CN110768837A

CN110768837A - 一种网络切片虚拟资源分配方法、系统及装置

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Publication number: CN110768837A
Application number: CN201911031079.3A
Authority: CN
Inventors: 丰雷; 李文璟; 姚贤炯; 孙德栋; 李温静; 郭少勇; 徐思雅; 周凡钦; 杨志祥; 林颖欣; 冉迪雅; 朱亮
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications; State Grid Shanghai Electric Power Co Ltd; National Network Information and Communication Industry Group Co Ltd; Beijing Zhongdian Feihua Communication Co Ltd
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications; State Grid Shanghai Electric Power Co Ltd; National Network Information and Communication Industry Group Co Ltd; Beijing Zhongdian Feihua Communication Co Ltd
Priority date: 2019-10-28
Filing date: 2019-10-28
Publication date: 2020-02-07

Abstract

本发明提供了一种网络切片虚拟资源分配方法、系统及装置，该方法包括：获取物理网络拓扑结构及其网络切片服务链网络，根据所述的网络拓扑结构及其网络切片服务链流量确定所有可能映射的物理节点、传播链路及其传播时延，根据所述的物理节点、传播链路及传播时延确定约束条件，根据所述约束条件对所述物理节点、传播链路进行路径筛选，得到最佳映射物理节点和链路路径。通过实施本发明，综合考虑了网络通信容量限制以及超低时延性能需求限制，从而保证能在最大网络通信容量的条件下，降低网络通信传输的时延，分配网络切片虚拟资源。

Description

一种网络切片虚拟资源分配方法、系统及装置

技术领域

本发明涉及移动通信领域，具体涉及一种网络切片虚拟资源分配方法、系统及装置。

背景技术

在5网络中,业务场景呈现出多样化、差异化的特点。为了支持5各种服务、用例以及业务模型的从高吞吐量服务到延迟敏感服务的需求，网络切片按照需求将会构建多个逻辑上独立的端到端虚拟网络，依赖必要的物理资源分配来为一个给定的业务场景灵活地提供一个或者多个网络服务。

其中，超低时延是5G承载网网络切片需要满足的一个重要性能指标。在满足超低时延要求的情况下，为网络切片分配适应于性能需求的物理资源是网络切片技术一个主要挑战。

在现有网络切片虚拟资源分配的方法中，5G前传回传网络并重结构的核心网络的计算服务器能够提供大容量存储和带宽，但部署的位置距离用户较远，不可避免地产生较长的传输时延，同时，各类业务数据汇聚到核心网络中进行计算处理，数据流量的巨大增长，会消耗过多回程链路带宽；而在接入网路的边缘设备中，离用户距离近，通信状况好，但是只有一定的缓存容量和计算能力；或者是基于时延敏感业务和时延非敏感业务的不同要求动态地调整提供计算资源的服务器的开启数量，来实现网络资源的不同分配；又或者是以用户流端到端时延及网络负载最小化为目标，为各用户流确定最优网络切片策略，实现资源分配的优化。

上述方案都是单方面考虑某种因素的影响，无法同时满足用户在5G网络通信处理业务时的时延需求与速度需求，造成了网络的负载不均衡，增加了网络切片虚拟资源的消耗。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有网络切片虚拟资源分配技术中无法同时满足用户在5网络通信处理业务时的时延需求与速度需求的缺陷，从而提供一种网络切片虚拟资源分配方法、系统及装置。

有鉴于此，本发明提供一种网络切片虚拟资源分配方法，包括：获取物理网络拓扑结构及其网络切片服务链网络，根据所述的物理网络拓扑结构及其网络切片服务链网络确定所有可能映射的物理节点、传播链路及其传播时延，根据所述的物理节点、传播链路及传播时延确定约束条件，根据所述约束条件对所述物理节点、传播链路进行路径筛选，得到最佳映射物理节点和链路路径。

可选地，在一实施例中，该方法还包括：通过以下公式计算所述传播时延：

其中，

表示网络切片S上的虚拟链路(k,l)在物理网络拓扑中请求资源分配时需要的总时延，S表示一类网络切片，s表示网络切片集合中的网络切片,(u,v)表示一条起始物理节点为u和终止物理节点为v的物理路径链路，

表示起点为虚拟节点k和终点为虚拟节点l的逻辑链路(k,l)上的流量，C(u,v)表示物理链路(u,v)上可用带宽的上限容量，代表

路径传播距离，L^s表示所有提供带宽资源的物理链路集合，ij表示为虚拟链路所映射的物理路径(r,d)中的一段子物理转发链路，θ是一个权重因子。

可选地，在一实施例中，所述根据所述的物理节点、传播链路及传播时延确定约束条件包括：根据业务需求的时延阈值确定不同类型网络切片时延约束，根据物理链路能为虚拟链路提供相应的资源数量确定所有物理节点链路容量限制约束，根据每个切片所映射的物理链路数量及其虚拟链路数量确定物理节点不同虚拟网络功能约束，根据物理链路带宽资源容量确定所有物理链路的带宽限制约束，根据中间物理节点的流入流量及其流出流量确定物理链路的流量守恒约束。

可选地，在一实施例中，计算所述不同类型网络切片时延约束包括：

其中，

表示第一对决策变量，λ^(s,k),(s,l)表示第二对决策变量，表示业务需求指定的时延阈值。

可选地，在一实施例中，计算所述所有物理节点链路容量限制约束包括：

其中，

表示物理链路(u,v)能够为虚拟链路kl提供相应资源的数量。

可选地，在一实施例中，计算所述物理节点不同虚拟网络功能约束包括：

其中,

表示网络切片s中虚拟节点的数量,

表示网络切片s的业务流实例数量。

可选地，在一实施例中，计算所述所有物理链路的带宽限制约束包括：

其中，

表示该条物理链路上的所有网络切片请求的带宽资源需求。

可选地，在一实施例中，计算所述物理链路的流量守恒约束，包括：

其中，

表示中间节点的流入流量，

表示中间节点的流出流量。

可选地，在一实施例中，根据所述约束条件对所述物理节点、传播链路进行路径筛选，得到最佳映射物理节点和链路路径，包括：通过分支定界算法根据所述约束条件对所述物理节点、传播链路进行路径筛选，得到最佳映射物理节点和链路路径。

本发明还提供一种网络切片虚拟资源的分配装置，包括：获取模块，用于获取物理网络拓扑结构及其网络切片服务链网络；确定模块，用于确定所有可能映射的物理节点、传播链路及其传播时延以及约束条件；筛选路径模块，用于根据所述约束条件对所述物理节点、传播链路进行路径筛选，得到最佳映射物理节点和链路路径。

本发明还提供一种网络切片虚拟资源的分配系统，包括：至少一个控制设备，所述控制设备用于执行如上述任意一种实施例所述的网络切片虚拟资源分配方法，对所述物理网络现有的网络切片虚拟资源进行合理分配。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任意一种实施例所述的网络切片虚拟资源分配方法，对所述物理网络现有的网络切片虚拟资源进行合理分配。

本发明所提供的网络切片虚拟资源分配方法、系统及装置，通过获取物理网络拓扑结构及其网络切片服务链网络，根据所述的获取物理网络拓扑结构及其网络切片服务链网络确定所有可能映射的物理节点、传播链路及其传播时延，确定约束条件，通过分支定界算法根据所述约束条件对所述物理节点、传播链路进行路径筛选，得到最佳映射物理节点和链路路径，通过获取到的最佳映射物理节点和链路路径，合理分配现有的网络切片虚拟资源，解决了在现有的网络切片虚拟资源分配的技术中无法同时满足用户在5G网络通信处理业务时的时延需求与速度需求，造成网络的负载不均衡、增加网络切片虚拟资源的消耗的问题，保证了物理网络链路中流量的均匀分布，有效的降低了网络切片虚拟资源分配的消耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中网络切片虚拟资源分配方法的一个具体示例的流程图；

图2为本发明实施例2中网络切片虚拟资源分配装置的一个具体示例的原理框图；

图3为本发明实施例3中网络切片虚拟资源分配系统的结构框图；

图4为本发明实施例3中网络切片虚拟资源分配系统的控制设备中第一控制器的一个具体示例的结构框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，以及除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本发明实施例提供一种网络切片虚拟资源分配方法，将网络切片虚拟资源分配定义为具有线性约束的瞬间线性规划法问题：

其中，S表示网络切片集合，s∈S表示s是网络切片集合S中的一个网络切片，底层物理网络用加权无向图G(N^s,L^s)表示，N^s表示所有提供计算和存储资源的物理节点集合，L^s表示所有提供带宽资源的物理链路集合，网络切片的业务流实例用有向加权图G(N^v,L^v)来表示，N^v表示虚拟节点集合。

其中还包括，表示网络切片S上的虚拟链路(k,l)在实际网络拓扑结构中请求资源分配时需要的总时延，

表示第一对决策变量，当

时表示网络切片s中的虚拟链路(k,l)映射到物理链路(u,v)上，当且仅当虚拟节点k和l同时分别地映射到物理节点u和v上，当

时表示网络切片s中的虚拟链路(k,l)没有映射到物理链路(u,v)上，λ^(s,k),(s,l)表示第二对决策变量，当λ^(s,k),(s,l)＝1时表示网络切片s上的起点为虚拟节点k和终点为虚拟节点l的逻辑链路(k,l)上请求资源分配，当λ^(s,k),(S,l)＝0时表示网络切片s上的起点为虚拟节点k和终点为虚拟节点l的逻辑链路(k,l)上不请求资源分配。

通过解决具有线性约束的瞬间线性规划法问题，计算出最佳映射物理节点和链路路径，从而获得分配网络切片虚拟资源的最佳方法，首先获取物理网络拓扑结构及其网络切片服务链网络，网络切片服务链网络包括虚拟节点和虚拟链路、以及服务链流量，网络切片服务链流量需求用f^(s,k),(s,l)表示，根据物理网络拓扑结构及其网络切片服务链网络确定所有可能映射的物理节点、传播链路及其传播时延，确定约束条件，根据约束条件对上述物理节点、传播链路进行路径筛选，得到最佳映射物理节点和链路路径，根据最佳映射物理节点和链路路径得到网络切片虚拟资源最佳分配方式。

如图1所示，该网络切片虚拟资源分配方法主要包括：

步骤S11：获取物理网络拓扑结构及其网络切片服务链网络，在具体的实施例中，网络切片的服务链流量由f^(s,k),(s,l)表示，物理网络拓扑结构由物理节点、节点所蕴含的VNF以及链路容量和链路长度等因素共同表示；网络切片服务链网络包括虚拟节点和虚拟链路、以及服务链流量；在本实施例中，f^(s,k),(s,l)表示网络切片s中起点为虚拟节点k∈N^v、终点为虚拟节点l∈N^v的逻辑链路(k,l)∈L^v上的流量需求，底层物理网络用加权无向图G(N^s,L^s)来表示，其中N^s表示所有提供计算和存储资源的物理节点集合，L^s表示所有提供带宽资源的物理链路集合，网络切片s的业务流实例用有向加权图G(N^v,L^v)表示，其中，图中N^v表示虚拟节点集合，由每个网络切片的逻辑网络上端到端业务流实例所需求的虚拟网络单元组成，图中的边集合L^v表示各个虚拟节点间的虚拟逻辑链路网络集合，网络切片表示一组端到端业务流实例的独立集合，每条业务流实例表示为具有业务处理逻辑的服务链，由一组有序的虚拟网络单元组成。

步骤S12：根据物理网络拓扑结构及其网络切片服务链网络确定所有可能映射的物理节点、传播链路及其传播时延，在本实施例中，网络切片服务链网络包括虚拟节点和虚拟链路、以及服务链流量，使用第一二进制变量

表示网络切片s中的虚拟节点k会映射到物理节点u上，第二二进制变量

表示网络切片s中的虚拟节点k没有映射到物理节点u，通过第一二进制变量以及第二二进制变量

来确定所有映射的物理节点。

使用第三二进制变量

来表示网络切片s中的虚拟链路(k,l)映射到物理链路(u,v)上，当且仅当虚拟节点k和l同时分别地映射到物理节点u和v上,

表示网络切片s中的虚拟链路(k,l)没有映射到物理链路(u,v)上，通过第三二进制变量

来确定所有映射的物理传播链路。

物理链路的传播时延由两部分组成，第一部分是由根据物理链路容量和物理链路负载，获得物理链路满足网络切片的端到端业务流实例所需的时隙数目，也就是网络切片业务流实例处理业务信息所需要的处理时延，第二部分是业务流实例在实际处理业务信息时，从终端的控制设备传输到映射的物理链路获取网络切片虚拟资源时需要的传输时延。

步骤S13：根据上述物理节点、传播链路及传播时延确定约束条件，在具体的实施例中，约束条件包括不同类型网络切片时延约束、所有物理节点链路容量限制约束、物理节点不同虚拟网络功能约束、所有物理链路的带宽限制约束、物理链路的流量守恒约束。在本实施例中，不同类型网络切片时延约束由网络切片业务流实例处理业务信息的时延阈值确定，通过下述公式计算：

其中，

表示网络切片业务流实例处理业务信息的时延阈值。

所有物理节点链路容量限制约束由物理链路能为虚拟链路提供相应的资源数量确定，通过下述公式计算：

其中，表示物理链路(u,v)能够为虚拟链路kl提供相应网络切片虚拟资源的数量。

物理节点不同虚拟网络功能约束由每个切片所映射的物理链路数量及其虚拟链路数量确定，通过下述公式计算：

其中,表示网络切片s中虚拟节点的数量,

表示网络切片s的业务流实例数量。

所有物理链路的带宽限制约束由物理链路带宽资源容量确定，通过下述公式计算：

其中，

表示该条物理链路上的所有网络切片请求的带宽资源需求。

物理链路的流量守恒约束由中间物理节点的流入流量及其流出流量确定，通过下述公式计算：

其中，

表示中间节点的流入流量，

表示中间节点的流出流量。

步骤S14：根上述约束条件对物理节点、传播链路进行路径筛选，得到最佳映射物理节点和链路路径，在具体的实施例中，可使用任意一种筛选路径算法来执行筛选物理节点及传播链路的命令，根据约束条件对物理节点、传播链路进行路径筛选，从而得到最佳映射物理节点和链路路径，在本实施例中，使用分支定界算法通过分支定界算法根据约束条件对物理节点、传播链路进行路径筛选，得到最佳映射物理节点和链路路径。

在实际应用中，通过解决具有线性约束的瞬间线性规划法问题，可计算出最佳映射物理节点和链路路径，从而获得分配网络切片虚拟资源的最佳方法。

本发明实施例的网络切片虚拟资源分配方法，是将网络切片虚拟资源分配问题定义为具有线性约束的瞬间线性规划法问题，通过解决具有线性约束得瞬间线性规划法问题，获取物理网络拓扑结构及其网络切片服务链网络、网络切片延迟阈值、网络容量以及基板链路带宽和长度，得到网络切片虚拟资源分配的最佳部署路径，继而得到了最佳网络切片虚拟资源的分配方法，本发明实施例的网络切片虚拟资源分配方法可以在满足网络拓扑结构特征的同时满足网络传播时延最小化的需求，平衡了承载网中网络容量限制和超低时延性能需求。

实施例2

本发明实施例还提供一种网络切片虚拟资源分配装置，如图2所示，包括：

获取模块21，用于获取物理网络拓扑结构及其网络切片服务链网络；详细实施内容可参见上述方法实施例的步骤S11的相关描述。

确定模块22，用于确定所有可能映射的物理节点、传播链路及其传播时延以及约束条件；详细实施内容可参见上述方法实施例的步骤S12-S13的相关描述。

筛选路径模块23，用于根据上述约束条件筛选物理节点、传播链路直至得到最佳映射物理节点和链路路径；详细实施内容可参见上述方法实施例的步骤S14的相关描述。

本发明提供的一种网络切片虚拟资源分配装置，解决了在现有的网络切片虚拟资源分配技术中无法平衡承载网中网络容量限制和超低时延性能需求的问题,能够在满足各项业务流实例处理业务信息的超低时延阈值要求的前提下，实现虚拟网络单元和底层物理网络的映射，降低了网络切片虚拟资源分配的不合理损耗。

实施例3

本施例提供一种网络切片资源的分配系统，包括至少一个控制设备31，如图3所示，包括：

第一通讯模块311，用于传输数据信息，接收网络拓扑结构及其网络切片服务链流量信息以及计算得到的所有可能映射的物理节点、传播链路及其传播时延信息；

第一控制器312，用于根据第一通讯模块311接收到的信息确定筛选路径的条件，从而得到最佳映射物理节点和链路路径，第一控制器312与所述第一通讯模块311连接，如图4所示，包括：至少一个处理器41；以及与所述至少一个处理器41通信连接的存储器42；其中，所述存储器42存储有可被所述至少一个处理器41执行的指令，当接收到网络拓扑结构及其网络切片服务链流量信息以及计算得到的所有可能映射的物理节点、传播链路及其传播时延信息时，以使所述至少一个处理器41执行图1所示的网络切片资源的分配方法，图4中以一个处理器为例，处理器41，存储器42通过总线40连接，在本实施例中，第一通讯模块可以为无线通讯模块，例如，蓝牙模块，Wi-Fi模块等，也可以为有线通讯模块。

存储器42作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如本申请实施例中的网络切片资源的分配方法对应的程序指令/模块。处理器41通过运行存储在存储器42中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行服务器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例的网络切片资源的分配方法。

存储器42可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据服务器操作的处理装置的使用所创建的数据等。此外，存储器42可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器42可选包括相对于处理器41远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至网络连接装置。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

一个或者多个模块存储在存储器42中，当被一个或者多个处理器41执行时，执行上述实施例任意一项描述的方法。

本发明实施例提供的控制设备，通过第一通讯模块311接收网络拓扑结构信息及其网络切片服务链流量信息以及计算得到的所有可能映射的物理节点、传播链路及其传播时延信息，确定筛选路径的约束条件，当确定约束条件后，通过第一控制器312对计算得到的物理节点以及链路路径进行筛选从而最终得到最佳映射物理节点和链路路径，解决了在现有的网络切片虚拟资源分配技术中无法平衡承载网中网络容量限制和超低时延性能需求平衡的问题，降低了网络切片虚拟资源的损耗。

实施例4

本发明实施例还提供了一种非暂态计算机可读介质，非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，计算机指令用于使计算机执行如上述实施例中任意一项描述的网络切片资源的分配方法，其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)、随机存储记忆体(Random Sccess Memory，RAM)、快闪存储器(Flash Memory)、硬盘(Hard Disk Drive)，缩写为(HDD)或固态硬盘(Solid-State Drive)，缩写为(SSD)等；存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims

1.一种网络切片虚拟资源分配方法，其特征在于，包括：

获取物理网络拓扑结构及其网络切片服务链网络；

根据所述物理网络拓扑结构及其网络切片服务链网络确定所有可能映射的物理节点、传播链路及其传播时延；

根据所述的物理节点、传播链路及传播时延确定约束条件；

根据所述约束条件对所述物理节点、传播链路进行路径筛选，得到最佳映射物理节点和链路路径。

2.根据权利要求1所述的网络切片虚拟资源分配方法，其特征在于，通过以下公式计算所述传播时延：

其中，

表示网络切片S上的虚拟链路(k,l)在实际物理网络拓扑中请求资源分配时需要的总时延，S表示一类网络切片，s表示网络切片集合中的网络切片，(u,v)表示一条起始物理节点为u和终止物理节点为v的物理链路，表示起点为虚拟节点k和终点为虚拟节点l的逻辑链路(k,l)上的流量，C(u,v)表示物理链路(u,v)上可用带宽的上限容量，