當(dāng)前層數(shù)為最底層，則直接將SFC請(qǐng)求中的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)例部署到此子樹上；

步驟2.3.2：如果當(dāng)前層數(shù)不是最底層，則對(duì)子樹t的所有子樹按照可用資源的多少進(jìn)行降序排列，所述可用資源包括虛擬機(jī)槽的數(shù)量和可用的出口帶寬；

步驟2.3.3：對(duì)子樹t的子樹v進(jìn)行分配，首先賦值cnt為虛擬網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)例集合S_t中未使用的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)例數(shù)量和子樹v中剩余的虛擬機(jī)槽數(shù)量的較小值；

步驟2.3.4：設(shè)置具有最大聚合帶寬的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)例集合S_v為空集，選擇S_t中沒有使用過的具有最大聚合帶寬的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)例放入S_v中；

步驟2.3.5：若S_v中的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)例的個(gè)數(shù)小于等于cnt，且子樹v的所有入流量總和C_vⁱⁿ和子樹v的所有出流量總和C_v^out都不超過子樹v的預(yù)留帶寬，則從虛擬網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)例集合S_t中選擇使得跨子樹的總流量最小而子樹內(nèi)部的總流量最大的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)例放入具有最大聚合帶寬的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)例S_v中；

步驟2.3.6：將虛擬網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)例通信圖G，具有最大聚合帶寬的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)例S_v，子數(shù)v作為輸入?yún)?shù)，返回步驟2.3；

步驟2.3.7：若對(duì)子樹v分配成功，則為子樹v預(yù)留出口鏈路的帶寬，標(biāo)記S_v中的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)例為已使用；若虛擬網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)例集合S_t中還有未分配的且子樹t還有子樹沒有考慮，進(jìn)入子樹t的下一棵子樹，并轉(zhuǎn)入步驟2.3.3，否則轉(zhuǎn)入步驟2.3.8；

步驟2.3.8：如果在考慮了所有的子樹之后虛擬網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)例集合S_t中仍然有未分配的子樹，則去掉以前分配的資源；否則轉(zhuǎn)步驟2.3.9；

步驟2.3.9：返回分配的結(jié)果。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明采用帶寬保障式的VNF部署策略，可以根據(jù)用戶提供的帶寬信息，并結(jié)合當(dāng)前全局的資源使用情況，做出更為全局優(yōu)化的VNF部署。VNF實(shí)例通信模型和啟發(fā)算的VNF部署算法，一方面保障了用戶的帶寬需求，另一方面集中式的放置用戶的虛擬機(jī)，從而減少不必要的帶寬損耗，接受更多的實(shí)例。

附圖說明

圖1是VNF實(shí)例通信圖；

圖2是VNF實(shí)例部署流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)實(shí)施例作詳細(xì)說明。

本發(fā)明主要提出一種基于帶寬保障的SFC請(qǐng)求模型以及相應(yīng)的在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中的VNF放置方案，目的是節(jié)約網(wǎng)絡(luò)帶寬資源并且減少虛擬機(jī)開銷。數(shù)據(jù)中心租戶提出SFC的請(qǐng)求并且指定帶寬總量需求。我們保障租戶提出的帶寬需求并決定如何將其SFC請(qǐng)求部署到數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中，即保障了租戶的性能，又節(jié)約了全局的帶寬。

如圖1所示，三個(gè)虛線框表示三個(gè)VNF(虛擬網(wǎng)絡(luò)功能)，其中的方框1-9表示不同的VNF實(shí)例，不同的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能需要的VNF實(shí)例個(gè)數(shù)不同。箭頭以及標(biāo)注的數(shù)字表示不同的VNF需要負(fù)載的網(wǎng)絡(luò)流量。當(dāng)租戶提出的一個(gè)SFC請(qǐng)求，800的流量首先經(jīng)過VNF1，然后分成兩支，500的流量經(jīng)過VNF2，300的流量經(jīng)過VNF3。用戶的請(qǐng)求包含SFC的連接情況，以及各個(gè)VNF之間的帶寬需求。我們首先估計(jì)每種類型的VNF實(shí)例可以承擔(dān)的最大的負(fù)載流量，然后算出所需要的VNF實(shí)例個(gè)數(shù)，即得到了包含VNF實(shí)例的通信圖。我們需要將其部署到數(shù)據(jù)中心中去。由于數(shù)據(jù)中心的帶寬資源非常稀缺，尤其是上層帶寬資源存在著較高的超額認(rèn)購(gòu)比，因此我們?cè)诓渴疬^程中需要盡量節(jié)約帶寬。在設(shè)計(jì)算法的時(shí)候，我們考慮將通信量大的VNF實(shí)例盡可能的放置在同一棵子樹中去，使得流量更加內(nèi)聚，這樣就減少了跨子樹的流量，從而節(jié)約帶寬資源，尤其是上層網(wǎng)絡(luò)帶寬。我們的部署算法采用啟發(fā)式的思想，首先自底向上的搜索可能容納下整個(gè)SFC的子樹，一旦找到了可能的子樹，則對(duì)其進(jìn)行自頂向下的遞歸的部署。即把VNF實(shí)例通信圖分割開來放置到該子樹的不同子樹中去。通過此遞歸的搜索，最終所有的VNF實(shí)例都會(huì)放置在物理機(jī)上，并且為每條鏈路預(yù)留合適的帶寬以保障通信需求。

具體步驟如下：

1.根據(jù)SFC和帶寬需求建立VNF實(shí)例通信圖。具體步驟如下：

步驟1.1：計(jì)算所需VNF實(shí)例的個(gè)數(shù)。

對(duì)于SFC請(qǐng)求中的每一個(gè)VNF，我們需要提供足夠的處理能力來完成其流量處理需求。我們假設(shè)每一個(gè)VNF_i的實(shí)例具有的最大流量處理能力是Ub_i(可以通過進(jìn)行壓力測(cè)試來獲得)，因此我們可以算出對(duì)于VNF_i最少需要的VNF實(shí)例數(shù)量是：

B_iⁱⁿ和B_i^out分別代表VNF_i的總?cè)霂捫枨蠛涂偝鰩捫枨蟆?/p>

Ub_i表示單個(gè)屬于VNF_i的實(shí)例可以支持的最大流量負(fù)載。

N_i表示VNF_i總共具有的實(shí)例個(gè)數(shù)。

步驟1.2：計(jì)算每個(gè)VNF實(shí)例的帶寬需求。

根據(jù)負(fù)載均衡原則，每一個(gè)實(shí)例所需要的帶寬是相等的，可以算出每一個(gè)實(shí)例的帶寬需求。

B_iⁱⁿ和B_i^out分別代表VNF_i的總?cè)霂捫枨蠛涂偝鰩捫枨蟆?/p>

步驟1.3：分析VNF實(shí)例放置的帶寬節(jié)約原理

VNF的放置過程實(shí)際上就是把各個(gè)VNF的實(shí)例遞歸的放置到數(shù)據(jù)中心的每個(gè)子樹中，直到所有的實(shí)例都被放置在物理機(jī)上。對(duì)于每一個(gè)分配了VNF實(shí)例的子樹而言，我們需要預(yù)留內(nèi)部帶寬(保障子樹內(nèi)部的實(shí)例的通信需求)和外部帶寬(保障子樹內(nèi)外實(shí)例之間的通信需求)。

步驟1.3.1：計(jì)算上下級(jí)VNF之間的內(nèi)部帶寬需求。

顯然的，每一個(gè)VNF實(shí)例都優(yōu)先將流量傳送給同一個(gè)子樹內(nèi)部的下級(jí)VNF實(shí)例而不是跨子樹的實(shí)例。于是我們可以計(jì)算出內(nèi)部帶寬需求：

步驟1.3.2：計(jì)算每個(gè)VNF的外部帶寬需求：

步驟1.3.3：計(jì)算跨子樹的總流量和子樹內(nèi)部的總流量：

步驟1.3.4：將所有的屬于同數(shù)據(jù)中心拓?fù)鋵觢的外部流量相加,我們得到下面的式子:

步驟1.3.5：從步驟1.3.4中我們可以知道是一個(gè)常量，因此得到推論：如果我們想最小化整體的鏈路帶寬損耗,對(duì)于每一個(gè)子樹來說我們應(yīng)該最小化外部帶寬而最大化內(nèi)部帶寬。

步驟1.4：根據(jù)SFC請(qǐng)求的連接情況和VNF實(shí)例的數(shù)目，建立VNF實(shí)例通信圖。

VNF實(shí)例通信圖由租戶請(qǐng)求的VNF(包括根據(jù)帶寬需求計(jì)算出來的實(shí)例個(gè)數(shù))以及各個(gè)VNF實(shí)例之間的帶寬需求組合而成。反應(yīng)了租戶需要處理的流量的流向情況和流經(jīng)每個(gè)VNF的流量大小。

2.基于生成的VNF實(shí)例通信圖，本發(fā)明設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的帶寬保障的VNF實(shí)例部署方案。我們假設(shè)數(shù)據(jù)中心拓?fù)錇闃湫徒Y(jié)構(gòu)，具體步驟如下：

步驟2.1：選定目標(biāo)層中的一棵子樹作為目標(biāo)子樹(初始從最底層開始)。

步驟2.2：計(jì)算子樹中的剩余虛擬機(jī)槽資源，如果VNF實(shí)例通信圖中的VNF實(shí)例個(gè)數(shù)超過了子樹剩余虛擬機(jī)槽個(gè)數(shù)，則選擇該層的下一棵子樹，繼續(xù)步驟2.2，否則轉(zhuǎn)2.3。

步驟2.3：Alloc過程，本過程是一個(gè)自頂向下遞歸放置的過程，輸入的參數(shù)有VNF實(shí)例通信圖G，選定的VNF實(shí)例集合S_t，以及選定的子樹t。

步驟2.3.1：如果當(dāng)前層數(shù)為最底層，則直接將SFC請(qǐng)求中的VNF實(shí)例部署到此子樹(即物理機(jī))上。

步驟2.3.2：如果當(dāng)前層數(shù)不是最底層，則對(duì)于t來說，將其所有的子樹按照可用資源的多少進(jìn)行降序排列，可用資源包括虛擬機(jī)槽的數(shù)量和可用的出口帶寬。

步驟2.3.3：假設(shè)對(duì)于t的子樹v進(jìn)行分配，首先賦值cnt為S_t中未使用的VNF實(shí)例數(shù)量和v中剩余的虛擬機(jī)槽數(shù)量的較小值。

步驟2.3.4：設(shè)置S_v為空集，選擇S_t中沒有使用過的具有最大聚合帶寬的VNF實(shí)例放入S_v中。

步驟2.3.5：若Sv中的VNF實(shí)例的個(gè)數(shù)小于等于cnt，且C_vⁱⁿ和C_v^out都不超過子樹v的預(yù)留帶寬，則從S_t中選擇滿足步驟1.3.3中使得C_t最小而T^t最大的VNF實(shí)例放入S_v中。

步驟2.3.6：將G，S_v，v作為輸入?yún)?shù)，繼續(xù)步驟2.3過程。

步驟2.3.7：若對(duì)子樹v的分配成功，則為子樹v預(yù)留出口鏈路的帶寬，標(biāo)記S_v中的VNF實(shí)例為已使用。若S_t中還有為分配的且t還有子樹沒有考慮，進(jìn)入t的下一棵子樹，并轉(zhuǎn)步驟2.3.3，否則轉(zhuǎn)2.3.8。

步驟2.3.8：如果在考慮了所有的子樹之后S_t中仍然有未分配的子樹，則去掉以前分配的資源。否則轉(zhuǎn)步驟2.3.9。

步驟2.3.9：返回分配的結(jié)果。

步驟2.4：如果分配成功，則返回成功并得到分配的結(jié)果值。否則進(jìn)入步驟2.5。

步驟2.5：若該層中還有子樹沒有考慮過，則選擇該子樹的下一棵子樹作為目標(biāo)子樹，進(jìn)入步驟2.2；否則進(jìn)入步驟2.6。

步驟2.6：若還沒有搜索根節(jié)點(diǎn)子樹，則上移一層進(jìn)入2.1步驟，否則無法接受此請(qǐng)求，返回失敗。

我們進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)將本發(fā)明方案和現(xiàn)有的彈性部署方案對(duì)比，結(jié)果表明我們的發(fā)明方案能夠有效的節(jié)約更多的帶寬資源，并且接受更多的租戶請(qǐng)求。說明本發(fā)明達(dá)到了預(yù)期的目的，具有較好的效果。

本發(fā)明的SFC請(qǐng)求中的每個(gè)VNF提供保障的帶寬，并且通過估計(jì)每個(gè)VNF實(shí)例的最大處理流量來計(jì)算總共需要的VNF實(shí)例的個(gè)數(shù)，然后建立每個(gè)VNF實(shí)例之間的通信模型圖。根據(jù)此模型，采用啟發(fā)式算法將VNF實(shí)例部署到數(shù)據(jù)中心中。部署算法采用本地化的方法，盡可能的減少跨子樹的流量并且增大內(nèi)部傳輸?shù)牧髁?，以此來達(dá)到節(jié)省帶寬的目的。

此實(shí)施例僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。