基于虚拟化网络功能备份与资源共享的服务功能链可靠性研究

Network function virtualization enables software-oriented virtual network functions to replace the hardware-based network functions in data center networks. The mapping of virtual network function suffers from unpredictable node or link failure in substrate network, which affects network service reliability. With the consideration of the reliability model which supports resource sharing of one backup node between multiple virtual network functions, we investigate the method of virtual network function backup for the reliability enhancement; this serves as the foundation of the following studies. First, based on the analysis of reliability-aware resource optimization model and the reliability of physical node, we solve the problem of finding the minimal number of virtual network function backups. Second, we investigate the link transmission delay, formulate the model with delay constraint, and study the reliability-aware path selection algorithms. Third, we investigate the feature of virtual network function resource sharing, study the modeling of resource sharing problem based on the combinatorial optimization theory, and design path selection with low complexity based on Genetic Algorithm and the like. The network resource optimization is closely related to delay and system reliability. Therefore, the modeling should uniquely balance all the above requirements. With the research in this project, the application of reliable service function chain in future data center network will be achieved. And it is a new exploration and supplement of the current studies of network function virtualization as well.

网络功能虚拟化允许将数据中心网络中基于硬件实现的网络功能通过软件虚拟化方法实现。虚拟化网络功能映射到物理网络面临着不可预测节点失效或者链路传输失败，影响网络服务可靠性。本项目拟研究虚拟化网络功能备份方法提升网络服务可靠性，考虑可靠性模型支持多个虚拟化网络功能同时共享一个备份节点资源的情况，拟开展以下研究内容。首先，分析可靠性感知资源优化模型，结合物理节点可靠性求解虚拟化网络功能最小备份数目问题。其次，分析链路传输延时，建立延时约束模型并研究可靠性感知的路径选择算法。最后，分析虚拟化网络功能备份资源共享特性，研究利用组合优化理论对资源共享问题建模，并基于遗传算法等设计低复杂度备份选择策略。网络资源优化与延时特性、系统可靠性密切相关，优化问题建模兼顾上述需求之间的平衡关系。开展此项目的研究，将有利于促进服务功能链可靠传输在未来数据中心网络的应用，同时也是对当前网络功能虚拟化研究新的探索与补充。

本项目围绕网络功能虚拟化这一5G通信系统关键技术，面向低延时网络服务，以服务功能链资源优化为出发点，研究虚拟化网络功能备份方法提升网络服务可靠性。具体包括：1）首先，面向可分解虚拟化网络功能，分析基于备份的虚拟化网络功能分解对服务功能链可靠性影响，研究利用延时感知混合多路径路由对该资源优化问题建模，提出了一种基于混合最短路径的服务功能链可靠性增强算法。2）其次，分析了多源多播服务功能链中虚拟化网络功能延时特性，研究了多源多播服务功能链延时感知的路径选择与虚拟化网络功能备份方法，基于分层图对该问题建模并将该问题转化为混合整数线性规划问题，将优化问题分解并提出一种基于K最短路径的贪婪算法降低模型求解复杂度。3）最后，分析数据中心网络链路传输延时与虚拟化网络功能资源共享，将多源多播服务功能链端到端延时与资源优化问题建模为整数线性规划问题，提出一种基于列生成分解的求解方法，同时对动态接纳问题做了详细分析。此外，将网络功能虚拟化资源调度模型和资源优化算法与数据中心网络能量优化模型、信息年龄等结合，研究并提出了能量感知网络流调度算法，以及最小化信息年龄的数据收集方法等。这些研究工作分别从模型和方法两个层面，解答了在保证服务功能链可靠性的前提下，如何降低网络服务延时与虚拟化网络功能在网络中的资源消耗这一关键问题。相关成果主要发表在IEEE重要期刊和国际会议上，共发表6篇论文，申请2个专利。