面向可靠性的5G网络切片重构及映射算法

赵国繁; 唐伦; 胡彦娟; 赵培培; 陈前斌

doi:10.11999/JEIT190500

面向可靠性的5G网络切片重构及映射算法

doi: 10.11999/JEIT190500

1.
重庆邮电大学通信与信息工程学院重庆 400065
2.
重庆邮电大学移动通信技术重点实验室重庆 400065

基金项目: 国家自然科学基金(61571073)，重庆市教委科学技术研究项目(KJZD-M201800601)

详细信息

作者简介:
赵国繁：女，1993年生，硕士，研究方向为5G网络切片中的资源分配，可靠性

唐伦：男，1973年生，教授，博士生导师，研究方向为新一代无线通信网络、异构蜂窝网络、软件定义无线网络等

胡彦娟：女，1993年生，硕士生，研究方向为网络切片的映射与资源分配

赵培培：女，1993年生，硕士生，研究方向为5G网络切片、网络虚拟化

陈前斌：男，1967年生，教授，博士生导师，主要研究方向为个人通信、多媒体信息处理与传输、下一代移动通信网络、异构蜂窝网络等

通讯作者:
赵国繁　1349366355@qq.com

中图分类号: TN929.5
计量
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出版历程
- 收稿日期: 2019-07-04
- 修回日期: 2020-02-16
- 网络出版日期: 2020-03-11
- 刊出日期: 2020-06-22

A Reliability-aware 5G Network Slice Reconfiguration and Embedding Algorithm

1.
School of Communication and Information Engineering, Chongqing University of Post and Telecommunications, Chongqing 400065, China
2.
Key Laboratory of Mobile Communication Technology, Chongqing University of Post and Telecommunications, Chongqing 400065, China

Funds: The National Natural Science Foundation of China (61571073), The Science and Technology Research Program of Chongqing Municipal Education Commission (KJZD-M201800601)

摘要

摘要:
针对传统网络切片映射方法资源利用率低且可靠性差的问题，该文提出了可靠性感知的网络切片(NS)重构及映射策略(RNSRE)。首先，建立了面向可靠性和资源的网络切片可靠映射效用函数。其次，综合考虑虚拟网络功能(VNF)的资源需求和位置约束，提出了一种VNF可靠性需求的度量方法。在此基础上，以最大化VNF可靠部署收益的同时最小化链路带宽资源开销为目标，建立了切片可靠映射整数线性规划模型。最后，针对不同的网络切片类型，提出了基于邻域搜索的网络切片映射算法和关键VNF备份的网络切片重构映射算法。仿真结果表明，所提算法在满足VNF可靠性需求的同时，提高了资源利用率，降低了映射的开销。
- 5G网络切片 /
- 可靠映射 /
- 资源利用率
Abstract:
Considering the problems of low resource utilization and poor reliability of traditional network slice embedding, a Reliability-aware Network Slice (NS) Reconfiguration and Embedding (RNSRE) strategy is proposed. Firstly, a utility function of reliable embedding oriented reliability and available resources is established. Then, considering the resource requirements and the location constraints of Virtual Network Function (VNF), a method is proposed to quantify the reliability requirement of VNF. Based on the above works, the reliable network slice embedding problem is formulated as an integer linear programming which maximizes the profits of reliable VNF deployment while minimizing the consumption of link bandwidth resource. Finally, according to different types of network slices, a network slice reliable embedding algorithm based on neighborhood search and a network slice reconfiguration embedding algorithm based on key VNF backup are proposed. Simulation results show that the proposed algorithms improve the resources utilization and reduce the embedding cost while meeting the reliability of VNF.
- 5G Network Slice (NS) /
- Reliable embedding /
- Resource utilization

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图 1 5G网络切片场景

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图 2 不同算法平均成本比较

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图 3 所提算法与3种算法的平均物理节点、链路资源利用率累计分布函数

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图 4 不同算法NSR平均接受率比较

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图 5 不同算法到达的可靠性比较

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表 1 基于邻域搜索的网络切片映射算法

输入：NSR $G_v^{\rm{g}} = (V_{\rm{g}},E_{\rm{g}},R_{{\rm{req}}}^{\rm{g}})$ ，物理网络 ${G_{\rm{s}}} = \left( {{N_{\rm{s}}},{L_{\rm{s}}}} \right)$	(5)　　　　 ${P_i} = P_{{\rm{next}}}^{\rm{g}}$ , ${R_{{\rm{gap}}}} = \displaystyle\prod\limits_{{n_i} \in P_{{\rm{next}}}^{\rm{g}}} {{R_i}} - R_{{\rm{req}}}^{\rm{g}}$
输出：NSE方案 ${P^{\rm{g}}} = \left[ {P^{\rm{g}}\left( {{v_k}} \right),P^{\rm{g}}\left( {{e_k}} \right)} \right]$	(6)　　　　计算当前的带宽消耗为 ${b_{\rm{g}}}$
(1) 搜索空间 $S$ , $P_{{\rm{opt}}}^{\rm{g}} = {P_{{\rm{init}}}}$ ; ${P_i} = P_{{\rm{init}}}^{\rm{g}}$	(7)　　　end if
(2) while( $0.5 \le { { {R_{ {\rm{gap} } } }} / { {R_{ {\rm{req} } } } } } + { {\left( { {b^{\rm{g} } } - b_{ {\rm{req} } }^{\rm{g} } } \right)} / {b_{ {\rm{req} } }^{\rm{g} } } } \le 1$ ), do	(8)　　　if $\left( {{\rm Obj}\left( {P_{ {\rm{next} } }^{\rm{g} } } \right) < {\rm Obj}\left( {P_{ {\rm{opt} } }^{\rm{g} } } \right)} \right)$ then
(3)　　　在 ${P_i}$ 的邻域解中搜索当前更优的个体 $P_{{\rm{next}}}^{\rm{g}}$	(9)　　　　 $P_{{\rm{opt}}}^{\rm{g}} = P_{{\rm{next}}}^{\rm{g}}$
(4)　　　if $\displaystyle\prod\limits_{ {n_i} \in P_{ {\rm{next} } }^{\rm{g} } } { {R_i} } \ge R_{ {\rm{req} } }^{\rm{g} }$ then	(10)　　　end if
	(11)　end while

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表 2 关键VNF备份网络切片重构算法

输入：NSR

$G_v^{\rm{g}} = (V_{\rm{g}},E_{\rm{g}})$ ，备份节点集

${V_{{\rm{reconf}}}}$
输出：

${P^{\rm{g}}} = \left[ {P_{}^{\rm{g}}\left( {{v_k}} \right),P_{}^{\rm{g}}\left( {{e_k}} \right)} \right]$
(1) for each

$v_i^{\rm{g}} \in {V_{{\rm{reconf}}}}$
(2)　专有备份节点

$v_i^b$ ,

$C_k^b = C_i^{\rm{g}}$ ，
(3)　备份链路
(4)　基于式(23)得到

$R\left( {G_{{\rm{backup}}}^{\rm{g}}} \right)$
(5) end for
(6) while(

$R\left( {G_{ {\rm{backup} } }^{\rm{g} } } \right) \le R_{ {\rm{req} } }^{\rm{g} }$ ), do
(7)　　for all

$v_k^{\rm{g}} \in {V_{\rm{g}}}$ , do
(8)　　　按照VNF可靠性递增，对节点进行排序

(9)　　　选择相邻VNF对提供共享备份节点

$v_i^b$ ,

$C_k^b = \max \left\{ {C_i^{\rm g} ,C_j^{\rm{g}}} \right\}$
(10)　　　选择关键VNF对

$v_i^{\rm{g}},v_j^{\rm{g}} = {\rm{arg}}\;{\rm{max}}\left\{ {{\theta _{ij}}|v_i^{\rm{g}},v_j^{\rm{g}} \in {V_{\rm{g}}}} \right\}$
(11)　　　根据

$v_i^{\rm{g}},v_j^{\rm{g}} \in {V_{\rm{g}}}$ 的状态，选择共享备份可靠性估算模型得到
　　　　

$R\left( {G_{{\rm{backup}}}^{\rm{g}}} \right)$
(12)　　end for
(13)　　　链路备份
(14) end while
(15) return

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表 3 仿真参数设置表

仿真参数	参数设置	仿真参数	参数设置
物理节点的数目	N=12, 25, 36	物理节点CPU资源容量	U[10, 20]
物理节点可靠性分布	U[0.95, 0.99]	物理链路带宽资源容量	U[20, 50]
NSR的VNF个数	3	NSR生命周期	[4, 12, 24]
3种类型切片的可靠性需求	U[0.90, 0.98]	VNF节点CPU资源需求	U[2, 6]
VNF之间带宽资源需求	U[8, 16]

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参考文献(17)

ZHANG Haijun, LIU Na, CHU Xiaoli, et al. Network slicing based 5G and future mobile networks: Mobility, resource management, and challenges[J]. IEEE Communications Magazine, 2017, 55(8): 138–145. doi: 10.1109/MCOM.2017.1600940

ORDONEZ-LUCENA J, AMEIGEIRAS P, LOPEZ D, et al. Network slicing for 5G with SDN/NFV: Concepts, architectures, and challenges[J]. IEEE Communications Magazine, 2017, 55(5): 80–87. doi: 10.1109/MCOM.2017.1600935

FOUKAS X, PATOUNAS G, ELMOKASHFI A, et al. Network slicing in 5G: Survey and challenges[J]. IEEE Communications Magazine, 2017, 55(5): 94–100. doi: 10.1109/MCOM.2017.1600951

LI Xi, CASELLAS R, LANDI G, et al. 5G-crosshaul network slicing: Enabling multi-tenancy in mobile transport networks[J]. IEEE Communications Magazine, 2017, 55(8): 128–137. doi: 10.1109/MCOM.2017.1600921

VASSILARAS S, GKATZIKIS L, LIAKOPOULOS N, et al. The algorithmic aspects of network slicing[J]. IEEE Communications Magazine, 2017, 55(8): 112–119. doi: 10.1109/MCOM.2017.1600939

ZHANG Nan, LIU Yafeng, FARMANBAR H, et al. Network slicing for service-oriented networks under resource constraints[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2017, 35(11): 2512–2521. doi: 10.1109/JSAC.2017.2760147

GUAN Wanqing, WEN Xiangming, WANG Luhan, et al. A service-oriented deployment policy of end-to-end network slicing based on complex network theory[J]. IEEE Access, 2018, 6: 19691–19701. doi: 10.1109/ACCESS.2018.2822398

刘光远, 苏森. 面向底层单节点失效的轻量级可靠虚拟网络映射算法[J]. 电子与信息学报, 2013, 35(11): 2644–2649. doi: 10.3724/SP.J.1146.2013.00254

LIU Guangyuan and SU Sen. Less stringent reliable virtual network mapping algorithm for substrate single node failure[J]. Journal of Electronics &Information Technology, 2013, 35(11): 2644–2649. doi: 10.3724/SP.J.1146.2013.00254

LIU Jiajia, JIANG Zhongyuan, KATO N, et al. Reliability evaluation for NFV deployment of future mobile broadband networks[J]. IEEE Wireless Communications, 2016, 23(3): 90–96. doi: 10.1109/MWC.2016.749807

KONG Jian, KIM I, WANG Xi, et al. Guaranteed-availability network function virtualization with network protection and VNF replication[C]. 2017 IEEE Global Communications Conference, Singapore, 2017: 1–6. doi: 10.1109/GLOCOM.2017.8254730.

CHEN Yiheng, AYOUBI S, and ASSI C. CORNER: COst-efficient and reliability-aware virtual NEtwork redesign and embedding[C]. The 3rd IEEE International Conference on Cloud Networking, Luxembourg, 2014: 356–361. doi: 10.1109/CloudNet.2014.6969021.

SUN Jian, ZHU Guangyang, SUN Gang, et al. A reliability-aware approach for resource efficient virtual network function deployment[J]. IEEE Access, 2018, 6: 18238–18250. doi: 10.1109/ACCESS.2018.2815614

BIJWE S, MACHIDA F, ISHIDA S, et al. End-to-end reliability assurance of service chain embedding for network function virtualization[C]. 2017 IEEE Conference on Network Function Virtualization and Software Defined Networks (NFV-SDN), Berlin, Germany, 2017: 1–4. doi: 10.1109/NFV-SDN.2017.8169853.

QU L, ASSI C, SHABAN K, et al. A reliability-aware network service chain provisioning with delay guarantees in NFV-enabled enterprise datacenter networks[J]. IEEE Transactions on Network and Service Management, 2017, 14(3): 554–568. doi: 10.1109/TNSM.2017.2723090

CATELANI M, CIANI L, PATRIZI G, et al. Reliability allocation procedures in complex redundant systems[J]. IEEE Systems Journal, 2018, 12(2): 1182–1192. doi: 10.1109/JSYST.2017.2651161

FAN Jingyuan, YE Zilong, GUAN Chaowen, et al. GREP: Guaranteeing reliability with enhanced protection in NFV[C]. 2015 ACM SIGCOMM Workshop on Hot Topics in Middleboxes and Network Function Virtualization, London, UK, 2015: 13–18.

MIZIULA P and NAVARRO J. Birnbaum importance measure for reliability systems with dependent components[J]. IEEE Transactions on Reliability, 2019, 68(2): 439–450. doi: 10.1109/TR.2019.2895400

施引文献

期刊类型引用(13)

1.	蔡杰锋. 基于信任感知的虚拟网络切片差异化资源分配算法. 滨州学院学报. 2024(02): 74-80 . 百度学术
2.	钱正浩，曾纪钧，江映燕，温景新. 基于模型压缩的可靠性切片容灾承载方法. 微型电脑应用. 2023(02): 67-70+88 . 百度学术
3.	黎宇，梁洪智，王杰，彭汝张. 安全服务链中虚拟网元的技术研究与应用. 信息记录材料. 2023(03): 62-64 . 百度学术
4.	高子航. 面向城市复杂环境的5G网络切片策略研究. 电子技术与软件工程. 2023(04): 33-36 . 百度学术
5.	王颖，陈可，喻鹏，李文璟，邱雪松，孟洛明. 多级隔离的网络切片可用性保障方法. 软件学报. 2023(12): 5757-5772 . 百度学术
6.	蒋建峰，张凤岩，孙金霞，张趁香. 基于隔离粒子群算法的智慧矿山5G SA网络切片部署策略. 国外电子测量技术. 2022(04): 42-48 . 百度学术
7.	赵季红，宋航，曲桦，雷智麟. 基于强化学习的高可靠性多域虚拟网络映射算法. 计算机应用研究. 2022(06): 1809-1813+1819 . 百度学术
8.	蒋建峰，张运嵩，张娴，张趁香，安淑梅. 基于Bayes评估的5G SA网络切片安全映射算法. 南京信息工程大学学报(自然科学版). 2022(05): 527-534 . 百度学术
9.	刘淑祎. 面向5G ToB业务的高可用性网络. 通信技术. 2022(09): 1226-1231 . 百度学术
10.	徐俊梅. 5G SA网络切片安全映射算法研究. 太原师范学院学报(自然科学版). 2022(03): 42-46 . 百度学术
11.	余晓玫，谭祥，李文娟，杨波. 基于光通信技术的5G网络信号路由优化研究. 激光杂志. 2022(11): 89-92 . 百度学术
12.	江博. 可重构信息的通信基础网络体系分析. 长江信息通信. 2021(05): 200-202 . 百度学术
13.	谢宝华，梁俊，肖楠，刘波，陈金涛. 基于可靠性的5G-低轨星座网络切片映射算法. 计算机应用研究. 2021(11): 3407-3410 . 百度学术